黃曙?曹麗娟?胡劍

摘要：為提高當(dāng)前變電站運維操作技能培訓(xùn)與考核的規(guī)范性和易用性，設(shè)計并開發(fā)了變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的三維實操教案功能。該功能基于變電站三維仿真培訓(xùn)平臺開發(fā)，以變電站運維的典型操作和作業(yè)指導(dǎo)書為依據(jù)，提供包含案例生成、管理和運行的實操教案管理，可依據(jù)變電站實際運維操作規(guī)范生成教案，提高實操教案的規(guī)范性和可維護性，可基于案例給予學(xué)習(xí)引導(dǎo)，提高實操培訓(xùn)與考核的易用性。對本系統(tǒng)與現(xiàn)有的幾種實操培訓(xùn)方式進行比較性論述，無論在教案維護方便性、教案規(guī)范性、教案定制能力和實際培訓(xùn)效果上，都有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：三維；仿真培訓(xùn)；交互式；變電站；實操教案

作者簡介：黃曙（1979-），男，廣東汕頭人，廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，高級工程師；曹麗娟（1984-），女，湖北黃石人，廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，工程師。（廣東 廣州 510080）

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0170-04

變電站運行值班人員的安全技能水平是電網(wǎng)安全生產(chǎn)的重要因素。當(dāng)前各電網(wǎng)公司對運行值班人員的實操培訓(xùn)和考核主要還是在變電站一次現(xiàn)場開展，需要在生產(chǎn)管理中做出相應(yīng)的計劃安排，影響了電網(wǎng)的正常運行，無法做到隨時隨地開展。而基于虛擬現(xiàn)實的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)解決了該矛盾，它以虛擬變電站代替實際一次現(xiàn)場，既能保證培訓(xùn)和考核的要求，又對實際電網(wǎng)無影響，是目前電力運行人員安全生產(chǎn)培訓(xùn)的重要手段之一?；谔摂M現(xiàn)實的變電站仿真培訓(xùn)產(chǎn)品總結(jié)起來主要包括兩種類型：教材式和交互式。前者主要是各培訓(xùn)機構(gòu)根據(jù)需要，以一些實操規(guī)范過程為劇本，采用三維技術(shù)進行編排，形成帶有簡單交互的媒體教材，[1，2，4]其特點是流程清晰、學(xué)習(xí)使用簡單，但真實感和擴展性差；后者則以虛擬變電站環(huán)境漫游控制、設(shè)備交互操作仿真為核心，提供一個虛擬的變電站運行場景，[5，6]其特點是真實感和實操交互能力強，但由于無實操過程引導(dǎo)，學(xué)習(xí)使用較困難。

本系統(tǒng)結(jié)合兩者特點，在交互變電站三維仿真平臺基礎(chǔ)上開發(fā)實操教案管理系統(tǒng)，既提供交互式的操作環(huán)境，又以案例為主線給予提示和引導(dǎo)，降低了使用難度。提供教案維護可依據(jù)變電站運維的實際操典和作業(yè)指導(dǎo)書，通過在仿真平臺中實際操作來自動生成教案，使得無需開發(fā)就可以增、刪、改教案庫，不斷豐富教案庫，拓寬了培訓(xùn)內(nèi)容的覆蓋面。

一、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

實操教案是在變電站三維仿真平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)，如圖1所示。變電站三維仿真平臺提供電網(wǎng)的數(shù)據(jù)仿真、網(wǎng)絡(luò)拓撲分析、三維場景制作、漫游控制和交互操作的基礎(chǔ)技術(shù)支持；三維實操教案系統(tǒng)包括案例引擎、案例維護、案例學(xué)習(xí)和案例考核，提供一套從案例制作、管理到執(zhí)行的完整過程。平臺與教案相結(jié)合，使得仿真培訓(xùn)按照案例的方式進行，減少了三維仿真的盲目性和使用難度，又使得案例學(xué)習(xí)具有實用性。

