多人協同分布式開關設備檢修培訓仿真系統研究

李中旗，陳富國，閆亞剛，蔡 杰，楊衛國，朱潤東

(平高集團有限公司，河南 平頂山 467000)

電網的持續穩定和安全運行，在國計民生中起著相當重要的作用。人們生活智能化和科技化的要求促使電力公司打造智能型電網，這對提高我國在國際電力資源配置、能源發展和電網技術等方面的話語權和技術引領作用具有重大的意義[1-3]。

電力系統中有很多元件和設備，其中開關是一種廣泛使用且不可或缺的設備，其主要負責電力系統的關合與開斷。如果在電網運行過程中，開關設備發生了故障，可能會造成局部停電，甚至是大面積停電。電力系統運行發生故障后，將會對人們日常生活、工業生產、醫療健康等各個方面造成不可忽視的影響，因此提高開關設備的穩定性、安全性和可靠性，是保證電力系統持續安全穩定運行的前提，是保證為全社會進行穩定供電的前提。由此可以看出，對開關設備的檢修格外重要。

開關設備檢修是一項技術含量高且繁雜的工作，一般情況下，不僅需要檢修人員的基礎知識和檢修技術扎實和純熟，還需要檢修人員具有較好的團隊協作能力，因此在檢修人員培訓過程中需要對這些方面的能力進行著重培訓。傳統的培訓方法通常對單一檢修人員或單一檢修工種進行理論和技術的培訓，很難實現多工種之間的協同配合，無法實現良好的團隊協作，因此開發新型高效的培訓系統十分必要。

本文基于虛擬現實技術開發了一套多人協作的開關設備檢修培訓仿真系統，受培訓人員可以通過操作虛擬人物在同一場景中實現不同工種的培訓，不僅能夠實現理論知識和操作技術的培訓，也能夠實現團隊協作的培訓。另外，除了實現作業訓練外，本系統還設置了作業考核，能夠實現對受培訓人員各方面能力的綜合評價。

1 開關設備檢修培訓仿真系統的架構

1.1 開關設備檢修培訓仿真系統的設計

開關設備檢修工作團隊包括團隊負責人和團隊檢修成員，不同的崗位負責不同的工作，均具有明確的工作內容和地點。在檢修過程中，不同崗位的工作人員同時進行檢修，完成不同的工作且相互之間需要進行協同作業，因此本文培訓系統主要涉及3個部分：第一，不同崗位的檢修人員是否抵達了指定的工作地點；第二，檢修人員是否按照操作要求進行了標準操作；第三，不同的崗位之間是否完成了協同作業。

圖1為多人協同開關檢修培訓系統的流程，在進行培訓時，受培訓人員首先選擇工種后進入工作場景，然后到達指定的地點，此時需要接受考核，隨后操作虛擬人物進行檢修工作，檢修工作包括個人操作和多人協作。個人操作時需要接受考核，主要是判定受培訓人員的操作是否安全、標準；多人協作主要包括團隊成員之間的協作和成員與負責人之間的協作，其中成員之間的協作主要涉及到是否按照流程作業以及成員之間的交流，成員之間要有有效的信息傳輸通道，成員與負責人之間的協作主要涉及工作流程是否符合要求，成員的工作需要得到負責人的允許，成員與負責人之間需要有嚴格的執行許可流程。多人協作也需要進行嚴格的作業考核。

圖1 開關設備檢修培訓仿真系統的設計

1.2 開關設備檢修培訓仿真系統的軟件設計

多人協同的開關設備檢修培訓仿真系統軟件架構如圖2所示，主要包括教員管理、工作場景、操作訓練、作業考核、網絡同步和數據庫幾個模塊。教員管理模塊負責對工作場景、操作訓練和作業考核幾個模塊的全程管理和監控，主要包括人員管理、過程管理、培訓管理和評價管理。工作場景模塊對檢修的三維場景進行模擬，主要包括常見的平原、高原、丘陵、山地等地形地貌，除此之外還涉及不同天氣環境的模擬，如晴天、雷雨、大風等；用到的設備主要包括組合電器、GXL5-1100(L)管道母線、KYN28A-12開關柜、ZFN13-40.5充氣柜。操作訓練模塊主要是對設備拆解、安裝、檢修的模擬，通過工種選擇和場景選擇后，可以進入特定場景和特定工種進行操作訓練，包括設備的三維結構剖析、紅外熱像檢漏、超聲局部放電檢測、特高頻局部放帶電檢測、電流互感器的檢修與更換、熔斷器的檢修與更換、避雷器的檢修與更換、手車的檢修與更換、三工位傳動軸更換、電壓互感器連接電纜安裝。作業考核模塊包括對個人操作的追蹤和評價，也包括對多人協作的追蹤和評價，主要是負責對不同工種操作記錄的收集，多人協作信息交流、執行許可以及工作流程的追蹤和分析。以上各個模塊均通過網絡同步模塊與數據庫之間形成信息共享。網絡同步模塊是開關設備檢修培訓系統的基礎，基于網絡通信實現信息的共享；數據庫包含了資源庫管理和培訓流程管理兩個模塊，主要涉及場景庫、組件庫、運行數據、流程數據、歷史數據和評價數據等，通過網絡同步模塊與教員管理、工作場景、操作訓練、作業考核模塊之間實現信息互通，最終實現培訓管理、場景模擬、操作培訓和作業考核。

