沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉俊灼 陳晨 劉洪雙 張冰

摘要：針對(duì)現(xiàn)有配網(wǎng)帶電作業(yè)培訓(xùn)存在的若干問(wèn)題，基于沉浸式立體顯示技術(shù)和操作仿真交互技術(shù)，提出一種沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)方案。其中，沉浸式立體顯示技術(shù)采用了基于遞推算法的延遲補(bǔ)償方法，彌補(bǔ)了虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔因圖像滯后所帶來(lái)眩暈感的缺點(diǎn)，沉浸式仿真交互技術(shù)使用事件驅(qū)動(dòng)和反向動(dòng)力學(xué)解析方法，實(shí)現(xiàn)了虛擬人物在仿真場(chǎng)景中的自然控制和較為精確的操作再現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)增強(qiáng)了用戶(hù)體驗(yàn)，強(qiáng)化了學(xué)員心理，提高了培訓(xùn)效率和質(zhì)量，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：沉浸式;配網(wǎng);帶電作業(yè);仿真培訓(xùn);設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);分析

1配網(wǎng)帶電作業(yè)中的不安全因素

1.1各項(xiàng)工器具質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

一是帶電作業(yè)人員的安全防護(hù)用具質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。配網(wǎng)帶電作業(yè)期間，如果作業(yè)人員所佩戴的安全防護(hù)用具質(zhì)量不符合規(guī)定要求，會(huì)增加帶電作業(yè)安全隱患，提高配網(wǎng)帶電作業(yè)安全事故發(fā)生率。二是絕緣遮蔽罩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。絕緣遮蔽罩主要分為三種形式，分別是導(dǎo)線絕緣遮蔽罩、絕緣子遮蔽罩與橫擔(dān)絕緣遮蔽罩等等，如果絕緣遮蔽罩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，帶電作業(yè)人員在工作當(dāng)中，容易出現(xiàn)遮蔽電氣強(qiáng)度較低問(wèn)題，進(jìn)而發(fā)生擊穿事故。

1.2配網(wǎng)線路復(fù)雜

配網(wǎng)線路特別復(fù)雜，各項(xiàng)設(shè)備緊密相連，如果設(shè)備出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，會(huì)增加配網(wǎng)帶電作業(yè)安全隱患，嚴(yán)重威脅帶電作業(yè)人員的生命安全。不同的配網(wǎng)線路之間存在較大差距，具有非線性特點(diǎn)，再加上對(duì)地距離比較近，使得配網(wǎng)帶電作業(yè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，特別容易引發(fā)大規(guī)模的安全事件。

1.3安全管理制度不完善

在配網(wǎng)帶電作業(yè)期間，一些帶電作業(yè)人員既負(fù)責(zé)停電檢查工作，又負(fù)責(zé)高壓送電網(wǎng)帶電作業(yè)，作業(yè)人員的工作強(qiáng)度比較大，會(huì)降低配網(wǎng)帶電作業(yè)的安全性。因?yàn)槿狈α己玫陌踩芾碇贫龋瑤щ娮鳂I(yè)人員需要承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，容易引發(fā)安全事故。

2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能

2.1軟件系統(tǒng)

一是驅(qū)動(dòng)層是為軟件系統(tǒng)提供外部硬件設(shè)備的操作接口，由虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和投影設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要控制虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、位置跟蹤設(shè)備、體感交互設(shè)備等工作。主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要控制客戶(hù)機(jī)、教員機(jī)、投影主機(jī)等工作;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要為構(gòu)建培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)、路由器、防火墻等提供控制支持;投影設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要控制投影機(jī)向幕布投射虛擬場(chǎng)景圖像。二是數(shù)據(jù)層提供了軟件系統(tǒng)所需要的圖形資源及數(shù)據(jù)資源，由三維模型庫(kù)、任務(wù)庫(kù)、缺陷庫(kù)、事故庫(kù)、培訓(xùn)管理庫(kù)組成。其中，三維模型庫(kù)包含配網(wǎng)帶電作業(yè)相關(guān)的環(huán)境、設(shè)備、人物、工器具等三維模型及物理特性和功能特性，這些數(shù)據(jù)按照電壓等級(jí)、設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備型號(hào)等進(jìn)行組織，用于實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)場(chǎng)景的沉浸式三維重現(xiàn)。任務(wù)庫(kù)包含配網(wǎng)各電壓等級(jí)帶電作業(yè)典型項(xiàng)目操作實(shí)例，涵蓋絕緣桿、絕緣手套、旁路三種作業(yè)方法，如帶電更換絕緣子、橫擔(dān)、帶電斷、接引流線等，通過(guò)對(duì)工作過(guò)程的步驟分解，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化流程的數(shù)字化、規(guī)范化描述，缺陷庫(kù)包含配網(wǎng)各類(lèi)電氣元件的常見(jiàn)缺陷，如導(dǎo)線斷股、橫擔(dān)銹蝕、金具變形等。事故庫(kù)包含觸電、高墜、誤操作、物體打擊、機(jī)械傷害等各類(lèi)事故現(xiàn)象及相應(yīng)處理措施，培訓(xùn)管理庫(kù)對(duì)學(xué)員進(jìn)行管理，包括學(xué)員的基本信息、培訓(xùn)記錄、考核成績(jī)等內(nèi)容。