二、變電站三維仿真平臺

變電站三維仿真平臺是基于OSG開源三維開發(fā)包開發(fā)的，[9，10]可以提供一套變電站三維交互式仿真環(huán)境，將真實的變電站虛擬化，實現(xiàn)包括設(shè)備管理、場景渲染、漫游、定位、導(dǎo)航等功能模塊，支持變電站運維所有交互式操作，并提供仿真培訓(xùn)服務(wù)程序來記錄和處理操作、執(zhí)行仿真拓撲計算以保證設(shè)備狀態(tài)和操作的合理性，如圖2所示。

三、三維實操教案設(shè)計

三維教案管理系統(tǒng)主要包括教案數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、教案引擎、教案維護以及學(xué)習(xí)和考核工作臺等模塊。

1.教案數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

教案是實操學(xué)習(xí)與考核的核心內(nèi)容，包括教案管理設(shè)計和案例結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。教案管理按專業(yè)分層管理所有案例，實現(xiàn)案例的添加、刪除、修改和存儲，以及監(jiān)視當(dāng)前案例的執(zhí)行狀態(tài)；案例結(jié)構(gòu)包括案例基本屬性（如名稱、專業(yè)、任務(wù)說明等）、變電站初始狀態(tài)數(shù)據(jù)（即斷面數(shù)據(jù)）、行進路線、工作間隔和操作步驟列表；變電站初始狀態(tài)數(shù)據(jù)包括變電站及其所有設(shè)備的斷面數(shù)據(jù)、設(shè)備的分合位置、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備缺陷和故障信息，用來保證案例執(zhí)行時都具有正確的一致的環(huán)境；行進路線是教案中引導(dǎo)學(xué)員進入正確工作位置的指示信息，將在地面上以箭頭方式顯示，包括出發(fā)位置、路徑線和終點；工作間隔是記錄工作必須在哪個間隔，以判斷是否誤入間隔；操作步驟列表是一組按照執(zhí)行先后順序排列的步驟表。操作步驟包括名稱、序號、類型、操作對象、結(jié)果、關(guān)鍵字、提示信息等內(nèi)容，提示信息用于學(xué)習(xí)模式下給學(xué)員的提示信息，關(guān)鍵字是用于操作步驟比較，以判斷實際操作與案例的操作步驟是否吻合，由操作對象、操作輸入?yún)?shù)連接組成。教案管理和案例結(jié)構(gòu)組成了教案系統(tǒng)的實體數(shù)據(jù)集。

2.教案定制

三維仿真平臺提供滿足變電站運維要求的操作和設(shè)備狀態(tài)、故障、缺陷的表現(xiàn)。教案制作就是要將表現(xiàn)和操作按照變電站實操規(guī)范的要求，組織成一個具有正確變電站初始狀態(tài)和正確的操作流程的案例，制作流程如圖4所示。

教員進入三維仿真環(huán)境中案例維護工作臺，創(chuàng)建或打開一個案例，有了這個案例后，教員在變電站場景中的各種操作都會自動記錄在案例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。教員可以在場景中設(shè)置故障點，設(shè)置設(shè)備位置狀態(tài)和缺陷來制作初始現(xiàn)場環(huán)境；教員可以編輯案例基本屬性如名稱、專業(yè)類型、任務(wù)說明；可以在場景中按照變電站運行操作規(guī)范的具體操作步驟要求將整個過程做一遍，包括受令確認、選取工具、開工作票、設(shè)護欄、掛標牌、掛接地線、唱票、操作壓板、操作開關(guān)刀閘等，每個操作都會在案例的步驟列表中按執(zhí)行的先后順序自動生成一個操作步驟。操作完成后，還可以對案例的內(nèi)容進行修改和編輯，比如修改步驟提示信息、修改工作路徑等。案例完成后保存在教案管理中，教員可以根據(jù)需要調(diào)出案例，并測試案例是否達到預(yù)期要求。測試完成后，即可將該案例發(fā)布到案例數(shù)據(jù)庫中。

