1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082

2.常德電業(yè)局，湖南 常德 415000

1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082

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1 引言

從竹簡(jiǎn)到電腦，人類的學(xué)習(xí)模式一直在不斷進(jìn)步之中，同樣電力培訓(xùn)的模式也是在不斷地進(jìn)步與發(fā)展。由于電網(wǎng)具有高危險(xiǎn)性和不可輕易停電等特殊性，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式在電力系統(tǒng)應(yīng)用的效果不是很理想。比如：傳統(tǒng)的基于文字與圖片的培訓(xùn)手段，學(xué)員現(xiàn)場(chǎng)感差，容易感到枯燥、乏味，效果往往不理想；基于實(shí)物的培訓(xùn)，培訓(xùn)投資較大，不適合多人同時(shí)進(jìn)行，操作不當(dāng)還可能對(duì)人身造成危害。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）趨于成熟，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)也變得現(xiàn)實(shí)可行?；赩R的仿真培訓(xùn)不僅可以將理論與實(shí)際相結(jié)合，而且寓教于樂，讓學(xué)員仿佛如臨其境，并通過一定的設(shè)備與虛擬世界進(jìn)行交互。通過仿真培訓(xùn)，學(xué)員可以提高電力安全生產(chǎn)作業(yè)的技能；通過對(duì)過去一些典型事故的學(xué)習(xí)，可以盡量減少類似事故的發(fā)生。

目前我國(guó)電力系統(tǒng)研究虛擬技術(shù)起步較晚，主要應(yīng)用還是局限于配電GIS領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)培訓(xùn)上的應(yīng)用基本還處于空白階段。國(guó)外電網(wǎng)在虛擬技術(shù)上取得了一定的成果，但是實(shí)用化產(chǎn)品還未出現(xiàn)[1-2]。

目前我國(guó)一些高校及科研單位已經(jīng)對(duì)虛擬技術(shù)開展了研究。按照文獻(xiàn)[3]所述，浙江大學(xué)CAD＆CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級(jí)行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問題。中國(guó)科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)中視覺接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實(shí)中的體視圖像對(duì)算法回顯及軟件接口等。正是在國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有了一定的發(fā)展的基礎(chǔ)上電力安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)才得以實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的選取

開發(fā)基于VR技術(shù)的電力安全作業(yè)仿真培系統(tǒng)首先要對(duì)仿真的方式進(jìn)行選取。仿真可分為硬件仿真和軟件仿真，硬件仿真真實(shí)感強(qiáng)，但投資較大，軟件仿真易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，更新?lián)Q代簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)，也更加實(shí)用。因此本系統(tǒng)采取軟件形式。

系統(tǒng)開發(fā)引擎的選取也是一個(gè)重要方面。引擎可以為3D系統(tǒng)的運(yùn)行提供底層技術(shù)支撐，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)過程。通過研究，系統(tǒng)選擇了Torque Game Engine，后面簡(jiǎn)稱TGE，它是3D計(jì)算機(jī)游戲引擎的改進(jìn)，由Dynamix公司于2001年研發(fā)。其功能齊全，具有多平臺(tái)支持、網(wǎng)絡(luò)多客戶支持、專業(yè)的骨骼動(dòng)畫系統(tǒng)、無(wú)縫結(jié)合的渲染等等特性。它的模塊主要包括[4]：

（1）平臺(tái)模塊：該模塊提供跨平臺(tái)體系的接口，提供網(wǎng)絡(luò)通信的接口，并進(jìn)行圖片初始化，記錄用戶輸入及各種事件。

（2）控制模塊：該模塊同時(shí)擁有編譯器和解釋器。引擎內(nèi)的所有控鍵、對(duì)象、邏輯以及接口都通過控制模塊進(jìn)行處理?？刂颇K的語(yǔ)言被稱為Torque Script，與C++語(yǔ)言類似，但對(duì)于3D系統(tǒng)更具有針對(duì)性。

