［摘 要］針對(duì)目前變電站運(yùn)行中存在的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的安全警示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精密的3D 模型及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可營(yíng)造出無限接近于現(xiàn)實(shí)的訓(xùn)練與作業(yè)環(huán)境。試驗(yàn)證明，本方法可顯著提升作業(yè)工人的安全防護(hù)意識(shí)及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。未來，該系統(tǒng)有望在更多的電力設(shè)施中推廣應(yīng)用，提高整體的安全管理水平。

［關(guān)鍵詞］虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；教育培訓(xùn)；安全警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］TP391.9 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0003–03

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)換、分配及傳輸?shù)年P(guān)鍵任務(wù)。但其運(yùn)行過程中存在高壓、電弧閃及其他設(shè)備失效等諸多問題，易造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。

文章旨在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種變電站安全警示系統(tǒng)，以提高變電站工作人員的安全意識(shí)和應(yīng)急響應(yīng)能力。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱“VR”）技術(shù)是一種能夠模擬和創(chuàng)造虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過頭戴式顯示器、跟蹤系統(tǒng)、互動(dòng)裝置等設(shè)備及設(shè)施，使用戶能夠身臨其境地感受虛擬世界。

頭戴式顯示器是虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，將計(jì)算機(jī)生成的圖像投射到用戶眼前，使用戶可以看到虛擬環(huán)境。跟蹤系統(tǒng)用于追蹤用戶的頭部和手部運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。常用的跟蹤方法有慣性、光學(xué)、電磁等?；?dòng)裝置讓用戶可以通過手柄、手套、手寫筆等接觸、抓取、移動(dòng)虛擬物件，并做動(dòng)作辨識(shí)。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景

新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)變電站的安全管理提出了較高要求。目前，基于紙質(zhì)教材、視頻教學(xué)、實(shí)地演習(xí)等方式，存在著訓(xùn)練內(nèi)容更新困難、學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)困難、作業(yè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。

近年來，VR 技術(shù)的發(fā)展為變電站安全管理帶來了新的契機(jī)。VR 技術(shù)通過創(chuàng)建高度逼真的三維虛擬環(huán)境，使用戶能夠身臨其境地體驗(yàn)和操作，從而大幅提高了培訓(xùn)和警示的效果。利用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類險(xiǎn)情的仿真，并對(duì)作業(yè)過程中的作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行了及時(shí)反饋，從而提高了電力作業(yè)人員對(duì)作業(yè)過程的認(rèn)識(shí)和把握。

在這一背景下，文章提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站安全警示系統(tǒng)，旨在通過先進(jìn)的技術(shù)手段提高變電站的安全管理水平。該系統(tǒng)結(jié)合了高精度的三維建模、實(shí)時(shí)交互及數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，為操作人員提供了一個(gè)沉浸式的培訓(xùn)和應(yīng)急演練平臺(tái)。具體包括以下方面：①能夠判斷用戶的狀態(tài)，并記憶用戶在系統(tǒng)中的一切行為。②讓用戶在系統(tǒng)中真切感受到事故帶來的影響。③構(gòu)建不同類型的虛擬場(chǎng)景，并將錯(cuò)誤操作引發(fā)的后果展現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中，增強(qiáng)用戶的實(shí)際體驗(yàn)，安全警示教育效果更好。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 安全警示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安全警示系統(tǒng)中包含了用戶體驗(yàn)端、虛擬構(gòu)建單元、事故回顧模塊等組成部分。用戶佩戴VR 設(shè)施后，能夠在線上環(huán)境中與虛擬構(gòu)建單元進(jìn)行交互。在虛擬構(gòu)建單元中，建立了虛擬形式的事故體驗(yàn)平臺(tái)。通過事故回顧系統(tǒng)，幫助用戶回顧“事故操作”的具體情況。安全警示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下。