3.教案運行

教案運行模塊實現(xiàn)教案在學(xué)習(xí)和考核兩種模式下的運行。學(xué)習(xí)模式是以信息提示引導(dǎo)學(xué)員自我學(xué)習(xí)和掌握案例，考核模式則在學(xué)員操作中不給予提示，以考核學(xué)員對案例的熟悉程度。教案運行模塊根據(jù)入口不同而進入學(xué)習(xí)或考核模式。對于這兩種模式，教案運行模塊的執(zhí)行流程完全一樣，區(qū)別是學(xué)習(xí)模式提供教案選擇與教案任務(wù)說明提示，并在執(zhí)行過程中每一個步驟均有操作提示和錯誤提示。而考核模式教案被教員指定，并且除了開始的任務(wù)說明和最終的完成提示外，不提供任何提示信息。

在學(xué)習(xí)模式下，教案引擎啟動并下載最新的教案庫，根據(jù)教案庫生成教案管理對象，并以UI界面分層顯示案例列表，以供學(xué)員選擇。

從案例載入開始，教案運行模塊的執(zhí)行主要是通過教案引擎實現(xiàn)，具體步驟如下：一是創(chuàng)建教案引擎，設(shè)置當(dāng)前教案，教案引擎自動清除場景，并下載該案例的數(shù)據(jù)。二是場景渲染。教案引擎通知三維仿真平臺的渲染模塊，根據(jù)當(dāng)前案例信息渲染新的變電站場景，并用當(dāng)前案例的數(shù)據(jù)來初始化場景的設(shè)備位置、狀態(tài)、缺陷和故障，將視角定位在工作路徑的出發(fā)點，激活本案例的第一個操作步驟，等待過戶的操作。三是交互操作。學(xué)員在場景內(nèi)根據(jù)案例的步驟要求進行操作，教案運行模塊捕捉每一次操作，并通過消息傳遞給案例引擎進行操作信息與當(dāng)前步驟的比較。如果正確，則允許操作執(zhí)行，并激活下一步驟；如果不正確，則取消本次操作，直到學(xué)員執(zhí)行了正確的操作才會激活下一步驟。該過程不斷循環(huán)，直到所有步驟都激活并完成。四是記錄和匯總。教案運行模塊記錄學(xué)員的所有操作步驟，包括正確操作和錯誤操作，最后匯總，形成完整的考核報告。

四、關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

1.三維模型與設(shè)備數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

變電站場景三維模型建模完成后，需要對其中設(shè)備模型的表現(xiàn)和行為進行定義，為模型中每個輔助節(jié)點配置相應(yīng)的信息，包括設(shè)備信息、操作定義和顯示定義。

設(shè)備信息是用來記錄模型與仿真數(shù)據(jù)庫中設(shè)備對象的關(guān)系，一般包括設(shè)備名、設(shè)備ID、設(shè)備別名、設(shè)備類型、設(shè)備說明等內(nèi)容。

顯示定義是定義如何根據(jù)仿真庫中設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)改變相應(yīng)的顯示。通過總結(jié)和技術(shù)條件，采用五種方式來實現(xiàn)：一是切換模型方式；二是粒子效果；三是切換紋理圖片；四是DOF變換；五是動畫路徑。顯示定義主要定義設(shè)備的狀態(tài)和缺陷對應(yīng)的顯示方式，以及需要的參數(shù)。表1是一項顯示定義的結(jié)構(gòu)，一個輔助節(jié)點對應(yīng)多項顯示定義。

表1 顯示定義結(jié)構(gòu)示例

編號 條件 顯示方式 參數(shù)