（3）資源管理模塊：引擎使用到了許多資源，比如地形文件、模型文件、材質(zhì)清單、聲音以及圖片等，并且還提供一個(gè)加載和保存資源的通用接口。

（4）網(wǎng)絡(luò)連接模塊：TGE設(shè)計(jì)的目的就是要提供強(qiáng)大的客戶機(jī)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模擬，因此它支持并能夠在Internet上獲得良好的網(wǎng)絡(luò)性能。TGE的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要分為：連接層（Connection Layer）、數(shù)據(jù)流層（Stream Layer）和仿真層（Simulation Layer）。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 虛擬場(chǎng)景的搭建

電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)首先需要眾多虛擬場(chǎng)景來(lái)模擬真實(shí)的電力系統(tǒng)。搭建虛擬場(chǎng)景流程介紹如下：

（1）進(jìn)行三維建模。三維模型是虛擬場(chǎng)景的基石，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。由于TGE建模能力較弱，只能把電網(wǎng)空間信息、工程圖紙、技術(shù)手冊(cè)、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備維保信息等技術(shù)資料有機(jī)地整合到一起，來(lái)構(gòu)建獨(dú)立的模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

再利用基于模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的3ds Max等建模工具來(lái)進(jìn)行建模。該技術(shù)的原理是將基礎(chǔ)特征模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型樣本，在建立真實(shí)模型時(shí)通過用戶化的參數(shù)調(diào)整設(shè)置模型的特征參數(shù)，進(jìn)而得到所需要的真實(shí)模型。該建模方法操作簡(jiǎn)單直觀，是大型城市場(chǎng)景建模的基礎(chǔ)，特別適用于電力系統(tǒng)設(shè)備的三維建模[1]。

（2）把模型導(dǎo)入TGE。模型在3ds Max搭建好后還要將其導(dǎo)入TGE中，首先就在3ds Max將模型導(dǎo)出為.dts格式文件。因?yàn)門GE已經(jīng)封裝好了固定格式的數(shù)據(jù)類型，模型只需要通過TGE相應(yīng)的接口就可以加載進(jìn)入。之后模型要在個(gè)人電腦的屏幕上顯示，還要進(jìn)行渲染。渲染是將對(duì)象的3D數(shù)學(xué)模型變換成可以在屏幕上顯示的2D圖像的過程。在渲染對(duì)象時(shí)，TGE將計(jì)算對(duì)象各個(gè)不同面的外觀，再將這些面轉(zhuǎn)換成2D形式，然后將結(jié)果送到渲染卡。引擎內(nèi)的渲染卡將自行負(fù)責(zé)渲染的下面的步驟。

（3）地形建模和基于電氣連接特性的虛擬場(chǎng)景搭建。地形相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在引擎中就可以進(jìn)行建模，這是TGE自帶的功能。再通過TGE的控制腳本語(yǔ)言Torque Script對(duì)加載進(jìn)入的三維模型逐一再進(jìn)行編輯處理，并結(jié)合地形模型就能搭建出需要的虛擬場(chǎng)景。因?yàn)殡娋W(wǎng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，仿真這樣一個(gè)系統(tǒng)需要搭建一個(gè)實(shí)體眾多、運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜、特效多樣的虛擬環(huán)境，所以需要一個(gè)良好的組織方案。

盡管電網(wǎng)形式多樣，但是通過分析電網(wǎng)物理特點(diǎn)，主要可以把它分為輸配網(wǎng)和變電站。輸配網(wǎng)則主要是以輸電桿塔為中心的縱向分布結(jié)構(gòu)。變電站則無(wú)論是單母線接線、雙母線接線還是一臺(tái)半斷路器接線方式，變電站的結(jié)構(gòu)都是以變壓器為基點(diǎn)，以母線為緯線，以間隔為經(jīng)線的分布結(jié)構(gòu)。基于這個(gè)思路，電網(wǎng)設(shè)備明顯具有二叉空間剖分的特性。因此虛擬電網(wǎng)場(chǎng)景可以采用樹型層次結(jié)構(gòu)，按照從上而下的方式搭建場(chǎng)景。場(chǎng)景的空間N叉樹組織如圖1所示。

