吳宇紅 紀(jì)濤 許泉強(qiáng) 朱優(yōu)優(yōu)

摘要：為了提高應(yīng)急處置人員面對(duì)電力故障的操作能力，文章介紹了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的電力故障應(yīng)急演練系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)多點(diǎn)位三維攝像頭，搭載超廣角鏡頭，實(shí)時(shí)采集培訓(xùn)人員的人體骨骼數(shù)據(jù)信息，通過(guò)主成分分析（PCA）算法以及k近鄰（KNN）算法對(duì)骨骼信息進(jìn)行特征提取和分類(lèi)，可以真實(shí)模擬電力電子設(shè)備發(fā)生的常見(jiàn)故障，極大節(jié)省了演練費(fèi)用，有效降低了人員傷亡概率。

關(guān)鍵詞：電力故障；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；主成分分析；k近鄰

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.024

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 74，TP 3? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

1? ?VR技術(shù)的發(fā)展和意義

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)處理能力的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)成為一種新興技術(shù)并且受到了越來(lái)越多人的認(rèn)可[1-3]。通過(guò)VR技術(shù)可以在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中體驗(yàn)到最真實(shí)的感受，其已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中。熊遠(yuǎn)等人利用諸如虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬課堂等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)更加直觀和逼真的多維信息教學(xué)課堂[4]；在工程建筑過(guò)程中，VR技術(shù)被大量用于建筑設(shè)計(jì)階段，其能夠?qū)?fù)雜的建筑圖紙以一種直觀形式呈現(xiàn)出來(lái)，還可以利用虛擬建筑進(jìn)行操作設(shè)備、改變裝飾等交互，從而更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的不足[5]；在軍事領(lǐng)域，VR技術(shù)可以有效地減少或者盡可能規(guī)避訓(xùn)練過(guò)程存在的危險(xiǎn)，并且通過(guò)采用VR技術(shù)降低了演習(xí)所產(chǎn)生的開(kāi)支[6]。VR技術(shù)能夠提供更加身臨其境的培訓(xùn)體驗(yàn)，并提高操作者的技能和能力，從而成為電力故障應(yīng)急演練的重要手段。

電力故障應(yīng)急處理具有其特殊的危險(xiǎn)性，與傳統(tǒng)的火災(zāi)救援、水災(zāi)救援等應(yīng)急處理有所不同，不僅需要專(zhuān)業(yè)的救援知識(shí)儲(chǔ)備而且還需對(duì)電力電子設(shè)備具有相對(duì)程度的了解。常見(jiàn)的應(yīng)急處理情況包括不可預(yù)知的二次爆炸、火災(zāi)產(chǎn)生的高溫和有毒有害氣體、泄露的SF6氣體、設(shè)備絕緣擊穿引發(fā)的隱藏高溫點(diǎn)和帶電點(diǎn)等[7-8]。目前我國(guó)對(duì)電力故障處置人員的培訓(xùn)相比較少，應(yīng)急人員經(jīng)常由于反應(yīng)不及時(shí)或素質(zhì)不達(dá)標(biāo)從而導(dǎo)致事故擴(kuò)大，甚至造成人員傷亡。通過(guò)VR技術(shù)讓電力電子專(zhuān)業(yè)應(yīng)急人員對(duì)事故的發(fā)生有更真實(shí)的認(rèn)識(shí)，從而提高應(yīng)急處置人員的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和臨時(shí)應(yīng)變能力。

針對(duì)電力故障應(yīng)急處理特殊的危險(xiǎn)性，并為了提高應(yīng)急人員處理電力電子設(shè)備事故的能力，本文介紹了利用VR技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)的電力故障應(yīng)急演練系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境下模擬現(xiàn)實(shí)的電力電子事故及災(zāi)難，從而極大地提升應(yīng)急人員處理電力故障的能力。另外，利用該系統(tǒng)可以模擬不同種類(lèi)、不同大小以及不同嚴(yán)重等級(jí)的電力電子事故。

2? ?電力故障三維場(chǎng)景建模設(shè)計(jì)

電力故障應(yīng)急演練系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分由穿戴式VR眼鏡、多點(diǎn)位三維攝像頭集成系統(tǒng)、中央處理器模塊以及液晶顯示屏模塊等組成；軟件部分包括虛擬電力故障場(chǎng)景三維重構(gòu)、人體骨骼動(dòng)作捕捉、圖像識(shí)別與處理等模塊。

