沉浸式配網帶電作業仿真培訓系統的設計與實現

劉俊灼 陳晨 劉洪雙 張冰

摘要：針對現有配網帶電作業培訓存在的若干問題，基于沉浸式立體顯示技術和操作仿真交互技術，提出一種沉浸式配網帶電作業仿真培訓系統方案。其中，沉浸式立體顯示技術采用了基于遞推算法的延遲補償方法，彌補了虛擬現實頭盔因圖像滯后所帶來眩暈感的缺點，沉浸式仿真交互技術使用事件驅動和反向動力學解析方法，實現了虛擬人物在仿真場景中的自然控制和較為精確的操作再現。實際應用效果表明，該系統增強了用戶體驗，強化了學員心理，提高了培訓效率和質量，具有很強的實用性。

關鍵詞：沉浸式;配網;帶電作業;仿真培訓;設計實現;分析

1配網帶電作業中的不安全因素

1.1各項工器具質量不達標

一是帶電作業人員的安全防護用具質量不達標。配網帶電作業期間，如果作業人員所佩戴的安全防護用具質量不符合規定要求，會增加帶電作業安全隱患，提高配網帶電作業安全事故發生率。二是絕緣遮蔽罩質量不達標。絕緣遮蔽罩主要分為三種形式，分別是導線絕緣遮蔽罩、絕緣子遮蔽罩與橫擔絕緣遮蔽罩等等，如果絕緣遮蔽罩質量不達標，帶電作業人員在工作當中，容易出現遮蔽電氣強度較低問題，進而發生擊穿事故。

1.2配網線路復雜

配網線路特別復雜，各項設備緊密相連，如果設備出現銹蝕現象，會增加配網帶電作業安全隱患，嚴重威脅帶電作業人員的生命安全。不同的配網線路之間存在較大差距，具有非線性特點，再加上對地距離比較近，使得配網帶電作業環境越來越復雜，特別容易引發大規模的安全事件。

1.3安全管理制度不完善

在配網帶電作業期間，一些帶電作業人員既負責停電檢查工作，又負責高壓送電網帶電作業，作業人員的工作強度比較大，會降低配網帶電作業的安全性。因為缺乏良好的安全管理制度，帶電作業人員需要承擔多項任務，一旦出現錯誤，容易引發安全事故。

2系統體系結構及功能

2.1軟件系統

一是驅動層是為軟件系統提供外部硬件設備的操作接口，由虛擬現實設備驅動、主機設備驅動、網絡設備驅動和投影設備驅動構成。其中，虛擬現實設備驅動主要控制虛擬現實頭盔、位置跟蹤設備、體感交互設備等工作。主機設備驅動主要控制客戶機、教員機、投影主機等工作;網絡設備驅動主要為構建培訓網絡的交換機、路由器、防火墻等提供控制支持;投影設備驅動主要控制投影機向幕布投射虛擬場景圖像。二是數據層提供了軟件系統所需要的圖形資源及數據資源，由三維模型庫、任務庫、缺陷庫、事故庫、培訓管理庫組成。其中，三維模型庫包含配網帶電作業相關的環境、設備、人物、工器具等三維模型及物理特性和功能特性，這些數據按照電壓等級、設備類型、設備型號等進行組織，用于實現配網場景的沉浸式三維重現。任務庫包含配網各電壓等級帶電作業典型項目操作實例，涵蓋絕緣桿、絕緣手套、旁路三種作業方法，如帶電更換絕緣子、橫擔、帶電斷、接引流線等，通過對工作過程的步驟分解，實現標準化流程的數字化、規范化描述，缺陷庫包含配網各類電氣元件的常見缺陷，如導線斷股、橫擔銹蝕、金具變形等。事故庫包含觸電、高墜、誤操作、物體打擊、機械傷害等各類事故現象及相應處理措施，培訓管理庫對學員進行管理，包括學員的基本信息、培訓記錄、考核成績等內容。

2.2硬件系統

一是學員機：接收用戶的輸入并將其發送給服務器端。同時也接收來自服務器端的輸出數據并顯示在屏幕上。二是仿真服務器：主要執行場景顯示模塊、實操訓練模塊和考核評價模塊，實現培訓仿真系統的學習、練習和考核，是本系統的核心應用所在。三是教員機：主要執行教員管理模塊，面向教員和管理員，提供對培訓過程全程監視、控制與管理等服務。四是數據庫服務器：主要存儲、管理數據庫，并向其他應用提供訪問接口。

3關鍵技術及其實現

3.1沉浸式立體顯示技術

沉浸式立體顯示技術是本系統的顯示基礎。當前虛擬現實頭盔主要是將三維畫面分為兩部分，經過相應的縮放后顯示在同一顯示屏的兩個區域內，并通過透鏡將不同區域的內容分別投射到用戶雙眼中，利用雙眼視覺差讓畫面產生景深。同時采用包圍式的構造設計，使用戶體驗到完全融入整體虛擬世界的沉浸感。虛擬現實頭盔的圖像顯示過程先是傳感器測得某時刻頭部運動的空間位置，然后得到視覺感知的范圍，接著進行虛擬場景的生成計算，最后渲染顯示在顯示屏上。

3.2沉浸式仿真交互技術

配網帶電作業仿真培訓需要受訓人員控制虛擬角色在作業場景進行大量模擬操作，但由于受當前虛擬現實交互設備的硬件設計限制，虛擬人物在場景中的交互并不能靠人的實際動作來同步驅動，因此，系統提出了一種沉浸式仿真交互技術，通過使用事件驅動和反向動力學解析方法，對學員的體態動作實時追蹤，很好地實現了虛擬人的帶電作業操作模擬和展示，如手部的抓、松、握，放和肘臂的移動、彎曲等。針對手部動作的模擬，通過獲取交互設備空間定位數據，但不直接驅動虛擬人的動作，而是對受訓人員的觸發事件進行分析后，解析成驅動虛擬人物手的指令。例如拿驗電器準備驗電，首先獲取交互設備空間定位數據;其次是分析觸發事件，解析成對應的行為指令;最后是控制虛擬手部做出相應的動作。同時依靠虛擬現實數據手套技術的成熟，觸覺反饋功能的加入，通過振動模擬真實的觸摸體驗，可以模擬出物品的形狀，重量，和沖擊時產生的力量，更好的反映出帶電作業過程中頻率最高的抓取動作的真實性。

4結論

總而言之，沉浸式配網帶電作業仿真培訓系統在虛擬現實的基礎上增加了沉浸式立體顯示技術、沉浸式仿真交互技術，解決了現有系統缺乏沉浸感、交互性和自然性的不足和缺點。與傳統的仿真系統相比，具有兩方面的創新，一個是沉浸式立體顯示技術使用基于遞推算法的延遲補償方法，提高了逼真感和沉浸感;另一個是沉浸式操作仿真交互技術使用事件驅動和反向動力學解析方法，實現了虛擬人物在仿真場景中的自然控制。

參考文獻：

[1]陳義忠，李思俊.10 kV配網不停電作業絕緣子遮蔽方法研究[J].電工技術，2020（04）：125-126.