3.1.1 用戶體驗(yàn)端

用戶體驗(yàn)端包括VR 視覺模塊、VR 虛擬模塊。用戶體驗(yàn)端內(nèi)置信號(hào)連接模塊，可與數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶體驗(yàn)端內(nèi)置視覺模塊、聽覺模塊及感知模塊，能夠調(diào)動(dòng)用戶多種感官。當(dāng)用戶信息傳輸?shù)教摂M構(gòu)建單元后，系統(tǒng)自動(dòng)驗(yàn)證用戶信息。驗(yàn)證通過后，為用戶提供登入權(quán)限。若用戶是第一次登錄平臺(tái)，登錄后，由虛擬構(gòu)建單元為用戶發(fā)出錯(cuò)誤的操作引導(dǎo)。用戶獲取錯(cuò)誤的引導(dǎo)后，執(zhí)行錯(cuò)誤操作，由虛擬構(gòu)建單元生成對(duì)應(yīng)的事故場(chǎng)景。這種事故場(chǎng)景融合了音頻與視頻效果，能夠模擬用戶在事故場(chǎng)景中的受傷情況。隨后虛擬構(gòu)建單元反饋操作步驟及錯(cuò)誤解析信息，用戶可訪問事故回顧模塊，查看錯(cuò)誤的操作步驟及相關(guān)的解析信息。若用戶是第2 次或多次登錄，登錄后，如果操作步驟存在錯(cuò)誤，虛擬構(gòu)建單元根據(jù)用戶的錯(cuò)誤操作，反饋對(duì)應(yīng)的事故場(chǎng)景，讓用戶體驗(yàn)事故效果并回顧事故操作。如果用戶操作準(zhǔn)確，系統(tǒng)將用戶的操作過程及操作的次數(shù)存儲(chǔ)在記錄模塊中。

3.1.2 虛擬構(gòu)建單元

（1）事故場(chǎng)景構(gòu)建模塊。根據(jù)場(chǎng)景實(shí)際情況構(gòu)建模型，警戒線與模型保持對(duì)齊關(guān)系（2）事故效果構(gòu)建模塊。獲取事故場(chǎng)景構(gòu)建模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的爆炸效果，分析爆炸的狀態(tài)，關(guān)注火花、煙霧、爆炸痕跡等因素。

（3）修改默認(rèn)粒子模塊。獲取事故效果構(gòu)建模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，結(jié)合場(chǎng)景需求，明確需要調(diào)整的粒子個(gè)數(shù)，以及每個(gè)粒子的大小、范圍和速度。

（4）數(shù)據(jù)輸出模塊和事故體驗(yàn)平臺(tái)。分別獲取修改默認(rèn)粒子模塊反饋的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出模塊生成錯(cuò)誤操作引發(fā)的事故效果。用戶佩戴體驗(yàn)端，就能親自體驗(yàn)事故效果。

（5）事故回顧模塊。在該模塊中能夠顯示事故的內(nèi)容和原因，展示用戶操作中的錯(cuò)誤步驟，讓用戶知曉錯(cuò)誤的操作及導(dǎo)致錯(cuò)誤的原因。

3.2 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可定制性

當(dāng)設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全警示系統(tǒng)時(shí)，可擴(kuò)展性和可定制性是關(guān)鍵要素。通過模塊化設(shè)計(jì)、開放式體系結(jié)構(gòu)、可配置參數(shù)、數(shù)據(jù)接口與集成、可擴(kuò)充與可更新性等方面的考量，使該體系可以滿足不同的用戶需要，可以與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行無縫整合，并且可以向用戶提供個(gè)性化的功能與設(shè)定。這樣的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)更加靈活、可擴(kuò)展，并能夠滿足不斷變化的需求和技術(shù)進(jìn)步。

4 安全警示系統(tǒng)的應(yīng)用路徑

4.1 分析錯(cuò)誤操作

系統(tǒng)為用戶發(fā)出錯(cuò)誤的引導(dǎo)后，觸發(fā)虛擬構(gòu)建單元，并根據(jù)錯(cuò)誤操作呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的事故場(chǎng)景。系統(tǒng)反饋的事故場(chǎng)景具有圖文并茂、聲像俱全的特征。用戶利用體驗(yàn)客戶端，通過視覺聽覺模塊，聆聽事故場(chǎng)景中的音效，觀看事故場(chǎng)景中的畫面，多角度增強(qiáng)體驗(yàn)效果。在不傷害用戶的前提下，讓用戶獲得最真實(shí)的反應(yīng)。虛擬構(gòu)建單元在生成、反饋事故場(chǎng)景的同時(shí)，將錯(cuò)誤解析的信息反饋到事故回顧系統(tǒng)。用戶進(jìn)入到事故回顧系統(tǒng)后，能復(fù)盤此前的錯(cuò)誤操作及解析信息，對(duì)錯(cuò)誤操作原因理解更深刻。

4.2 建立事故場(chǎng)景

在安全警示系統(tǒng)的事故場(chǎng)景構(gòu)建過程中，以變電站的開關(guān)柜模型為例。對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行取材測(cè)量后，獲取開關(guān)柜數(shù)據(jù)，確保模型數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。開關(guān)柜的組成結(jié)構(gòu)包括開關(guān)柜的柜體上柜、中柜、下柜、后柜的柜門及內(nèi)部區(qū)域，以及柜門和區(qū)域中包含的構(gòu)件，如下柜內(nèi)部包括避雷器、銅片、零式電流互感器、電纜等組件。具體操作步驟如下：用戶導(dǎo)入構(gòu)建場(chǎng)景所需要的模型部件→調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，根據(jù)變電站的實(shí)際情況，擺放模型和部件，警戒線與模型排列對(duì)齊→通過操作場(chǎng)景界面中的燈光切換功能，關(guān)閉場(chǎng)景中的照明效果→在場(chǎng)景中添加墻燈，確保墻燈位置合理→利用點(diǎn)光源為場(chǎng)景添加燈光→通過檢查器設(shè)置燈光的亮度、色彩→場(chǎng)景設(shè)置完畢并檢查無誤→選擇房間，將攝像機(jī)加入房間→明確攝像機(jī)的最佳位置，以模擬攝像機(jī)的視角。