1 狀態(tài)=分 切換圖片 open.png

2 狀態(tài)=合 切換圖片 close.png

3 缺陷F3=1 粒子效果 冒煙效果

4 缺陷F4=1 例子效果 電弧效果

操作定義是在交互式環(huán)境中用戶點擊三維模型時應(yīng)該產(chǎn)生的效果，包括操作的類型和目標。操作的類型是指當(dāng)鼠標點擊該模型時觸發(fā)的變化類型，經(jīng)過調(diào)查分析，主要包括四種類型：一是簡單發(fā)送命令，模型本身無變化。二是DOF旋轉(zhuǎn)方式。三是切換方式。它是一種通過幾個模型的簡單切換來達到“動”的效果。四是動畫路徑。它是一種較復(fù)雜的動作方式。操作的目標和仿真系統(tǒng)息息相關(guān)，指示該操作的執(zhí)行要實現(xiàn)何種目的，包括普通動作（門操作）、就地操作、空開操作、壓板操作、場景切換、調(diào)二維圖形等，當(dāng)執(zhí)行時這些目標將作為操作命令發(fā)送到仿真培訓(xùn)服務(wù)程序，以改變變電站的狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，操作定義的人機界面需要定義包括操作參數(shù)（DOF參數(shù)、是否連續(xù)動作等）和操作目標參數(shù)（操作類型、操作命令參數(shù)、是否五防校驗等）。表2是操作定義的結(jié)構(gòu)，一個節(jié)點只對應(yīng)一項動作決策。

表2 操作定義結(jié)構(gòu)

節(jié)點操作 參數(shù) 值示例

操作參數(shù) 操作類型 DOF變換

DOF參數(shù) MP="2"

MR="2"

MH="2"

是否重復(fù) 否

操作命令 類型 壓板操作

命令參數(shù) 空開類型=遠方就地

是否五防 否

整個場景的定義信息以場景為單位存儲在對應(yīng)的配置文件中，記錄每個輔助節(jié)點的標識和定義信息，在運行環(huán)境中將加載這些信息到輔助節(jié)點對象中，在場景渲染和操作時根據(jù)這些定義來實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)顯示和執(zhí)行鼠標鍵盤的操作。

2.案例引擎設(shè)計

案例引擎是一個控制類，提供案例運行的準備工作、案例狀態(tài)管理、操作步驟、實際操作判斷等接口，來協(xié)助案例運行模塊完成整個案例的執(zhí)行過程。其主要接口設(shè)計如下：

class M3dCaseEngine

{

M3dCase* CurCase（）；//當(dāng)前案例

void InitCase（M3dCase* ca）； //設(shè)置當(dāng)前案例并初始化

void Start（）；//執(zhí)行案例

void Stop（）；//終止案例執(zhí)行

void NextStep（）；//執(zhí)行下一步驟

bool IsNextStepValid（）；//判斷下一步驟是否有效

int GetStatus （）；/獲取當(dāng)前案例的執(zhí)行狀態(tài)

bool CheckStep（congest MOperation& op ）； //檢查當(dāng)前操作是否正確

bool CheckBayErr（ float x，float y，float z ）； //檢查移動位置是否誤入間隔

}；

根據(jù)現(xiàn)場工作安全規(guī)范要求，施工人員必須在允許的間隔內(nèi)施工，誤入其他間隔屬于操作錯誤。案例引擎載入案例信息，包括所在變電站所有間隔及其坐標范圍數(shù)據(jù)。當(dāng)角色在場景中漫游時，案例運行模塊實時獲取角色坐標并調(diào)用案例引擎的CheckBayErr方法，在該方法里計算角色坐標是否落在非案例操作所允許的間隔，從而檢查出角色是否誤入間隔。

3.分布式場景協(xié)同技術(shù)

在三維仿真培訓(xùn)場景中存在多學(xué)員在同一場景操作的情況，同時教員也會隨時加入到場景中觀察學(xué)員的操作過程，因此本系統(tǒng)采用分布式場景協(xié)同技術(shù)，設(shè)計了“行為標識碼—角色描述表—行為信息報文”的同步信息組織與描述方式，并采用發(fā)布—訂購機制加以傳輸。

報文頭包括消息類型、行為標識、發(fā)送者、接受者、信息數(shù)據(jù)等內(nèi)容，如下設(shè)計：

struct RtiPackageHead

{

int16 byMsgType；//消息類型

int16 byOperType；//行為標識

char[64] sender；//發(fā)送者

char{64} receiver；//接收者

uint32 nDataLen；//信息體長度

char[1] dataBuf；//信息體數(shù)據(jù)

