三维仿真电力安全论文

摘要：由于电力电缆埋于地下无法直观看到，对电缆的管理难度相比较架空线路管理要大，而现有的管理模式存在着诸多的缺陷，因此需要设计新的电缆管理系统来加强对电缆的管理。基于三维仿真技术的电力电缆管理系统以三维仿真技术为依托，借助GIS技术和PMS系统，采集和管理电缆数据，并为提高电缆管理的效率和精度提供了技术支撑和保障。今天小编为大家精心挑选了关于《三维仿真电力安全论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

三维仿真电力安全论文 篇1：

安全教育仿真在抽水蓄能电站的应用

摘  要：将三维动画仿真系统用于抽水蓄能电站安全教育培训，可以更直观，清晰地展现出设备安全，检修等多种信息。本文用该系统演示了溧阳抽水蓄能电站的整体布局介绍、安全警示标志学习、电气与机械部分的注意事项等，描述了在抽水蓄能电站检修管理时的操作规范，注意事项，安全交底等内容，凸显出通过三维仿真技术来进行电站检修管理培训的优势，把现场实操总结的经验通过三维仿真技术还原并进行加工展示，达到对更多员工的安全教育仿真培训工作，为其它类似仿真培训系统的建设提供参考和依据。

关键词：抽水蓄能电站  三维可视化  检修管理  仿真培训

Application of Safety Education Simulation in Pumped                Storage Power Station

XIE Mingjie1   CHENG Shuguan2  ZHONG Ming1  LIANG Li1  XIAO Xianzhao1

（1.Jiangsu Guoxin Liyang Pumped-storage Power Generating Co. Ltd， Liyang，Jiangsu Province，211108 China;2.Ming Zhu Water and Hydropower Construction Co. Ltd，Sanmenxia，He’nan Province，472000 China）

抽水蓄能电站在机组的运行及控制等方面与传统的水电站存在着差别，其系统規模的增大，机组的复杂性和先进性的提高，使得运检人员无法得到全方位的模拟培训[1]。例如，在运行人员的岗位培训时，不能对运行的电站系统设备进行实际操作试验，在一些危险地方检修不便时，更不允许人为设置一些故障让学员观察并进行处理;在工作人员安全教育培训时，由于现场拍摄视频不清晰，很难表达出电站的整体的效果，达不到安全教育培训的目的。这就需要有一种现代化的培训方式应用于抽水蓄能电站，使得电站的运行维护和检修人员对电站有一个全面，系统，有效的认知[2-4]。

三维仿真技术是现代化培训工具的发展趋势，研究三维仿真技术，建立抽水蓄能检修培训系统，能够将仿真对象的内部结构，运行方式展现的更直观，真实性高，模拟画面清晰，将很大程度提升运行维护和检修相关技术人员的技术水平及安全意识[5-7]。本文根据溧阳抽水蓄能电站的三维仿真视频成果，凸显出通过三维仿真技术来进行电站检修管理，安全教育培训的优势，把现场实操总结的经验通过三维仿真技术还原并进行加工展示，达到对更多员工的安全教育培训工作。

1  电站工程概况展示子系统

江苏溧阳抽水蓄能电站地处江苏省溧阳市平桥镇伍员山，电站主要分成上水库、下水库、地面开关站及地下厂房四大部分。地下厂房为地下洞室结构，主要分成有主厂房、副厂房、主变洞、尾闸洞及各排水廊道等;主厂房分成发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层，主厂房与副厂房相邻布置，副厂房与主变洞通过联系廊道连接，主变洞与尾闸洞通过消防联系廊道连接。

从溧阳抽水蓄能电站的基本布置组成与作用、在电网中发挥的作用，抽水以及发电原理与常规水电站之间的差别等方面，将安全教育仿真分为电气安全技术交底，电气检修安全交底，机修安全技术交底，机械检修安全交底，人员进场安全教育五个部分;由于涉及的设备种类繁多，相应的展现形式必须和检修操作规程相结合，做到有针对性的描述每个设备的检修要点和管理培训。按上述五大部分进行培训内容分类索引，实现不同知识的安全教育培训。

2  电气安全技术交底

通过三维检修场景内动画适当的检修场照片展示以及相应的文字标识，展现出现场检修作业管理的基本要求和措施，具体应用情况如下。

（1）以检修作业的三维场景为背景，描述后期包装展示及检修工作完成后的各项注意事项等。

（2）三维展示风洞口动画，以风洞为背景，后期包装展示对应的图片和文字，描述发电机工作的注意事项等。

（3）以系统图为背景，三维展示气体泄漏的检查动画、电机电源检查动画、检查开关连接动画和螺丝紧固动画，描述15.75kV系统工作的注意事项等。

（4）三维展示工作现场，主变电设备以及三维模型展示结合后期包装展示控制柜断电检修来描述主变系统的工作注意事项和自动化、电气二次盘柜检修工作的注意事项等。

在进行电气安全技术交底的过程当中，由于电气设备的种类繁多，试验的内容覆盖面广，使得现场培训的难度较大，达不到完整的培训效果，通过三维仿真动画，用三维立体的形式形象展现出了每种设备的内部结构，主要部件，能够使工作人员全面具体的掌握设备的内部结构和工作原理。同时，能够清晰地描述试验现场的试验条件和试验背景，最重要的是在培训过程当中能够保证工作人员和实验设备的安全，更好的落实安全教育仿真在抽水蓄能电站的应用。