圖1 場(chǎng)景的樹型層次結(jié)構(gòu)圖

搭建虛擬場(chǎng)景將按照設(shè)定的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行，每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)有自己的位置屬性、運(yùn)動(dòng)特性及電氣特性。節(jié)點(diǎn)的電氣連接關(guān)系通常用樹型層級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)表示。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離同時(shí)也大于規(guī)定的安全距離（10 kV：0.7 m、35 kV：1 m、110 kV：1.5 m、220 kV：3 m、500 kV：5 m）。之所以考慮電氣連接特性，因?yàn)殡娋W(wǎng)中電氣連接特性與空間布局約束具有隱含的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。這樣一個(gè)N叉樹可以看成是一個(gè)把地形網(wǎng)格均勻分割的空間BSP樹的稀疏矩陣，這樣的N叉樹比基于均勻分割地形網(wǎng)格的空間BSP樹有更高的遍歷效率，將大大提高系統(tǒng)搭建的速度。搭建完成的某110 kV虛擬變電站和某220 kV輸電線路如圖2、3所示。

圖2 110 kV變電站

圖3 220 kV輸電線路

2.2.2 系統(tǒng)可視化交互

虛擬場(chǎng)景搭建好后還要加入動(dòng)畫、交互等元素，因?yàn)橐粋€(gè)虛擬場(chǎng)景，它要想引人注目，它必須是動(dòng)態(tài)可交互的[6]。這也是模擬現(xiàn)實(shí)中的電力生產(chǎn)作業(yè)所必需的。

動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)首先就是給予一些模型設(shè)定好一些動(dòng)作，這在3ds Max中就可以初步實(shí)現(xiàn)，只是那些模型相對(duì)于純靜態(tài)模型還多帶有一些格式為.dsq的文件。模型主要由骨骼和外皮組成，在TGE的數(shù)據(jù)庫(kù)中模型的骨骼就是一系列矩陣，而模型附帶的.dsq文件則記錄著那些矩陣的變化。在TGE中利用Torque Script對(duì)這些動(dòng)作進(jìn)行編輯處理，就可以生成一些具體的動(dòng)作列表，并把這些列表按照一定的規(guī)律和計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備相連。培訓(xùn)人員通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)鍵盤就能控制模型動(dòng)作，完成需要的各項(xiàng)電力操作。電力安全作業(yè)仿真系統(tǒng)的某隔離開關(guān)檢修現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 隔離開關(guān)檢修現(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)模型按照培訓(xùn)人員的意愿在虛擬世界進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，碰撞檢測(cè)這一難題就凸顯出來(lái)了。簡(jiǎn)單地說(shuō)，碰撞檢測(cè)就是檢測(cè)不同模型是否發(fā)生了碰撞。如果沒有碰撞檢測(cè)，就會(huì)產(chǎn)生“穿墻而過”的效果，這將大大降低虛擬環(huán)境的真實(shí)感。碰撞檢測(cè)核心問題是物體求交，這需要快速且有效的碰撞檢測(cè)算法。目前層次包圍盒法是應(yīng)用最為廣泛的碰撞檢測(cè)算法，它檢測(cè)精度較高，通用性比較強(qiáng)，能適合于復(fù)雜物體的各種碰撞的場(chǎng)合[7]。而比較常用的包圍盒類型有包圍球、軸向包圍盒（AABB）、方向包圍盒（OBB）等。

