示范式帶電作業三維仿真培訓系統的研發與應用

邵九 傅洪全

（國網江蘇省電力有限公司技能培訓中心 江蘇省蘇州市 215004）

1 前言

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對于供電可靠性的要求越來越高。配電網承擔著就地或逐級向各類用戶供給和配送電能的任務，是確保供電質量的關鍵環節。配網帶電作業是提高供電可靠性最直接有效的措施，從而得到了高度的重視和廣泛的推廣。

相較于停電作業任務，帶電作業對于現場工作人員的知識技能水平的要求大幅提升，這也使相關專業的培訓需求更為迫切。目前電力企業員工的知識技能學習主要有幾種模式：作業現場“師帶徒”模式，這是最傳統、直接的技能培訓模式，但作業任務時間緊迫，專門教學時間有限，學習效率較低；培訓中心“集中培訓”模式，這種模式相對規范、高效，但培訓班次有限，受訓時長有限，而學員多、培訓設施少，且參訓人員往往只能在下面觀看，會存在視角的局限或障礙物的遮擋，看不清甚至看不到教員的操作過程；工作班組“相互交流”模式，這種利用碎片化時間進行技能培訓的形式，沒有專門培訓設施，加之員工缺乏教學經驗，培訓效果也不理想；網絡大學“自我學習”模式，這在一定程度上解決了員工的理論知識匱乏的問題，卻無法提高專業人員最需要提高的現場實際操作技能。這幾種模式都會多少受到實訓場地和設備經費的限制，而且標準化作業技能培訓以及考核困難，這表明原有的培訓模式已經無法滿足當今培訓的需要，在新形勢下尋求新的培訓方式已經成為帶電作業培訓發展的必然趨勢。

眾所周知，人類文明的偉大進步之一就是工具的使用，而人類社會的每次進步也往往歸功于工具的革新，當前的形式要求我們尋求變革，對學習培訓工具進行大膽創新。三維仿真培訓應運而生，它提供了一種全新的培訓手段，為解決傳統培訓存在的問題，使帶電作業培訓逐漸趨于科學、系統、安全的提供了一條新的途徑。為了真正實現“示范性”三維仿真教學，減輕教練員親自示范的教學負擔，減輕對培訓場地、實際設備的依賴，力求實現實操技能傳承、傳授的數字化、規范化、系統化，筆者及同仁努力研發了示范式帶電作業三維仿真培訓系統，在該系統以配網帶電作業“作業級流程”為主線，以“作業流程化、流程標準化、標準可視化”為原則，以提升配網帶電作業人員技能水平和現場作業安全系數為目標，采用三維仿真技術，模塊化、全角度展示帶電作業操作的全過程。

2 系統架構

示范式帶電作業三維仿真培訓系統，這是一款基于java 開發的符合J2EE 開發規范的B/S 多層架構系統。其中主要有四大功能：基礎數據管理、標準庫管理、培訓班管理、標準化作業仿真培訓。基礎數據管理模塊主要進行編碼類、底層數據類、配置類的數據維護；標準庫管理模塊包含帶電作業標準化作業過程的相關內容管理；培訓班管理模塊實現對培訓的開班、結業，培訓學員的增刪改以及學員成績的查詢等等；標準化作業仿真培訓即為主要核心功能模塊，包含三種仿真應用模式：自我學習模式、模擬演練模式以及量化考核模式。我們通過仿真培訓平臺力爭做到導學結合，練測一體，達到以測促練、以練促學、以學促用培訓目的。

3 技術路線

帶電作業三維仿真采用層次建模的方法，對人物、專用工具、場景進行三維模擬，通過邏輯引擎，進行虛擬現實交互操作，可對參訓人員的進行項目全過程示范性教學培訓，同輔助以工序工藝的重點展示和強調，為帶電作業的培訓提供了切實有效的方式。

3.1 幾何建模

帶電作業三維仿真中涉及到的幾何模型包含：

（1）場景模型，建立虛擬自然環境和建立虛擬電氣環境；

（2）人物模型，建立帶電作業中擔任不同任務的作業角色模型；

（3）工具或器具模型，建立各種諸如吊車、斗臂車等帶電作業現場需要的特種車輛，以及類似于各種絕緣防護裝備用具、操作工程中涉及的工具等。

3.2 行為建模

在模擬仿真的作業環境中，以實際操作人員的身份去進行虛擬化的作業，通過三維虛擬交互仿真技術實現帶電作業的標準化全過程仿真，將作業過程各個步驟包含的作業場景、作業人員、操作手法、工藝標準等進行立體、擬真、直觀地展示和交互，有效地促進標準化作業“最后一公里”的真正落地。

3.3 場景驅動

場景驅動執行引擎負責實現虛擬人和物體的交互，并使虛擬場景活動起來。為了實現場景的驅動需要定義虛擬角色如何在三維虛擬場景中進行行動以及虛擬環境如何發生變化。虛擬角色和設備的行為和運動控制過程相互配合實現現實場景的模擬。同時，參訓人員通過交互可實現對于場景中設備工具標識查看，設備外部透明等功能選擇。

4 功能組成

示范式帶電作業三維仿真培訓仿真以實用化為目標，實現全面的功能覆蓋。自我學習仿真模式下，不僅支持按步驟順序自動展示仿真作業過程，還可以針對重點難點的任意點播反復學習。此外，訓練考核模包含擬真類考核和可自主擬定的客觀題庫考核。

