虚拟现实技术在电力安全培训中的应用研究张志荣

虚拟现实技术在电力安全培训中的应用研究张志荣

张志荣赵俊超杭斌杜虎韩兆武刘博

(云南电网有限责任公司玉溪供电局云南玉溪653100)

摘要分析了传统电力安全生产培训形式存在的不足，提出了利用虚拟现实技术通过三维建模、碰撞检测和交互控制等方式实现电力安全生产教育操作控制、仿真故障处理、事故演习等功能，增强安全培训的交互性和生动性。实际应用结果表明，在虚拟现实技术支撑下的电力安全培训系统能够在有限的时间和空间内以其生动形象感和沉浸感，提高安全培训效果和质量。

关键词电力安全生产培训虚拟现实

1引言

电力安全生产管理到电力系统的安全稳定运行和电力企业生存发展，南方电网公司明确提出要开展事故处理的辅助决策和故障后系统安全水平快速分析技术研究的要求。电力工作者缺乏有效的安全培训和安全意识薄弱导致的违章行为是造成事故发生的重要原因之一。加强职工的安全培训，提高职工队伍的综合素质和安全生产能力是解决这一问题的关键。在电力生产过程中，新职工由于对复杂的电站操作环境、规程等都不熟悉，容易引发事故，而老职工虽然具有丰富工作经验，对安全规程比较熟悉，但是长期在艰苦且危险环境中工作，对事故往往产生了麻痹感，导致大量违章事故现象不断。常规的培训方式对于新老员工对事故的认识都缺乏深度认识感，因此需要新的安全培训方法。在电力生产这种高危险行业的安全培训中，不能让职工冒险到高空高压多种危险并存的场合进行实验，而又要让学员体验到由于自己违规操作所带来的后果，如高空作业，让学员有一种身临其境的效果，同时对于事故的认识产生一种刻骨铭心的感觉。虚拟现实技术的沉浸感、交互性正好满足了这种需求．它不仅从新的角度、以新的手段和方式认识、表现电力生产各种安全事故的形态、影响因素、发生发展过程及影响后果，还可以把事故发生过程、事故救灾和救灾决策过程、事故造成的重大影响“保存”起来，再现电力生产各种事故的预防措施。在安全培训中重现事故场景，可改变单调乏味的讲解式培训方式，使得新职工可以很快地熟悉工作环境的特殊性，老职工对事故形成更深的认识。目前VR在玉溪供电局安全生产教育培训中已获得初步推广应用，并取得一定的成效。本文在深入探讨虚拟现实系统研发关键技术的基础上，结合安全培训工作实际情况，研发了电力安全培训虚拟现实系统，以期培训更能切合安全生产的真实场景，提升培训的有效性，为培训工作及技术的持久化发展拓展新空间。

2电力安全生产教育培训虚拟现实系统功能

基于虚拟现实持术的电力安全生产教育培训系统包括安全生产教育展馆和安全生产教育综合管理系统，完成教育培训和相应的管理工作，以发挥电力安全生产教育培训虚拟现实系统的最大效益。

2.1安全生产教育展馆

（1）安全生产教育展馆资源动态管理

建立展馆资源动态管理平台，实现安全生产教育展馆内的视频、图片等资源动态发布。包括电力安全生产相关新闻动态及数据展示。

（2）安全生产工器具识别区

包括安全工器具放置和使用。变电站安全工器具的种类和数量较多，根据安全生产的相关规定，必须按周期进行试验，使用中也必须保证规格型号相符、使用方法正确。安全工器具放置包括安全帽、绝缘靴、绝缘手套、验电器、接地线、标示牌、绝缘杆和操作工具等。配置相应的场景及文字说明工器具使用和维护的基本要求，特别对于新从事运行工作的人员，可以利用本识别区快速掌握其使用方法。

（3）VR应用门户场景

梳理和规范相关子场景接口规范，为子场景动态发布奠定基础。包括变电站参观子场景实现相关参观导航及语言提示等；变电站实操演练子场景，封装和优化现有开关柜停电检修、倒闸操作应用，形成变电站实操演练子场景，与参观类场景分开，实现按用户需求的场景分解以及变电站操作模拟考试子场景，封装和优化现有开关柜停电检修、倒闸操作应用，形成变电站操作模拟考试子场景，与参观类场景分开，实现按用户需求的场景分解。