包圍球算法比較簡(jiǎn)單，相交測(cè)試比較快，而且球體基本不受旋轉(zhuǎn)變換的影響，但其精確度卻比較低；AABB軸向包圍盒算法構(gòu)造簡(jiǎn)單、計(jì)算量較小、檢測(cè)速度比較、快于編程，可是其緊密性一般、精確度一般;OBB方向包圍盒算法則精確度最高，可是其原理比較復(fù)雜、計(jì)算量太大。

由于各類包圍盒的應(yīng)用都有一定的局限性，針對(duì)虛擬的電力系統(tǒng)設(shè)備多、類型雜的特點(diǎn)，故系統(tǒng)采取了對(duì)AABB軸向包圍盒算法進(jìn)行了改進(jìn)，利用AABB軸向包圍盒算法和空間剖分法混合的方法進(jìn)行檢測(cè)。

傳統(tǒng)的AABB軸向包圍盒算法原理如下：

用一個(gè)軸向包圍盒包含著模型，這個(gè)包圍盒是一個(gè)6面盒狀的長(zhǎng)方體，其面法線平行于給定的坐標(biāo)軸，可以定義為：

當(dāng)兩個(gè)物體相交時(shí)，用一個(gè)軸向包圍盒A代表物體甲，用另一個(gè)軸向包圍盒B代表物體乙。A、B平行于坐標(biāo)軸且剛好將甲、乙物體包含在其中。只有當(dāng)A、B在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間均相交時(shí)，它們才相交。這樣三維相交問題就轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S相交的問題。

如圖5所示，分別包圍兩個(gè)物體的軸向包圍盒A、B在X軸上投影區(qū)間做相交測(cè)試。A和B的中心點(diǎn)為Wa和Wb，點(diǎn)Wa和Wb在X軸上的投影分別是Pa和Pb。投影長(zhǎng)度的一半分別為Ra和Rb。如果Ra+Rb≤Pa×Pb，則物體甲和物體乙在X軸上不相交。在Y軸、Z軸同理可證。只要有一個(gè)坐標(biāo)軸不相交，物體甲、乙就不相交。

圖5 AABB軸向包圍算法簡(jiǎn)單說(shuō)明圖

可以看出AABB軸向包圍盒的原理是比較簡(jiǎn)單的，系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)據(jù)量相對(duì)也比較小，可是其緊密性比較差，當(dāng)物體沒有碰撞時(shí)有時(shí)也會(huì)得到已經(jīng)碰撞的計(jì)算結(jié)果，這將降低系統(tǒng)的真實(shí)感。所以系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)AABB軸向包圍盒算法進(jìn)行改進(jìn)，采取了兩步檢測(cè)的方法：（1）利用AABB軸向包圍盒算法進(jìn)行快速檢測(cè)，將一些明顯不相交的物體進(jìn)行快速排除；（2）再利用空間剖分法對(duì)那些初步認(rèn)為已經(jīng)碰撞的物體進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)。這樣就能同時(shí)滿足檢測(cè)速度和精確度的要求。

空間剖分法的原理是將初步判斷為已經(jīng)碰撞的AABB包圍盒均勻分割為一些小方塊區(qū)間。檢查這些小方塊內(nèi)的模型，不含物體的區(qū)間剔除掉，含有的給予一定的標(biāo)記，當(dāng)區(qū)間內(nèi)同時(shí)存在兩種及以上標(biāo)記時(shí)就能判為發(fā)生了碰撞。

空間剖分法算法的步驟為：

（1）將包圍盒進(jìn)行空間分割。

（2）將模型的表面映射到相應(yīng)的單元格。

（3）遍歷單元格，對(duì)符合條件的單元格進(jìn)行相交測(cè)試。

系統(tǒng)利用這種結(jié)合AABB軸向包圍盒和空間剖分法的檢測(cè)方案原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)也基本滿足了系統(tǒng)的仿真的要求。圖6為帶電合接地刀閘操作接地刀閘動(dòng)觸頭接觸到靜觸頭之前的場(chǎng)景，圖7為帶電合接地刀閘操作動(dòng)觸頭碰撞到靜觸頭后發(fā)生放電的場(chǎng)景。

