基于虛擬現實技術的培訓系統的設計

郭賢敏，杜啟文（通信作者）

（1 廣西電力職業技術學院 廣西 南寧 530200）

（2 廣西遠擎科技有限公司 廣西 南寧 530200）

0 引言

經濟的快速發展讓各行各業對于電力的需求不斷增加，簡單的電能輸送已經無法滿足人們的日常需求。對于電力企業而言，由于電力事故的不可控性，使得在遭遇安全事故時，員工的應變能力十分重要[1]。因此，安全成為電網企業穩定發展的基礎，而安全培訓更是預防各類安全事故的有效方法。當前電網企業的安全培訓中存在諸多問題，電力系統在運行過程中涉及的設備數量龐大，需要花費大量的資金在維修和保養上，人員的培訓過于理想化，大多數的安全培訓以書本授課為主，缺乏參與性，導致員工的積極性下降，無法取得較好的培訓效果[2]。現階段，電力系統虛擬環境的概念已經逐漸成熟，通過引入計算機技術到虛擬的場景模擬建設中，利用虛擬現實技術構建的培訓系統，不僅可以模擬電網的實際運行情況，還解決了員工無法感同身受地體驗電力設備運行難題，大大提高了培訓效果。因此，將虛擬現實技術引入到電力企業的培訓系統建設中已經成為社會的發展需要。

1 技術分析

1.1 虛擬現實技術

所謂虛擬現實技術，主要由計算機圖形系統與各類接口組成，可以在計算機上形成多維環境，在使用中提供感官體驗，讓使用者置身其中，對事物有一個全新的認識[3]。虛擬現實技術自身具備交互性、沉浸感、想象力等特點，可以讓體驗者在虛擬的世界中進行思考分析，并將信息充分消化后應用到實際。典型的虛擬現實系統包括計算機、輸入輸出設備、應用軟件、數據庫等四大類內容[4]。利用虛擬現實技術為基礎構建的虛擬電力仿真培訓系統，可以讓用戶實時體驗，對實驗過程進行檢查，并迅速找到潛在的風險隱患，達到提高效率、降低成本的目的。

虛擬現實技術在電力系統的應用前景廣闊，總體分為：電力安全培訓的應用、電力運行中的應用以及電力設計中的應用。隨著科技的發展，人類的學習模式不斷改進，電力安全培訓模式也得到了升級，在電力安全培訓中引入虛擬現實技術進行安全培訓已經成為常態化。電力系統龐大且復雜，由于現場操作環境較差，操作人員無法及時發現問題并做相關維護。如果將虛擬技術運用到數據采集和設備監控中，就可以避免此類情況的發生。

1.2 體態感知技術

體態感知技術通過設備采用特定的方式對人體的反應進行識別，根據預先設定的模式，在機器端做出反饋后并進行人機交互。體感技術最重要的組成部件是體感設備和體感系統，體感設備主要對動作進行識別，并以數據信息的方式輸入到電腦，利用屏幕與使用者進行交互；體感系統則是對體感設備中的硬件信息進行處理，讓機器端的反饋達到一定的持續性[5]。體態感知技術注重身體、手勢、語音等與計算機的交互，不需要對人機做特殊研究，降低了對鍵盤和鼠標等設備的依賴，讓使用者可以更加注重任務本身。

體感交互中，自然用戶界面中包含了觸摸屏、數據筆、可穿戴設備、實體傳感裝置等物件，可以完成對圖片、聲音的識別，這種體感交互的方式不需要通過接觸來進行界面的控制，自然交互界面中，可以很好地識別出使用者在日常生活中的使用習慣，讓使用者根據自身的感知去主導，實現人機交互。體感交互需要通過觸覺和知覺進行獲取，觸覺可以將接觸到的動作輸入并記錄，將軀體動作的數據進行信號轉化，從而達到控制計算機的目的；知覺則是使用計算機視覺進行非實體觸碰的識別操作。體態感知技術被廣泛應用于了虛擬現實交互系統中，重點突出用戶的體態，因此在虛擬現實交互系統中，交互途徑非常重要。