2.2硬件系統(tǒng)

一是學(xué)員機(jī)：接收用戶(hù)的輸入并將其發(fā)送給服務(wù)器端。同時(shí)也接收來(lái)自服務(wù)器端的輸出數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上。二是仿真服務(wù)器：主要執(zhí)行場(chǎng)景顯示模塊、實(shí)操訓(xùn)練模塊和考核評(píng)價(jià)模塊，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核，是本系統(tǒng)的核心應(yīng)用所在。三是教員機(jī)：主要執(zhí)行教員管理模塊，面向教員和管理員，提供對(duì)培訓(xùn)過(guò)程全程監(jiān)視、控制與管理等服務(wù)。四是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：主要存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)庫(kù)，并向其他應(yīng)用提供訪問(wèn)接口。

3關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1沉浸式立體顯示技術(shù)

沉浸式立體顯示技術(shù)是本系統(tǒng)的顯示基礎(chǔ)。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔主要是將三維畫(huà)面分為兩部分，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的縮放后顯示在同一顯示屏的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，并通過(guò)透鏡將不同區(qū)域的內(nèi)容分別投射到用戶(hù)雙眼中，利用雙眼視覺(jué)差讓畫(huà)面產(chǎn)生景深。同時(shí)采用包圍式的構(gòu)造設(shè)計(jì)，使用戶(hù)體驗(yàn)到完全融入整體虛擬世界的沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的圖像顯示過(guò)程先是傳感器測(cè)得某時(shí)刻頭部運(yùn)動(dòng)的空間位置，然后得到視覺(jué)感知的范圍，接著進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的生成計(jì)算，最后渲染顯示在顯示屏上。

3.2沉浸式仿真交互技術(shù)

配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)需要受訓(xùn)人員控制虛擬角色在作業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行大量模擬操作，但由于受當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)限制，虛擬人物在場(chǎng)景中的交互并不能靠人的實(shí)際動(dòng)作來(lái)同步驅(qū)動(dòng)，因此，系統(tǒng)提出了一種沉浸式仿真交互技術(shù)，通過(guò)使用事件驅(qū)動(dòng)和反向動(dòng)力學(xué)解析方法，對(duì)學(xué)員的體態(tài)動(dòng)作實(shí)時(shí)追蹤，很好地實(shí)現(xiàn)了虛擬人的帶電作業(yè)操作模擬和展示，如手部的抓、松、握，放和肘臂的移動(dòng)、彎曲等。針對(duì)手部動(dòng)作的模擬，通過(guò)獲取交互設(shè)備空間定位數(shù)據(jù)，但不直接驅(qū)動(dòng)虛擬人的動(dòng)作，而是對(duì)受訓(xùn)人員的觸發(fā)事件進(jìn)行分析后，解析成驅(qū)動(dòng)虛擬人物手的指令。例如拿驗(yàn)電器準(zhǔn)備驗(yàn)電，首先獲取交互設(shè)備空間定位數(shù)據(jù);其次是分析觸發(fā)事件，解析成對(duì)應(yīng)的行為指令;最后是控制虛擬手部做出相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)依靠虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套技術(shù)的成熟，觸覺(jué)反饋功能的加入，通過(guò)振動(dòng)模擬真實(shí)的觸摸體驗(yàn)，可以模擬出物品的形狀，重量，和沖擊時(shí)產(chǎn)生的力量，更好的反映出帶電作業(yè)過(guò)程中頻率最高的抓取動(dòng)作的真實(shí)性。

4結(jié)論

總而言之，沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上增加了沉浸式立體顯示技術(shù)、沉浸式仿真交互技術(shù)，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)缺乏沉浸感、交互性和自然性的不足和缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)相比，具有兩方面的創(chuàng)新，一個(gè)是沉浸式立體顯示技術(shù)使用基于遞推算法的延遲補(bǔ)償方法，提高了逼真感和沉浸感;另一個(gè)是沉浸式操作仿真交互技術(shù)使用事件驅(qū)動(dòng)和反向動(dòng)力學(xué)解析方法，實(shí)現(xiàn)了虛擬人物在仿真場(chǎng)景中的自然控制。

參考文獻(xiàn)：

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