圖6 場(chǎng)景的樹型層次結(jié)構(gòu)合接地刀閘

圖7 接地刀閘動(dòng)觸頭碰到靜觸頭之后的場(chǎng)景

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)連接

TGE是基于CS模式設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，服務(wù)器和客戶機(jī)兩端各司其職，可獲得良好的網(wǎng)絡(luò)性能。但與傳統(tǒng)的C/S模式區(qū)別是，采用3層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接模式，三層體系結(jié)構(gòu)將應(yīng)用程序分成三個(gè)不同的邏輯層次：表示層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層，即通常所說(shuō)的客戶端、應(yīng)用程序服務(wù)器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

客戶端集中處理數(shù)據(jù)顯示和用戶與數(shù)據(jù)之間的交互作用；應(yīng)用程序服務(wù)用于管理客戶端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)各用戶之間的請(qǐng)求；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)該完成的任務(wù)。與傳統(tǒng)的兩層體系結(jié)構(gòu)相比，使用三層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序使軟件開發(fā)易維護(hù)它，保障系統(tǒng)有更高的安全性能。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的關(guān)鍵是加載任務(wù)。任務(wù)是一個(gè)用于描述虛擬場(chǎng)景配置信息的文件，包括虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象、對(duì)象的位置、對(duì)象的狀態(tài)、對(duì)象的屬性、datablock數(shù)據(jù)（TGE定義的模型的數(shù)據(jù)塊，用于對(duì)對(duì)象屬性進(jìn)行說(shuō)明）等。而加載任務(wù)的過程是在創(chuàng)建服務(wù)器的最后階段被調(diào)用的，啟動(dòng)加載任務(wù)加載到服務(wù)器，然后再發(fā)送給所有鏈接的客戶端。TGE通過采取一些手段可以解決帶寬，數(shù)據(jù)包丟失和延遲這3個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的基本問題，每臺(tái)服務(wù)器最多可以連接128臺(tái)客服機(jī)[8]。但是由于3D仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)量比較大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)較重，所以還要對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行一些優(yōu)化。比如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)本地預(yù)加載任務(wù)的策略。在本地機(jī)內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的僅用于加載datablock的服務(wù)器。在應(yīng)用程序初始化時(shí)就預(yù)先加載datablock。用戶在進(jìn)行任務(wù)加載時(shí)就能感覺加載過程大大縮短了。程序如下：

3 電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并融合電力生產(chǎn)專業(yè)知識(shí)，為電力企業(yè)提供了一個(gè)電力培訓(xùn)的平臺(tái)。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的仿真功能，涉及了眾多電力生產(chǎn)流程、工器具的使用、通過復(fù)現(xiàn)典型的電力生產(chǎn)事故來(lái)解讀電力生產(chǎn)安規(guī)。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以為電力生產(chǎn)的運(yùn)行、檢修、調(diào)度等專業(yè)提供基于虛擬現(xiàn)場(chǎng)的全方位培訓(xùn)。在不同地方的培訓(xùn)人員都可以進(jìn)入同一的平臺(tái)中，大家一起去了解電力設(shè)備的特性、獲得電力事故的教訓(xùn)、明白電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、觀摩標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的正確流程、掌握電力生產(chǎn)工器具的使用等。系統(tǒng)采用C++作為平臺(tái)開發(fā)語(yǔ)言，平臺(tái)上提供了虛擬培訓(xùn)、實(shí)景培訓(xùn)、電力安規(guī)培訓(xùn)三個(gè)模塊。

3.2 系統(tǒng)功能

對(duì)于電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊簡(jiǎn)單介紹如下，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）虛擬培訓(xùn)