圖2 開關設備檢修培訓仿真系統軟件架構

1.3 開關設備檢修培訓仿真系統的硬件設計

多人協同的開關設備檢修培訓仿真系統的硬件整體架構如圖3所示，主要由客戶終端和服務器組成，其中客戶終端包括教員終端和受培訓人員終端，服務器包括數據庫服務器、場景服務器、仿真服務器、管理服務器和網關服務器。教員終端主要用來發送和接受指令，通過管理服務器對整個培訓過程進行過程管理、信息收集和作業考核等；受培訓人員終端主要是發送指令和接收數據，受培訓人員通過終端發送指令，控制虛擬人物進行開關設備的檢修操作、信息交換等作業，還可以通過終端接收來自服務器的數據，主要包括教員終端的指令和評價，數據庫服務器中的數據以及其他受培訓人員由終端發送到服務器的指令。數據庫服務器主要用于數據庫中的資料管理和培訓流程管理，而且數據庫服務器向場景服務器、仿真服務器和管理服務器提供訪問接口；場景服務器與數據庫服務器相連接，主要對工作地點的地理環境、氣候環境、設備等場景進行儲存和讀??；仿真服務器是整個硬件系統的核心部分，負責受培訓人員的學習、實訓操作、考核與評價；管理服務器實現培訓過程的管理、監控，主要面對教員終端；網關服務器主要實現網絡同步，在互聯網層面實現教員終端與受培訓人員終端之間、受培訓人員終端與受培訓人員終端之間的信息傳遞與共享。

2 多人協同作業技術的實現

多人協同作業實現的基礎是網絡同步。網絡信息的同步包括兩部分，一是客戶終端與服務端的信息同步，二是客戶終端與客戶終端之間的信息同步。第一種信息同步主要是受訓人員由終端發送指令到服務端，用以控制虛擬人物；第二種信息同步是不同客戶終端之間的信息共享，用以完成多人協作工作。借助網絡進行信息同步時需要盡量地減少網絡延遲，來保證多人協作過程中不同虛擬角色所處的時間和空間一致。

圖3 開關設備檢修培訓系統的硬件設計

為了盡可能消除信息延遲，本文方案采用了兩種預測方法。在進行客戶端到服務端的信息同步時，采用行為預測方法，其流程如圖4所示。在受訓人員通過客戶端向服務器發送指令后，可以先根據客戶端的狀態對服務器的反饋結果進行預測，然后直接以預測結果進行執行，這樣便可以有效減少網絡延遲。在執行的同時，服務器將預測結果與反饋結果進行對比，若二者相同，則繼續執行，服務器不發送任何指令；若不相同，服務器則發送指令，客戶端回到執行之前，然后以反饋結果重新執行。由于對開關設備的檢修是按照特定的流程進行的，因此客戶端預測結果有據可依，預測結果具有規律性和較高的準確性。

圖4 行為預測方法

客戶端之間的信息同步采用區域預測法，其主要流程如圖5所示。當某一角色通過其客戶端向服務器發送指令后，首先對其周圍其他虛擬角色的人數進行預測，并將結果通過服務器廣播至其他虛擬角色的客戶端，與他們共享畫面與信息。同時，服務器將客戶端預測的結果與服務器反饋結果進行對比，若相同，則不發送指令，繼續以預測結果執行；若不同則向客戶端發送指令，使其回到執行之前，然后以服務器的反饋結果執行。區域預測法基于興趣域管理進行區域預測[4]，采用軸對齊包圍盒進行對象預判[5]，具有規律性和準確性。進行預測時，需要將虛擬場景劃分為小的單元格，將虛擬角色的視野定義為半徑為R的視野圓(圖6(a))。根據式(1)對虛擬角色的軸對齊包圍盒進行定義：

圖5 區域預測方法

(1)