三維場(chǎng)景模型是虛擬場(chǎng)景的必要元素，模型的建立和貼圖的繪制將直接影響虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性，目前已有Autocad、3Ds Max、Maya、C4D、Rhino、Modo等軟件工具用于3D模型建模。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的真實(shí)感主要來(lái)源于對(duì)模型和場(chǎng)景的渲染程度，虛擬場(chǎng)景的真實(shí)程度將會(huì)直接影響培訓(xùn)人員的視聽(tīng)體驗(yàn)，因此在提高三維場(chǎng)景渲染程度的同時(shí)，通過(guò)保證虛擬場(chǎng)景的高刷新率來(lái)增強(qiáng)其現(xiàn)實(shí)程度。

三維模型數(shù)據(jù)包含圖像數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)主要是圖像元素、文字信息、VR全景圖以及演示動(dòng)畫(huà)等。針對(duì)電力故障應(yīng)急三維場(chǎng)景的構(gòu)建，需要搜集各種電力故障及周邊環(huán)境資料，建立多元化電力故障三維場(chǎng)景庫(kù)；根據(jù)各類(lèi)設(shè)備的實(shí)物圖和尺寸數(shù)據(jù)，建立三維設(shè)備模型庫(kù)；根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求和工器具實(shí)際尺寸，建立工器具模型庫(kù)；研究各類(lèi)電力故障產(chǎn)生原因與檢修技術(shù)要求，建立電力故障虛擬仿真培訓(xùn)軟件運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)等。

穿戴式VR眼鏡是實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景交互的重要設(shè)備，其內(nèi)部擬設(shè)計(jì)有左右兩片高分辨率的鏡片式液晶屏幕，配帶者基于720°全景圖像可以在裸眼狀態(tài)下無(wú)死角地進(jìn)行觀察，并通過(guò)陀螺儀等儀器感知視角的變化，利用后臺(tái)計(jì)算將紋理的變化投影到場(chǎng)景中，使配帶者在瀏覽過(guò)程中產(chǎn)生環(huán)視四周的真實(shí)感。此外該VR眼鏡包含先進(jìn)追蹤傳感器（激光定位傳感器）、加速計(jì)、陀螺儀、存儲(chǔ)單元、反饋單元、微控制器等，并搭載了電力故障應(yīng)急沉浸式桌面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤以及交互功能。為了提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感，需要應(yīng)用三維場(chǎng)景模型進(jìn)行渲染。將煩雜的電力故障應(yīng)急整體場(chǎng)景模型劃分為多個(gè)子場(chǎng)景模型，通過(guò)模擬人眼視角，具備一定的視力范圍。在視力范圍之內(nèi)的模型都可看見(jiàn)，在視力范圍之外的模型則觀察不到，也就不需進(jìn)行加載。三維虛擬場(chǎng)景中的碰撞檢測(cè)將會(huì)直接影響虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)的逼真程度。當(dāng)虛擬場(chǎng)景中的人物碰到墻壁時(shí)，操作人員不會(huì)發(fā)生穿墻而過(guò)的現(xiàn)象。由于碰撞檢測(cè)引擎的復(fù)雜性和對(duì)效率的高要求，使用較為成熟的完整引擎Opcode，該碰撞檢測(cè)引擎可以用于人物和場(chǎng)景的碰撞檢測(cè)。

3? ?機(jī)器學(xué)習(xí)算法

本文通過(guò)多點(diǎn)位三維攝像頭，搭載超廣角鏡頭，實(shí)時(shí)采集培訓(xùn)人員的人體骨骼數(shù)據(jù)信息，對(duì)骨骼信息數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、消除體型差異和歸一化處理。用主成分分析（PCA）算法提取骨骼特征主成分，并將其作為k近鄰（KNN）的骨骼相似度計(jì)算輸入，得到實(shí)時(shí)人體姿態(tài)動(dòng)作的類(lèi)別信息，以結(jié)果類(lèi)別作為交互觸發(fā)指令，并進(jìn)一步增加手關(guān)節(jié)軌跡引導(dǎo)交互。將Kinect骨骼關(guān)節(jié)與培訓(xùn)人員的虛擬模型進(jìn)行綁定，建立多鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)模型，并根據(jù)虛擬仿真的交互需求，構(gòu)建人體姿態(tài)行為庫(kù)，從而豐富培訓(xùn)人員的指令觸發(fā)交互。

3.1 主成分分析（PCA）算法

PCA算法作為一種無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分類(lèi)和降維[9-10]。PCA算法通過(guò)Karhunen-Loève變換將原始高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)，并且極大地保留了數(shù)據(jù)樣本信息。PCA算法具體介紹如下。