本模塊應(yīng)用TGE開發(fā)了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力培訓(xùn)平臺(tái)。平臺(tái)采用Torque Script進(jìn)行流程控制、SQL 2000數(shù)據(jù)庫(kù)記錄培訓(xùn)者數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖片、聲音等多媒體技術(shù)來(lái)輔助模擬真實(shí)世界。該平臺(tái)包含兩個(gè)小模塊：事故案例培訓(xùn)和技能培訓(xùn)。

事故案例培訓(xùn)模塊中對(duì)過去發(fā)生的一些典型事故進(jìn)行了仿真再現(xiàn)。在以往的事故教育中，一般都是用文字語(yǔ)言把事故表述出來(lái)，然后人們?cè)陬^腦中對(duì)事故進(jìn)行想象。但由于每個(gè)人的理解能力不一，這些非直觀的理解就可能為以后的工作留下隱患?；赩R技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)能將過去的一些典型事故逼真地再現(xiàn)，讓培訓(xùn)者仿佛置身于真實(shí)事故一樣，事故發(fā)生的起因、經(jīng)過、結(jié)果一目了然。培訓(xùn)者可以得到最深刻的感受、接受到最有效的教育。

技能培訓(xùn)模塊首先實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)設(shè)備的虛擬可視化。培訓(xùn)人員進(jìn)入虛擬培訓(xùn)平臺(tái)后，虛擬設(shè)備就呈現(xiàn)在培訓(xùn)者的面前，培訓(xùn)者可以主動(dòng)地在虛擬的電力系統(tǒng)中遨游，可以隨意地去了解設(shè)備的外部構(gòu)造、變電站以及輸電線路的結(jié)構(gòu)、工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境等，然后再將感受到的信息經(jīng)過大腦的思考和分析，形成自己想要的動(dòng)作或策略，通過輸入界面反饋給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的交互和控制[9]。培訓(xùn)人員通過使用這個(gè)模塊可以去深入了解電力系統(tǒng)。技能培訓(xùn)模塊還仿真了許多電力生產(chǎn)流程，比如：10 kV更換地刀保險(xiǎn)、110 kV隔離開關(guān)檢修、220 kV線路更換絕緣子、變電站倒閘操作、線路巡線等。

虛擬培訓(xùn)集中了現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)和書本培訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)，感性認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力都能夠得到提高，同時(shí)也減少了物質(zhì)投入和對(duì)設(shè)備的損壞。培訓(xùn)人員在虛擬現(xiàn)實(shí)中通過交互完成這些流程的培訓(xùn)，既獲得理論上的指導(dǎo)又能掌握現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)，還能通過反復(fù)的練習(xí)來(lái)提升自己的技能水平，掌握標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的正確流程。同時(shí)由于TGE具有存儲(chǔ)量大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，今后電力生產(chǎn)的眾多重要環(huán)節(jié)都能在系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。

（2）實(shí)景培訓(xùn)

本模塊主要是采用視頻拍攝手法，將電力生產(chǎn)的一些環(huán)節(jié)拍攝下來(lái)供電力工作者學(xué)習(xí)。培訓(xùn)者通過觀看視頻，看到現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，得到一些感性而直觀的認(rèn)識(shí)。該模塊能增強(qiáng)本系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)電力作業(yè)的真實(shí)感，讓系統(tǒng)更加全面。

（3）電力安規(guī)培訓(xùn)

本模塊主要以flash制作的二維動(dòng)畫來(lái)演繹電力安全規(guī)定的電力安規(guī)、觸電急救等相關(guān)知識(shí)。Flash是美國(guó)Adobe公司推出的一款多媒體動(dòng)畫制作軟件。采用Flash的形式來(lái)進(jìn)行電力安規(guī)方面的培訓(xùn)，可以給培訓(xùn)系統(tǒng)注入娛樂性、生動(dòng)性等元素，讓枯燥的東西變得活潑，讓培訓(xùn)者對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生濃厚的興趣，主動(dòng)地進(jìn)行培訓(xùn)，寓教于樂。同時(shí)由于flash具有文件容量小、下載時(shí)間短的特點(diǎn)，可以方便系統(tǒng)推廣與使用。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)提供了一個(gè)人機(jī)交互的電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)，是虛擬技術(shù)的成功應(yīng)用。系統(tǒng)將多種培訓(xùn)模式融合，讓人有耳目一新的感覺。目前該系統(tǒng)已經(jīng)驗(yàn)收，并在湖南省電力公司穩(wěn)定運(yùn)行，正準(zhǔn)備向河南省電力公司推廣。