4.3 構(gòu)建虛擬化的事故效果

以變電站的爆炸事故為例，需要利用粒子特效。創(chuàng)建粒子物體后，選中創(chuàng)建的粒子并設(shè)置參數(shù)與形態(tài)效果。根據(jù)粒子的參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整粒子的大小，播放時(shí)間、變化路徑、顯示大小及播放速度，找到最佳的粒子狀態(tài)，還能在虛擬仿真環(huán)境中模擬粒子的特效展示效果。根據(jù)變電站爆炸事故的效果，分析爆炸事故的形態(tài)，包括火煙、火花、煙霧及爆炸后的痕跡。若要調(diào)整火煙、火花、煙霧，需要參考粒子特效的參數(shù)。事故效果構(gòu)建過程中，首先修改默認(rèn)粒子的基礎(chǔ)參數(shù)，隨后調(diào)整粒子的發(fā)射模式及形狀板塊，同時(shí)考慮粒子產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)及力對(duì)粒子的影響，然后調(diào)整粒子發(fā)生過程中的顏色與大小，以及單個(gè)粒子的渲染器與材質(zhì)。

4.4 體驗(yàn)安全事故過程

通過分析因開關(guān)柜帶電合接地引發(fā)的安全事故，分析安全事故發(fā)生過程。用戶進(jìn)入系統(tǒng)并發(fā)出體驗(yàn)請(qǐng)求后，系統(tǒng)在界面展示開關(guān)柜當(dāng)前的狀態(tài)，并提醒用戶按照順時(shí)針方向，扳動(dòng)接地倒閘的搖把。由于高壓開關(guān)柜帶電合接地，引發(fā)爆炸事故。事故結(jié)束后，前端界面中展示事故原因的文字描述內(nèi)容，回放事故全過程。用戶觀看事故回放后，系統(tǒng)從第三人稱視角描述開關(guān)柜的狀態(tài)，清晰展示開關(guān)柜事故的原因?；胤磐戤吅?，用戶可以重復(fù)體驗(yàn)開關(guān)柜的操作事故，或選擇并體驗(yàn)其他類型的事故，最終體驗(yàn)開關(guān)柜的全部事故類型。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于VR 技術(shù)的變電站安全警示系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的安全管理提供了一種創(chuàng)新且有效的解決方案。本項(xiàng)目采用了先進(jìn)的VR 技術(shù)，既可以對(duì)實(shí)際的變電站進(jìn)行仿真，又可以對(duì)各種危險(xiǎn)情況進(jìn)行演習(xí)，提高了工作人員的安全意識(shí)和緊急情況下的應(yīng)變水平。試驗(yàn)證明，本方法在實(shí)踐中效果明顯，可有效降低電力系統(tǒng)運(yùn)行中的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的綜合管理能力?；赩R 技術(shù)的變電站安全警示系統(tǒng)不僅是技術(shù)與安全管理的有機(jī)結(jié)合，更是推動(dòng)電力行業(yè)安全管理水平提升的重要一步。

參考文獻(xiàn)

[1] 方圓圻，聶宇本，葛乃成，等. 基于VR 技術(shù)的電網(wǎng)安全事故沉浸式體驗(yàn)技術(shù)[J]. 電力與能源，2022，43（6）：490-496，510.

[2] 林子杰，李澤瑋，黃平，等. 配電網(wǎng)智能安全警示裝置的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2022（22）：119-121.

[3] 蔣婷婷，張崇亮，劉志恩，等. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電網(wǎng)安全警示教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力與能源，2020，41（6）：711-713，717.

[4] 潘紅，武利軍，張文優(yōu)，等. 電力安全警示教育室在電力安全培訓(xùn)中的應(yīng)用分析[J]. 低碳世界，2020，10（11）：124-125.

[5] 李青，高巖. 電力企業(yè)VR 安全生產(chǎn)虛擬教育培訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用[J]. 大眾用電，2019，34（11）：40-41.

[6] 陳財(cái)，趙岱平，房雪雷，等. 電力安全警示教育室在電力安全培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]. 安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，24（2）：42-44.