3  电气检修安全交底

江苏溧阳抽水蓄能电站电气检修主要包括主变压器检修、厂用电检修、发电机出口设备检修、GIS检修、励磁系统检修、监控系统检修、继电保护系统检修及其它涉及电气部分的检修，具体应用情况如下。

（1）主变压器检修：包括三维主变顶部及顶部场景内防坠措施的动画，三维检修场景内脚手架搭设动画，三维表现消防带挪移动画，以及三维表现硅胶更换、取油样动画等。

（2）厂用电检修：用文字描述三维表现厂用电检修场景动画，包括高压开关柜清理时注意事项动画，电缆试验动画及注意事项，以及用盘柜清理注意事项等。

（3）发电机出口设备检修：三维展示发电机出口设备检修区域带电设备的隔离、检修动画，断路器检修、隔离措施的动画，励磁变内部清理的注意事项，以及电流互感器检查或试验时的防坠措施等。

（4）GIS检修：三维展示GIS设备场景的防坠措施动画，以及出现场设备检修场景时的注意事项等。

（5）电气二次设备检修：三维展示盘柜及验电动画，励磁系统检修时的安全隔离动画，二次盘柜清理、端子紧固时的注意事项，以及后期包装展示防止误动的措施等。

通用部分主要包括：施工人员的三维模型展示、三维动画展示工器具的检查 、三维动画展示作业现场的照明，同时后期包装非专业照明设备与可照明的工具，然后展示三维检修场景以及一系列三维模型检修展示动画。

通过电气检修安全交底的三维仿真动画，对设备管理和检修过程标准化，能够使工作人员规范和系统的学习掌握对各种电气设备进行电气检修的标准化作业流程，提高设备检修管理的效率和准确度，大幅度节约检修成本，并且能够在安全教育仿真系统中，将仿真培训和实操培训相互结合，使培训生动形象，提高实际操作的安全性，养成良好的安全行为习惯，提升培训质量和培训效果。

4  机械安全技术交底

溧阳抽水蓄能电站机械设备主要包括发电电动机、水泵水轮机、球阀、调速器、尾水闸门及机组技术供水等辅机系统。通过三维仿真动画，描述水泵水轮机工作的注意事项，调速器、球阀、尾闸系统工作的注意事项，以及辅助系统工作的注意事项等，具体应用情况如下。

（1）现场检修作业管理的基本要求和措施：以检修作业的场景为背景，展现出后期包装安全隔离措施的执行，各工器具的图片并以文字说明如何处理不合格的工器具，以及用三维分画面展示蜗壳、尾水及压力器的照明动画等。

（2）水泵水轮机工作的注意事项：三维展示进入水轮机的动画，画面切换至机组放空动画;三维展示水车室、蜗壳、尾水入口处图片;三维动画展示检修人员入水车室，顶盖孔洞的封堵动画，元件、设备的保护措施;以三維场景蜗壳和尾水管为背景，后期包装注意事项的文字;三维展示导叶间隙动画，尾水管检修平台的搭设，尾水管检查动画，以及相关设备的安全防护装置;以三维水轮机场景为背景，后期包装展示电焊和消防器材的图片;双屏以三维动画展示蜗壳、尾水管的三维场景等。

（3）调速器、球阀、尾闸系统工作的注意事项：三维展示调速器、球阀、尾闸系统场景的图片，以及后期包装油压装置泄压、电气隔离的图片;三维展示电磁阀的拆卸动画并展示相应的注意事项，油水气管路的三维场景，拆卸动画，压力油罐的检修场景以及压力油罐场景内脚手架搭建、安全绳使用的动画;以三维油罐、回油箱的场景为背景，展示后期包装相关注意事项;三维展示油泵检修场景，后期包装润滑脂和电机接线的图片等。

（4）辅助系统工作的注意事项：以多画面展示相关系统的三维场景，三维展示调相压水汽罐的压力表动画;三维展示油水过滤器的清扫动画，电机检修前的验电动画，后期包装润滑脂的图片，电机接线回装动画，以及调相压水系统的场景内脚手架的搭设动画等。