4 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是融合了實(shí)用性、互動(dòng)性、娛樂性等特點(diǎn)于一體的電力生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)，其突破了事物傳統(tǒng)表達(dá)方法的局限，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力培訓(xùn)上的具體應(yīng)用。通過完成對(duì)三維建模、場(chǎng)景搭建、碰撞檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)連接等問題的處理，系統(tǒng)終于搭建成型。其網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)的模式方便了電力職工的學(xué)習(xí)；其娛樂性、互動(dòng)性的特點(diǎn)提高了員工參與培訓(xùn)的興趣；其高度仿真性的特點(diǎn)提高了培訓(xùn)的效果；其純軟件的形式大大節(jié)約了培訓(xùn)的費(fèi)用。

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

陳奇朋1，羅滇生1，胡 強(qiáng)2，何洪英1，康 童1，毛 田1，謝夏慧1

CHEN Qipeng1,LUO Diansheng1,HU Qiang2,HE Hongying1,KANG Tong1,MAO Tian1,XIE Xiahui1

1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China
2.Changde Electric Power Bureau,Changde,Hunan 415000,China

This paper introduces a simulation training system for electric power safety designed from angle of skills and safety training,combing the power grid’s physical characteristics and virtual reality techniques.The article presents the main key technologies such as 3d modeling technology based on the model parameter database,virtual scene building technology based on characteristics of electrical connections and internet connection technology used in the system.And the paper describes the three large modules including virtual training,imaging training,electric power safety training in detail.This system brings a new look to the power companies and also does great benefits for the enhancement of the operators’skill level and the improvement of their security awareness of operating.

virtual reality;three-dimensional modeling;visualization;network connection

從技能和安全培訓(xùn)的角度出發(fā)，將電網(wǎng)物理特點(diǎn)和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了電力安全作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)包含的基于模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的三維建模技術(shù)、基于電氣連接特性的虛擬場(chǎng)景搭建技術(shù)、可視化交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)連接等關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的虛擬培訓(xùn)、實(shí)景培訓(xùn)、電力安規(guī)培訓(xùn)3個(gè)大模塊。系統(tǒng)的開發(fā)給電力企業(yè)培訓(xùn)帶來(lái)了新的面貌，對(duì)于提升作業(yè)者技能水平、提高作業(yè)人員安全作業(yè)也大有裨益。

虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；可視化交互；網(wǎng)絡(luò)連接

A

TP391.9；TM743

10.3778/j.issn.1002-8331.1110-0114

CHEN Qipeng,LUO Diansheng,HU Qiang,et al.Power safety simulated-training system based on virtual reality technology.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：232-236.

湖南省自然科學(xué)基金委員會(huì)與衡陽(yáng)市政府自然科學(xué)聯(lián)合基金資助（No.11JJ8003）。

陳奇朋（1984—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)虛擬可視化；羅滇生（1971—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)虛擬可視化、電力市場(chǎng)理論及其應(yīng)用；胡強(qiáng)（1975—），男，工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃與工程前期；何洪英（1976—），女，博士，講師，主要從事戶外線路高壓絕緣檢測(cè)、戶外線路覆冰檢測(cè)、圖像處理等方面研究；康童（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)軟件開發(fā)；毛田（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)軟件開發(fā)；謝夏慧，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)。E-mail：372922558@qq.com

2011-10-10

2011-12-05

1002-8331（2013）11-0232-05

CNKI出版日期：2012-03-08 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120308.1520.020.html