1.3 三維仿真建模技術

CAD和3DMax的結合，可以構建物體的三維模型，實現對物體的精準控制。CAD在處理圖形方面有較強的優勢，具有轉換數據、實現圖形模式的自由轉換[6]。其他的軟件在進行三維建模時，其建模效果和精準度都無法達到CAD的效果；3DMax具備充足的地物模型，可以建立直觀的模型。二者結合所建立的模型，可以實現高精度、高還原度的效果。

2 規劃設計

2.1 總體架構設計

整個系統用到了虛擬現實技術、體態感知技術以及三維仿真建模技術等，同時還引入了多媒體技術，系統規劃設計分為：作業安全風險體驗、典型事故體驗、應急預案指揮推演培訓、低壓作業體感實訓、高壓作業體感實訓等子系統。該系統基本覆蓋了電力系統作業環節的全部內容，形成了一個集安全教育、應急演練、培訓管理于一身的專業性的電力培訓系統。詳見圖1。

圖1 虛擬現實電力安全培訓系統結構

2.2 虛擬場景庫搭建

虛擬場景庫的搭建包含以下步驟：①在建立模型前，要對電力企業進行電網線路、應急指揮的實地調研。對建模過程中所使用到的數據進行收集，對電力場所的設計圖紙、設備列表、設備型號進行收集，以獲取建模對象的所有相關數據；②利用3DMax進行可視化建模；③對仿真模型進行二次渲染；④使用高效靈活的場景組織結構；⑤參照相關標準。如圖2所示。

圖2 系統虛擬場景庫搭建規劃設計圖

2.3 安全培訓系統場所規劃

安全培訓系統場所規劃由多個不同的功能區組成，在空間設計上需要根據功能區進行區分。功能區的大小、設備多少都需要根據現場的面積確定。可以將整個培訓主題分為安全意識、安全理論、安全技能等幾個方面，每個方面又由多個不同的培訓版塊組成[7]。除了一些與培訓相關的區域，還包含了一些配套區域，在區域設置時，要遵循由淺入深的原則，有節奏地進行培訓。

2.4 子系統規劃

2.4.1 作業安全風險體驗

該子系統由VR眼鏡、手套、音響、計算機控制系統組成，集成了各種特效，刺激體驗者的各個器官。通過所呈現的作業風險，降低對人身造成的威脅，從而激發學員們的真實感受。

利用虛擬現實技術與體感交互技術，借助VR眼鏡對輸電線路的高空作業環境進行感應，讓學員實時感受線路的情況，體驗高空作業帶來的沉浸感。通過綜合運動跟蹤功能，隨著頭部轉向隨意改變場景，實現全方位的環視。學員在模擬訓練的過程中，與系統完成了交互控制，通過交互手柄上的按鍵發送交互指令，實現與虛擬環境的實時交互。

2.4.2 典型事故體驗

在現有的作業安全風險體驗子系統設備基礎上增加了放映系統和特效座椅，結合各類特效所構建的事故體驗子系統，讓事故再現，從而激發使用者在真實情境內的真實感受。典型事故體驗設備組成如圖3所示。

圖3 典型事故體驗設備組成

典型事故體驗流程為：登錄子系統后，選擇任務開始沉浸式體驗，通過投影設備、輸入輸出設備構建的虛擬現實仿真作業場景，根據流程進行演繹，學員將以第三人稱的身份根據從事的崗位進行體驗，系統中每一個作業任務都有一個隱患情景，學員發現隱患后要制止隱患的發生方可進入到下一個作業隱患點。如果學員無法發現隱患并排除，將進行全方位的事故體驗。