在进行机械安全技术交底的过程当中，由于机械设备普遍体积较大，价格昂贵，操作复杂，使得操作和学习此类设备很不方便，针对这种实际情况，通过机械安全技术交底的三维仿真动画，将大型机械设备的三维模型，载入到三维虚拟场景当中，工作人员可以对大型机械设备的三维场景进行任意角度的观览，更好的落实安全教育仿真在抽水蓄能电站的应用。

5  机械检修安全交底

江苏溧阳抽水蓄能电站机械检修主要包括发电机检修、水轮机检修、调速器系统检修、进水球阀系统检修，三维仿真具体应用情况如下。

（1）发电机检修：通过三维展示发电机系统检修时的注意事项及发电机内部的动画等。

（2）水轮机检修：通过三维展示水车室、蜗壳、尾水管的场景及盖板起吊动画和蜗壳、尾水管动画的注意事项。

（3）调速器系统检修：通过三维展示检修场景的安全隔离措施，及带压部位压力的展示等动画。

（4）进水球阀系统检修：通过三维展示进水球阀及其检修场景，以画中画展现各部位场景以及防坠措施。

通用部分的应用情况主要包括：三维展示作业场景，检修区域动画，设备外壳接地动画，电气工具切断电源动画，管道法兰和阀门的螺丝的矫正动画，上、下交叉作业场景的安全措施等动画;以三维检修场景为背景，展示后期包装禁止事项的图片，并以文字包装说明相关的注意事项;以千斤顶为背景，不正确的使用方法以画中画形式展现;以三维高空作业场景为背景，并以文字包装说明等。

通过对机械检修安全交底的三维仿真动画，能够使工作人员规范和系统的学习掌握对各种机械设备进行机械检修的标准化作业流程，提高机械设备检修管理的效率和准确度，有利于大幅度的节约检修成本。同时，本系统应用于检修人员的培训，提高了培训质量，凸显了安全教育仿真在抽水蓄能电站应用的好处。

6  人员进场安全教育

人员进场安全教育的三维仿真动画主要包括安全管理，现场文明环保以及应急管理三部分，具体应用情况如下。

（1）安全管理：三维进场场景的全景展示，包括刷卡区、限速牌的特写镜头，后期包装人员照片;以三维厂区图为背景，后期包装展示各安全措施;以三维工作现场为背景，后期标注禁止的事项;三维场景展示蜗壳、锥管、回油箱、油罐场景，物孔围栏，单位标识严禁的注意事项;及以电站现场为背景，展示电站管理制度等。

（2）现场文明环保：三维展示工作区域内的相关防护动画，货架及相关注意事项的动画;以检修场景为背景，重点的文字标示等。

（3）应急管理：三维展示主厂房的位置信息，地方厂房的照明场景、人员携带手电入厂和停电后的撤离动画，厂房内的电器设备、人员触电和断开电源的动画，以及利用视频或图片按照文字描述对心肺复苏的操作流程展示等。

通过对安全管理、现场文明环保以及应急管理三部分的三维动画仿真演示，描述了进场场景的全景，电站管理制度，工作区域内的相关防护动画，以及人员应急安全管理。凸显了对从业人员进行安全生产教育培训的必要性，保证从业人员具备必要的安全生产知识，熟悉有关的安全生产规章制度和安全操作规程，掌握本岗位的安全操作技能。

7  結语

本文以溧阳抽水蓄能电站为模拟对象，通过三维动画仿真演示电站的整体布局介绍，安全警示标志的学习，以及电气与机械部分的注意事项，展现了三维仿真在抽水蓄能电站管理培训中的应用效果。

三维仿真技术可以使技术人员迅速了解抽水蓄能电站，通过三维虚拟检修环境，将现实场景通过三维形式展现出来，操作人员可实现检修设备和检修场景的全方位查看，近距离了解大型设备的内部结构细节，工作原理以及检修过程，同时也避免了人员与现场设备的直接接触，避免一些不必要的事故发生，达到更好的安全教育培训的目的。

参考文献

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作者：谢明杰 程书官 仲鸣 梁力 肖先照

三维仿真电力安全论文 篇2：

基于三维仿真技术的电力电缆管理系统设计

摘 要：由于电力电缆埋于地下无法直观看到，对电缆的管理难度相比较架空线路管理要大，而现有的管理模式存在着诸多的缺陷，因此需要设计新的电缆管理系统来加强对电缆的管理。基于三维仿真技术的电力电缆管理系统以三维仿真技术为依托，借助GIS技术和PMS系统，采集和管理电缆数据，并为提高电缆管理的效率和精度提供了技术支撑和保障。

关键词：电缆管理;三维仿真;GIS

0 引言

电力电缆是城市规划和管理的重要基础设施，随着城市的发展，电缆规模不断扩大，结构也日益复杂，尤其是在地下形成了大规模、错综复杂的电缆网。为了加强对电缆的管理，提高电缆管理的效率和精度，必须对现有的管理系统进行不断创新和改造，以适应新的发展要求。