式中：f(X,Y,Z)為虛擬空間中某一點的坐標；xmin，ymin和zmin為虛擬角色在x軸、y軸和z軸視野的最小坐標；xmax，ymax和zmax為虛擬角色在x軸、y軸和z軸視野的最大坐標。當f(X,Y,Z)處于這一區域內時，則視為處于該虛擬角色的視野中。

隨后確認軸對齊包圍盒在x軸的投影區間，并判斷該區間是否被最小單元格包圍。假設虛擬角色A的軸對齊包圍盒在x軸的投影為CA，其視野圓半徑為R；虛擬角色B的軸對齊包圍盒在x軸的投影為CB，投影長度的一半為M。如圖6(b)所示，若CB-CA+M≤R，則說明虛擬角色B處于虛擬角色A的視野中，那么由角色B客戶端上傳的信息將會同步到角色A的客戶端；反之，如圖6(c)所示，CB-CA+M>R，則說明虛擬角色B不在虛擬角色A的視野中，那么由角色B客戶端上傳的信息將不會同步到角色A的客戶端。

圖6 受培訓人員視野

3 工程應用

本文設計的多人協同開關設備檢修培訓仿真系統在平高集團有限公司用于開關設備檢修人員的培訓，并對系統的網絡延遲和作業考核功能進行了測評。測評時服務器及客戶端的硬件配置：服務器CPU為IntelE5504，內存為32 GB；客戶端CPU為Intel E6700，內存為8 GB。網絡帶寬為2.0 Mbps。

5次同步延遲測試結果見表1。結果表明無論是客戶端到服務器的信息同步，還是客戶端到客戶端的信息同步，都沒有發生非常嚴重的網絡延遲。相對來說，客戶端到服務器的信息同步延遲時間較短，5次實驗中最長為0.185 9 s，最短為0.124 5 s，平均延遲時間為0.151 6 s，標準差為0.020 8 s說明客戶端與服務器之間的信息同步并沒有出現較為明顯的信息延遲，雖然5次試驗中最長延遲時間和最短延遲時間的差距較大(0.061 4 s)，系統信息同步速度不夠穩定，但最長延遲時間也僅有0.185 9 s，因此該系統具有較好的信息同步性。與客戶端與服務器之間的信息同步相比，客戶端與客戶端之間的信息同步過程中延遲時間相對較長，最長為0.365 2 s，最短為0.321 1 s，平均延遲時間為0.342 2 s，標準差為0.015 4 s。由于客戶端與客戶端之間的信息傳遞需要經過服務器，其信息同步包括客戶端與服務器的信息同步和服務器到客戶端的信息同步，因此延遲時間更長，約為客戶端與服務器之間信息同步延遲時間的2倍。5次試驗中最長延遲時間和最短延遲時間的差距為0.044 1 s，系統信息同步速度和穩定性有待提高，不過信息延遲時間依然處于較短水平，說明系統具有較好的同步性。

表1 多人協同檢修培訓測試結果 s

表2為5次作業考核的評價結果。系統根據受訓者在虛擬場景中的操作情況進行自動打分，評價分為5個等級：0～0.6為不合格，0.6～0.7為合格，0.7～0.8為中等，0.8～0.9為良，0.9～1.0為優。評價測試共進行了5次實訓操作和虛擬場景操作，實訓操作由培訓員根據受訓人員的表現進行打分，虛擬場景操作由系統進行作業考核打分。5次實訓操作評價等級依次為中、中、優、良、優，五次虛擬場景操作考核輸出的成績分別為0.715 1,0.755 2,0.941 3,0.812 2和0.976 4，對應的評價等級分別為中、中、優、良、優。由表2可知，實訓操作的評價等級與虛擬場景操作的評價等級完全一致，說明該多人協同開關設備檢修培訓仿真系統的評價準確度較高，基本上能夠滿足開關檢修人員培訓的應用要求。另外可以看出，由系統評價輸出的成績精確度更高，更能夠體現出受訓人員的完成程度。

表2 多人協同檢修評價結果

4 結束語

本文設計了一種多人協同分布式開關設備檢修培訓仿真系統，與傳統培訓系統相比，該仿真系統能夠同時進行多人和多工種的培訓，實現受訓人員客戶端之間以及受訓人員客戶端與服務器之間的信息同步，具有實時性；通過網絡同步，客戶端可以調取數據庫中大量的場景信息，受訓人員可以進行沉浸式培訓，具有客觀性和全面性；另外，該系統還能夠通過調取數據庫中的數據，對培訓作業進行考核，考核結果與實訓操作考核一致，真實客觀。將該系統用于開關設備檢修人員的培訓，能夠完全滿足培訓要求，且能夠縮短培訓周期，提高培訓效率。