系統中帶電作業仿真的基礎管理，包括標準庫的管理都是開放式的設計。教員可以自行添加修改所有作業任務的工序步驟的配置，包括解說詞的字幕、配音。特別在每一個步驟系統都支持文本、圖片、視頻格式的輔助資料嵌入。這給教員提供了更大的發揮空間，讓他們可以針對不同的情況對培訓素材進行調整，同時也是對培訓資料的積累和傳承。

4.1 自我學習模式

參訓人員可在系統中完整觀看每一項帶電作業任務執行的三維仿真，每個帶電作業仿真任務所展示的都是一個從現場復勘開始、申請工作票、召開站班會，到作業步驟一步步展開，一直到清潔作業現場、終結工作票全過程展現，相當于教練員的全程示范，與此同時系統還將對作業中的每一工序、危險點、工藝要求和動作要領進行講解。

仿真界面包含基礎功能按鈕，語音解說以及與之相配合的字幕顯示，界面右上角顯示全面的工藝標準、安全距離保持、危險點及預防措施的文字提示。在任意一個仿真執行過程中都可以暫停，讓參訓人員有時間去認真閱讀相關信息或者研究操作姿勢，仿真執行提供優化的默認角度，此外還可以通過按鈕切換到自由視角，系統支持在仿真執行過程中實時切換視角，這樣參訓人員就可以以任意角度，任意視距進行培訓學習。這一設計也打破了傳統實拍視頻對于視角視距的限制，實現了實操技巧無死角培訓展示。

在我們的帶電作業仿真系統中，仿真角色接近帶電部位的時候，根據帶電部位位置，系統會畫出危險范圍，也就是安全距離范圍。地電位作業法一定要與疑似帶電體保持0.7m 以上的安全距離。這也是在培訓中時刻培養參訓人員要警示危險，時刻保持有帶電意識。驗電的仿真培訓，系統會通過仿真角色演示驗電的起始位置，標準順序，注意事項等等。通過學習，參訓人員對驗電就會有一個清晰完整的認識。此外，系統還詳盡的展示了作業過程中涉及的工器具的使用方法。我們的三維仿真系統不是簡單的示意，而是示范性的教學演示，是條文條例、使用說明等的具象化展現，對于實操具有很好的指導意義。

4.2 模擬演練模式

系統提供三維模擬作業現場，參訓人員可針對訓練任務，進行工序、工器具使用練習，危險點、工藝要求問答，通過模擬演練，可輔助參訓人員全面掌握帶電作業的工序、工藝、危險點和工器具的使用。這也是在自我學習之后對自己掌握情況的自我檢測。

在模擬演練模式下，左側工序步驟不予顯示，這也是對參訓人員的掌控情況的一種校驗點之一。對于實操類題目在操作錯誤5 次或操作時長超過300 秒后，系統將會自動播放正確答案；對于知識點類的客觀題目，參訓人員可隨時查看正確答案，及時了解自己的掌握情況。

4.3 量化考核模式

主要是為教員對參訓人員的帶電作業技能進行量化考核服務。帶電作業技能考核中的實操考核，往往由于場地等限制無法進行，這一困難通過三維仿真可以很好的得到解決。

教員可以通過系統方便快捷的設置考試的時間、考試時長、題型比重等，可在配網帶電作業任務的不同工序，設置考點，以統一或隨機的方式生成考卷。考核結束后系統會自動判卷，教員可以直觀的了解學員的答題狀況，通過操作詳情進行試卷分析，可以結合平時培訓情況進行成績修正、發布。所有的過程都是可視化操作方便快捷，可大幅減輕教員在出題批閱方面的負擔。

參訓人員在規定的時間登陸系統進行相應的任務考核，在三維場景下通過選擇工器具和操作對象，展示自己對工序的掌握情況，通過在線答題，展示對危險點和工藝要求的掌握情況。兩者相互結合互為補充，可以更為準確的檢測其對于知識點的掌握情況。

5 結語

示范式帶電作業三維仿真培訓系統提供了帶電作業中詳細且規范的操作流程。在教學實訓前，參訓人員通過仿真平臺不斷的進行學習和訓練，最終可以實現全面的，完全的掌握操作技能知識點，擺脫對于實際設備的依賴且無風險性。

我們的帶電作業三維仿真系統展示的是示范性教學，比常見的示意性教學，傳授更多知識、技能點，通過動作和工具表達每一步工序該所需完成的任務，詳細描述工器具使用方法，動作要領、完整的工藝要求及危險點，不僅傳授“作業常識”，還傳授“作業技能”。學員可仿照系統進行實操作業，學員實操演練前，基本不需要教員示范。

以往三維仿真系統是封閉式的，系統制作完成后，傳達的知識點、技能點，用戶不能再擴充，本系統的開放性設計，可使系統交付投運后，用戶可隨時增加教學內容，這樣可使系統具有更長久的生命力和更寬泛的適用性。

以往三維仿真系統的考試題目是固定不變的、有限的，教員不可自主命題，先參加考試的學員會泄露試題給后參加考試的學員，嚴重限制了技能考核的客觀性和公正性。本系統支持教員自主添加題目擴充題庫，支持隨機生成考題，使考核更有說服力。

通過實際部署應用我們發現，示范式帶電作業三維仿真系統規范性、系統性的操作能夠從源頭上杜絕較多的習慣性誤操作，規避較多的風險。參訓人員仿照系統示范進行實操作業，上桿實操前對于整個任務已經有了清晰系統的認知，使培訓效果大幅提升事半功倍。