基于VR虚拟现实技术的电力安全与操作虚拟培训系统研究与应用

2023-02-10

一、引言

安全可靠是建设坚强电网的最基本要求。面对严峻电力生产安全形势, 这就要求企业完善安全生产保证体系和监督体系, 提高电力员工对电力设备的操作能力, 降低电力施工中的事故率。而做到这一切的核心与根本在于以人为本, 从提升员工安全意识和提高素质出发, 强化员工安全工作意识, 加强电力员工安全生产教育培训, 提高员工的安全生产技能。基于VR虚拟现实技术的电力安全与操作虚拟培训系统, 在计算机世界中模拟了电力行业日常运行操作。通过对现实世界中电力设施实物建立对应的三维模型, 用数学模型对日常电力操作流程进行描述;在电脑中模拟了现实中电力企业完整的操作维护流程, 让电力员工能够在电脑中完整地学习日常的电力工作、操作各类电力设施, 让多名员工在模拟操作中相互配合, 完成一些在现实中需要多人配合的工作, 提高员工上岗培训的效率, 专业人员技术素质将有大幅度提高, 提高电力行业正确动作率, 保证电网的安全稳定运行[1]。

二、基于VR虚拟现实技术的电力安全与操作虚拟培训系统研究

系统通过建立对应现实世界中的三维模型, 以及数学模型的描述, 在电脑中实现符合公司生产实际情况的完整操作维护流程。

(一) 系统总体技术架构

主要以下面一些IT技术为核心:网络技术、flash应用和三维表现。

1. 网络技术

网络技术是整个设计方案实现的基础。为确保网络数据传输的带宽与稳定性, 使用TCP协议实现网络连接, 通过IP组播技术 (Multicast) 、实时传输控制协议 (RTCP, Real-time Transport Control Protocol) 、实时传输协议 (RTP, Real-time Transport Protocol) 等技术优化传输质量。

2. flash应用

Flash动画是我们当前熟悉的最具表现力的网络图形化应用形式之一, 它是一种交互式动画设计工具, 将音乐, 音效, 动画方便地融合在一起, 以制作出高品质的动态效果。它采用的是矢量绘图技术, 节省了文件大小, 在网络带宽受限的情况下, 提升网络传输的效率。

3. 三维表现

使用3D Max对人物、场景进行建模, 降低系统的资源耗费度和提高系统硬件适配性。构建场景设备:将电气设备制作几何模型, 构成虚拟场景的基础。以3D Studio Max作为建模工具, 应用多种建模方法和技术, 建立各种电气设备的几何模型;

构建虚拟场景:应用VRML技术构建虚拟场景, 包括各种设备几何模型的导入, 背景、灯光和用户视点等的设置, 实现漫游功能、人机交互等内容[2]。

(二) 系统需求设计与解决方案

系统分为平台子系统以及业务功能子系统。平台子系统作为支撑体系, 通过Web Service中XML Gateway对本项目的基础平台进行构架, 在此基础上实现对其他所有功能模块的支撑。通过平台子系统, 地对业务功能子系统各功能模块进行部署。业务功能子系统 (见图1) 作为系统主体, 其包含知识点仿真操作培训、系统信息统计、考核培训、综合信息管理平台、系统培训管理等模块。

1. 系统框架流程

系统采用B/S框架设计。系统框架流程见图2。

2. 系统功能流程

系统充分考虑采用软件进行培训的最大优势, 通过虚拟仿真训练的方式把各个专业的操作规程和安全规程以一种交互的方式体现出来, 从而达到全面、充分培训的目的。系统功能流程图见图3。

3. 三维建模技术

系统在开发过程中使用3D Max对人物、场景建模, 并使用了一系列三维建模的新技术来降低系统的资源耗费度和提高系统硬件适配性:

电力施工流程建模中需模拟雨、雪之类自然现象, 以及触电时火花四溅等状况, 使用粒子系统 (Particles System) 与空间扭曲 (Space Warps) 技术, 使用对应的环境渲染模型, 良好的平衡了系统资源耗费与系统表现力之间的需求。对人物建模而言, 制作标准的骨骼系统 (Bone System) , 存入我们的二次开发骨骼库。同时对于人物动作, 使用FK (Frontal Kinematics, 正向运动学) 、IK (Invert Kinematics, 反向运动学) 系统, 设定人物动作的物理学特性, 制作出独立的运动模型[3]。

三、系统平台应用

系统功能模块共设有变电运行、变电检修、输电、配电电缆、环网柜、主网带电作业、配网带电作业等12个专业功能模块, 选择“倒闸操作”功能模块介绍如下:

(一) 登录任务

(1) 运行系统, 单击“登录”, 弹出登录框, 输入用户名和密码, 登录见图4。

(2) 单击“变电运行”, 选择“倒闸操作”选项进入房间列表, 见图5。

(3) 选择“110k V玉石线162开关由运行转检修”任务加入, 见图6。

(4) 任务简介。作为监护人或操作人将110k V玉石线162开关由运行转检修。整个任务包括以下部分的工作:接受预令——生成操作票——接受正令——考问预演——操作开关——工具的选取——操作110k V玉石线线路闸刀——操作110k V玉石线母线闸刀——操作110k V玉石线跳闸压板EQP——操作110k V玉石线母线侧接地闸刀——挂接地线——修改模拟图板——汇报调度。

四、结语

系统应用VR虚拟现实技术, 将日常工作的操作流程以及安全规程以人与电脑人机交互的方式体现。员工通过该系统的日常学习, 可熟悉各专业要求的安全注意事项和操作规范, 避免降低设备误操作率。通过对电力安全与操作虚拟培训系统进行需求、系统分析, 分析面向对象的系统开发方法, 完成基于VR虚拟现实技术的电力工程施工管理系统的体系结构设计。基于《电力安全工作规程》、作业指导书等规程、规范, 分专业完成了12个功能模块的建设, 覆盖电力运行、检修、输电、配电、继电保护等各个专业。对其中的一些功能模块进行介绍, 以便读者可以了解系统。

摘要：电力安全培训是提升电力企业员工的技能水平, 确保电力系统安全、可靠运行的重要措施之一。通过VR虚拟现实技术, 模拟电力行业日常运行操作, 对现实世界中电力设施实物建立对应的三维模型, 用数学模型对日常电力操作流程进行描述, 在电脑中模拟了现实中电力企业完整的操作维护流程, 工作人员可以在电脑中完整地学习日常的电力工作、操作各类电力设施, 完成一些在现实中需要多人配合的工作, 从而提高了学习效果, 降低了电力教育成本。

关键词：电力安全与操作,虚拟培训系统,VR虚拟现实技术