}

以教員訂閱某個學(xué)員場景為例描述場景協(xié)同過程，如圖5所示。

4.案例引導(dǎo)路徑自動生成

模擬現(xiàn)場施工人員進入現(xiàn)場施工，必須按照指定路線行進，因此在學(xué)習(xí)模式下三維仿真平臺在變電站場景的地面渲染顯示出操作人員的正確行進路線，以便于學(xué)員熟悉行進路線。本系統(tǒng)采用的方法是案例制作時記錄行進路線數(shù)據(jù)（路徑），包括起點、若干個中間點和終點坐標。場景渲染時，根據(jù)教案的路徑數(shù)據(jù)自動生成巡視路徑的指示箭頭。繪制過程如下：一是設(shè)置路徑的顏色、路徑寬度寬等參數(shù)。二是創(chuàng)建osg：：Group對象pnode。三是繪制起點osg：：Geode對象并加入pnode，以起點為圓心在地面圓盤對象；繪制沿線osg：：Geode對象并加入pnode，按照路徑點和路徑寬度，自動生成繪制本路徑的多邊形頂點，最后繪制出路徑多邊形，并以路徑顏色來指定形體的材質(zhì)顏色。四是繪制終點指示箭頭的osg：：Geode對象并加入pnode。以終點和倒數(shù)第二點的線段為方向，以終點為頂點計算箭頭三角形的頂點坐標，然后繪制該三角形，形成箭頭。五是將pnode加入場景根節(jié)點。至此引導(dǎo)路徑完成。

5.用具姿態(tài)自動調(diào)整

為了真實模擬學(xué)員使用某些用具（如操作桿、驗電桿）的情形，必須調(diào)整該用具模型在場景中使用時的位置，使用具姿態(tài)保持在視點和操作點之間。經(jīng)過分析，“用具”初始創(chuàng)建為沿X軸正向，并在原點。當(dāng)其沿z軸中心旋轉(zhuǎn)α，再沿y軸旋轉(zhuǎn)角度β，并平移到T點位置，剛好放置在視點O和目標點T的對角線上，姿態(tài)剛好近似真實情況，如圖6所示。

旋轉(zhuǎn)角度α、β計算公式如下：

工具上信號燈的狀態(tài)更新，以驗電桿為例，其頂端有指示燈，輔助指示有電無電狀態(tài)，因此需要獲取驗電桿的OSG三維模型中指示燈節(jié)點，并更新其顏色顯示。

//創(chuàng)建工具節(jié)點ganNode后，對其進行檢索。

MNodeVisitor finder（ "SW_LIGHT" ）；

ganNode->accept（finder）；

std：：vector> lights = NodeFinder.getNodeList（）；

std：：vector>：：iterator it；

for（ it = lights.begin（）；it！=lights.end（）；++it）

{

osg：：Switch* sl =dynamic_cast（ （*it）.get（） ）；

if （sl）

{

sl ->setUpdateCallback（ new MSignalCallback（） ）；

}

}

在信號回調(diào)對象MSignalCallback中，獲取當(dāng)前驗電結(jié)果數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)對指示燈節(jié)點切換顯示“灰”“紅”子節(jié)點，就實現(xiàn)了驗電桿信號指示燈效果。同理也可用于其他的工具指示。

五、結(jié)語

以實操案例管理的思路開發(fā)變電站三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過變電站三維仿真平臺提供模擬變電站運行和操作的完整環(huán)境支持，結(jié)合可定制維護的教案系統(tǒng)，有效地解決了培訓(xùn)系統(tǒng)使用不易、教案與實際操作規(guī)程不符、教案制作維護困難等問題，使得變電站運維培訓(xùn)系統(tǒng)更加實用化，并在廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院的實際應(yīng)用中得到驗證。

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（責(zé)任編輯：孫晴）