2.4.3 應急預案指揮推演培訓

應急演練平臺包含了應急演練和電視會議兩大功能，當處于應急演練模式下，可以實現對大屏幕的控制；當處于電視會議模式下，可以直接接入行政電視系統。該子系統通過模擬電力系統的真實環境，讓生產管理人員以及應急救援人員可以實時參與到安全生產培訓管理中，并對各級人員進行應急聯動的模擬，通過反復的應急演練，讓救援人員可以更加熟悉救援流程，增強人員之間的配合，從而降低事故的發生。

應急演練模擬系統所模擬的事件仿佛親身經歷一般，借助先進的技術手段，進行演練的組織、總結、歸檔等操作，實現對應急演練的過程再現，圖4為變電站的爆炸場景圖。同時，為了提高應急演練的互動性，系統會針對不同的角色設置不同的任務，如搶修輸電線路、搶修變電站、災民安置等，對于應急演練任務場景，采用3D建模的方式進行仿真，實現對指揮中心場景、現場搶修救援場景的演練。

圖4 變電站爆炸場景圖

2.4.4 低壓作業體感

低壓作業體感子系統包括設備漏電、跨步電壓和配網不停電等操作。

設備漏電體感：以電動機作為對象，演示斷路器的漏電情況，讓學員可以加強漏電危害意識，主動學習關于設備漏電的相關知識。設備漏電體感設備中包括體感臺、電動機、觸控一體機、控制電源、電源保護模塊、通訊模塊、數據采集模塊、漏保裝置、驗電筆、展示牌、安全防護圍欄以及其他配件等。

跨步電壓體感：當學員在跨步電壓區域中行走時，通過親身感受跨步電壓觸點，讓學員可以認識到跨步電壓的危害，并掌握避免的方法。跨步電壓采用人體仿真學，為了方便學員可以快速體驗，讓學員保持正常行走時進入到跨步電壓區域，保持單腳著地、雙腳并攏等不同的方式進入到跨步電壓區域中[7-8]。跨步電壓體感設備中包括控制電源、電源保護模塊、數據采集、測試傳感、行走測試平臺、感應模塊、電氣控制柜、模擬桿塔、觸摸一體機、測試顯示模塊、電擊模塊、柱式音響、安全防護欄、展示牌以及各種備件等。

配網不停電：利用虛擬現實技術，直觀地展現標準化的作業方式，通過虛擬互動的方式進行作業的實操模擬，以幫助學員可以快速掌握配網不停電的作業要領。通過仿真操作模塊、巡視作業仿真、測量作業仿真以及資料查詢模塊等，了解配網不停電的相關操作。

2.4.5 高壓作業體感

帶電掛（合）接地線：通過模擬10kV線路所產生的現象，讓學員可以充分認識到該接地線對于設備所帶來的弊端。當發生接地線故障后，如果操作錯誤將會造成對地短路，顯示儀表可以實時記錄線路的電壓和電流，并在電腦屏上進行顯示。如圖5所示。

圖5 帶點掛（合）接地線

開關柜檢修：學員通過進行開關柜倒閘、停電等操作，實時監控整個操作過程，并真實模擬違規操作后的后果。通過觀察窗查看開關柜的內部結構，當開關柜不通電時，觀察開關柜的運行狀態，逆向體驗模擬事故發生的效果，并真實還原事故現象。

高處作業風險：高空作業通過高空墜物打擊、急速墜落、安全帶吊掛等，讓學員真實體驗在配電時發生高空墜物和高空墜落所造成的極大沖擊。通過控制裝置擊打學員的安全帽，讓學員親身體驗被擊打后所帶來的真實感，加強使用安全帽的意識。

3 結語

“安全至上”是供電企業在運行中必須遵守的規章制度，并且要時刻謹記電力安全培訓對于企業和員工的重要性。基于虛擬現實技術進行電力行業的安全培訓，讓員工可以得到沉浸式的安全體驗，通過實際的電力系統應用場景和藍圖的可視化方式，讓員工可以獲得良好的互動效果，解決學員無法感同身受的難題。在安全培訓的過程中，引入虛擬現實技術已經成為社會發展的需求。因此，建立虛擬仿真系統來進行安全培訓工作，對于電網企業而言十分有必要。