給定數(shù)據(jù)集，其中，n為數(shù)據(jù)樣本量，m為數(shù)據(jù)維數(shù)，因此樣本均值可以被定義為：

式中，與分別為特征值和特征向量。PCA算法將原始數(shù)據(jù)映射到前n個(gè)主成分上，并且極大程度地保留了原始樣本的特征信息。

3.2 k近鄰（KNN）算法

k近鄰（KNN）算法是一種有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)給定樣本數(shù)據(jù)，檢索與該未知樣本距離最為接近的k個(gè)樣本，k個(gè)樣本所屬的種類(lèi)是此樣本種類(lèi)[11-12]。KNN算法在分類(lèi)過(guò)程中僅使用最相近的幾種樣本類(lèi)型便可判斷未知樣本類(lèi)型。

設(shè)置所選樣本是，第n個(gè)樣本與第n-1個(gè)樣本的距離是：

k近鄰（KNN）算法流程是：首先將所選數(shù)據(jù)特征進(jìn)行歸一化；然后運(yùn)算已知特征與求解特征的距離；再根據(jù)距離遞增規(guī)律實(shí)施動(dòng)作特征排序；選取和目前動(dòng)作特征距離最小的k個(gè)特征；最后將前k個(gè)特征里概率最顯著的動(dòng)作特征進(jìn)行種類(lèi)識(shí)別，判斷動(dòng)作類(lèi)型。

4? ?系統(tǒng)應(yīng)用效果

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的電力故障應(yīng)急演練系統(tǒng)以三維空間關(guān)節(jié)點(diǎn)繞定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的歐拉角為基本原理構(gòu)建了多節(jié)點(diǎn)的骨骼關(guān)節(jié)鏈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過(guò)調(diào)用VR IK腳本綁定角色的整體全部骨骼，在開(kāi)始時(shí)骨骼擺出接近目標(biāo)的姿勢(shì)。這樣有助于算法專(zhuān)注最接近的解，并能在合理的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。同時(shí)FinalIK插件依賴于角色的骨骼層次結(jié)構(gòu)和約束信息。骨骼層次結(jié)構(gòu)定義了角色的骨骼和關(guān)節(jié)之間的層次關(guān)系，以及它們的旋轉(zhuǎn)限制。骨骼調(diào)用綁定如圖2所示。

通過(guò)約束信息定義IK目標(biāo)和各個(gè)骨骼之間的約束關(guān)系，如角度限制、位置限制等。這些約束信息可以通過(guò)手動(dòng)設(shè)置或插件提供的可視化編輯器進(jìn)行配置，從而能夠在運(yùn)行時(shí)對(duì)反向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。使用腳本代碼動(dòng)態(tài)設(shè)置IK目標(biāo)、調(diào)整權(quán)重和角色的姿勢(shì)，根據(jù)運(yùn)行時(shí)的需求實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的角色交互和動(dòng)畫(huà)效果。通過(guò)Full Body IK組件來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)角色的全身動(dòng)畫(huà)；根據(jù)計(jì)算和調(diào)整骨骼的旋轉(zhuǎn)角度，以使角色的軀干和四肢運(yùn)動(dòng)自然而流暢。

通過(guò)多點(diǎn)位攝像頭、手持式控制手柄以及內(nèi)置PCA和KNN算法完成操作員實(shí)時(shí)影像獲取和行為特征提取，建立相應(yīng)特征指標(biāo)完成智能判別系統(tǒng)評(píng)分機(jī)制的構(gòu)建，收集標(biāo)準(zhǔn)流程和標(biāo)準(zhǔn)行為模板，搭建內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的特征指標(biāo)比對(duì)相似度形成最終評(píng)分。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)逼真的身體動(dòng)畫(huà)效果，通過(guò)將虛擬角色的骨骼結(jié)構(gòu)與用戶在現(xiàn)實(shí)世界中的身體動(dòng)作進(jìn)行匹配，用戶可以在虛擬環(huán)境中看到自己的身體動(dòng)作得到精確還原，從而增強(qiáng)了身臨其境的感覺(jué)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的電力故障應(yīng)急演練系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下模擬電力電子事故及災(zāi)難，提升應(yīng)急人員處理事故的能力。另外，將VR數(shù)字處理系統(tǒng)與PCA和KNN算法相結(jié)合，可具備極高的交互響應(yīng)能力，通過(guò)人體傳感器可以捕獲演練測(cè)試人員的行為和狀態(tài)，并與標(biāo)準(zhǔn)處理程序進(jìn)行對(duì)比，從而得到相應(yīng)評(píng)分。通過(guò)應(yīng)用VR視覺(jué)系統(tǒng)，可以將應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)操作程序以視覺(jué)跟蹤教學(xué)的形式對(duì)應(yīng)急處理人員進(jìn)行培訓(xùn)，從而極大地提高了應(yīng)急人員處理電力電子設(shè)備事故的能力，同時(shí)保障了供電的安全以及應(yīng)急人員的生命安全。

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