2.2安全生产教育综合管理系统

（1）安全生产虚拟体服务平台

构建VR虚拟体资源管理平台，实现虚拟体资源库管理机制、虚拟体资源分享平台、虚拟体拔插式热部署规范，以达到资源的共享，降低技术门槛，简化部署实施工作；建立电力MR虚拟体资源库，改造部分供电单位已实现的VR资源接口，实现资源整合；同时开发电力设备的VR虚拟体资源，实现VR中虚拟与现实实体的交互技术及方式。包括虚拟体库管理、虚拟体资源应用服务平台、VR互联互通交互平台；违章数据库及应用。

（2）安全生产知识考核平台

实现VR模拟考试与传统IMS在线考试系统的数据互通，打造多模式、多角度的安全生产知识考试体系，并结合违章数据库，实现动态跟踪及痕迹管理。

（3）变电站移动VR应用

制作500kV、220kV和110kV变电站全景，并在地图上进行GIS定位展示。并建立在用信息系统与VR应用统一用户登录平台，与考评系统进行数据对接，为VR模拟考评奠定基础实现多人联网协作应用，实现VR程序能够支持联网协同培训和操作，且实现局本部、各区（县）公司相互异地联网的功能。

3电力安监仿真培训系统采用的主要技术

（1）三维建模

包括几何建模、物理建模和行为建模。通过几何建模在虚拟的三维世界中根据需要表现的对象的尺寸形状建立模型和场景，再根据要求设定运动轨迹和其他参数，使模型的几何形状生动逼真。在建立的几何模型中，按照物理模型明确对象应具备的具体属性，建立相关的数学模型使物体的物理特性和运动特征符合认知特点。行为建模就是通过采用外部传感器以及外部接口相连接实现行为模型，使得虚拟设备能够真实体现实际设备运转等行为，确保虚拟设备与实际设备的客观规律相一致。一般三维技术与虚拟现实技术进行有机结合能够准确反映电力设备的综合信息，在多场景之间进行的综合培训更加逼真。这为三维场景能够为培训人员进行交互行动学习基本技能奠定良好的基础。

（2）碰撞检测

当创建了三维虚拟场景之后，通过碰撞检测技术才能使电力工作人员就能够进入到虚拟场景中进行演练，场景中的设备、人物等都可以用虚拟技术或者真实的人和设备来扮演。碰撞检测算法能够有效测算出不同场景下人、物的运动轨迹，以及由此产生的结果，为电力安全生产教育培训系统提供更真实的场景，并为在其中进行运动的人、物的运动轨迹或运动结果产生预测，为交互行为产生的结果提供设计依据。电力安全生产教育培训系统包含着不同的虚拟场景，每一个虚拟场景中包含了若干静止或运动的物体，进行碰撞检测运算能够有效提高虚拟场景的逼真感。

（3）交互控制

虚拟现实培训系统中需要具备由高性能的计算机软、硬件及各类传感器创建的使参与者处于一个身临其境的、具有完善的人机交互功能和启发构思的信息环境，能够为用户操作三维场景中的物体提供便利。交互控制相对于传统的培训系统，能够有效提高培训人员的学习积极性和学习兴趣，与环境进行交互能够有效提升培训人员的学习效果。交互设计能够让培训系统更便于满足目标用户的期望，在与场景进行交互的过程中掌握各种交互控制方式，及时对于行为动作进行强化。良好的交互性能够为电力安监仿真培训系统提供真实的沉浸感，培训人员通过控制系统与场景中的人或物进行交互，能够有效提高培训人员的专业技能和在不同场景下的综合能力。

4结束语

为满足电力作业人员培训需求，建立电力安全生产教育培训虚拟现实系统，利用生成的交互式三维计算机图像、变电站模拟环境、高空作业场景和仿真各中作业场景故障的发生过程，再现事故处理过程，可以使接受培训的职工置身于作业环境中，而且使他们能在安全、可控的环境中获取相关知识和技术，突破了时间和空间的限制，为电力作业人员培训带了极大的便利，有效提高了电力企业的工作能力。

参考文献:

[1]胡美慧,陈淑婷,郭江涛.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统[J].科学与财富,2016(24):56.

[2]陈奇朋,罗滇生,胡强等.基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统[J].计算机工程与应用,2013(11):232-236.