1 传统电力电缆管理模式分析

现阶段，对电力电缆的管理模式主要有两种。一种是传统的人力管理模式，即人为将电缆编号标示在电缆井口，然后根据这些标识绘制电缆走向图。尽管这种方法在过去很长一段时间内对管理电缆起了重要作用，但是仅靠人为经验来维护电缆，存在着较大的风险。一旦出现判断失误导致电缆被误开挖，就容易导致不同程度的事故，严重的还会出现人员伤亡。因此，随着电缆结构的日益复杂以及电力用户对电力可靠性的要求越来越高，人力管理模式已经不能适应现代化的电缆管理方式。

第二种是基于二维GIS技术的管理系统，通过GIS二维定位采集数据，并将采集到的数据在GIS系统上进行标注。尽管相比较人力管理模式，GIS电缆管理系统能够大大提高电缆管理的精度和准度，但是还是存在着诸多缺陷。而电力电缆通过城市的地区地理条件比较复杂，与众多电力线路和通讯线路交叉跨越，电缆位置与地理空间位置密切相关，特别是在垂直方向上的层次信息尤为重要。二维技术仅能观测到X轴和Y轴的平面数据，难以处理三维立体的复杂数据，这就导致在对故障点的定位时，准确度会产生一定影响，从而影响电缆抢修的及时性。同时，由于无法有效描述电缆的空间位置、通道形状等，容易影响到其他施工单位，甚至导致其他施工单位在施工时破坏到电缆。

2 基于三维仿真技术的电力电缆管理系统设计

基于以上分析，当前迫切需要对电缆管理系统进行创新升级，借助现代化的科技和管理手段搭建自动化、定量化、现代化的电缆管理系统，对电力电缆进行有效精准管理。目前，国内已开展了电网三维显示方面的研究。因此，本文提出基于三维仿真技术的电力电缆管理系统，该系统以移动定位技术、虚拟现实增强技术、三维激光扫描技术、实景地理信息系统为基础，能够有效解决当前电力电缆管理的不足，提升电缆线路安全运行水平，接轨智能化运检管控模式，推动电网智能运检不断创新。

构建一个良好管理系统首先要对数据进行规范化。电缆运行管理过程中涉及大量的数据，且数据关系复杂、类别繁多，既有大量的属性数据，如施工图、施工录像等各种图件，又有运行管理的各种申请、审批报表等。如何对其进行有效的贮存、管理和利用是管理系统考虑的首要问题。

2.1 数据分类

根据调研和相关文献，本文中将电缆数据分为空间数据、属性数据和业务数据。空间数据包括地理空间数据、图形空间数据以及拓扑数据。属性数据包括设备属性数据、系统配置数据，接口数据。业务数据为系统业务数据以及文档数据。其中，空间数据和属性数据是电缆系统数据管理的重点。针对这些不同类型的数据，系统在组织和处理上也会有所不同。

其中，空间数据采用的是三维定位，即空间位置（地物在地图中的位置）、相对位置（地物实体间的拓扑关系）及空间属性数据（描述地物的特征）。通常而言，空间数据主要包括：各个输电设备在三维空间中的矢量点、线、组合模型的相关位置信息; 地形等高線数据;相关电力及线路走向和交叉情况以及变电站接线图、平面布置图、输电线路断面图、杆形设计图以及各种工程图纸数据。

属性数据既可以是对某一个输电设备具体化的数据，也可以是某一个对象表格化的描述从而能够为决策者提供有用的辅助决策信息。属性数据主要包括电缆的电压等级、容量、线路起止点描述、接头资料、运行方式、历史维护检修记录和实时运行信息等。

业务数据既包括系统在处理各种业务中所储存的数据，也包括管道与电缆线业务流程管理审批中所提交相关文档、图片等文件格式类数据。

2.2 数据的连接

连接不同的数据就需要建立完善的数据库结构，通过合理划分数据库，并结合电缆管理的实际需要，将空间数据与属性数据进行连接。在打开地图数据源时，要求能够获得数据标识码，并在数据库系统中查询设备属性数据库，如果查询通过就可以将空间数据与属性数据相连结了，从而获得电缆管理所需要的数据。反之，如果在查询属性数据库时没有查询到相关设备属性数据，就需要对设备数据进行添加和更新。

2.3 系统整体架构

三维仿真电力电缆管理系统在应用时涉及的功能比较繁多，因此其设计相对二维系统要复杂很多。系统的主要架构分为四层，包括数据获取层、数据层、服务层和应用层，具体如图1所示。

在数据层，通过三维激光扫描技术对电缆工井、附属设施、电缆通道、电缆轨迹等进行精准定位形成三维数据，同时建设设备电子编码标识系统，建立电缆通道三维模型及设备基础数据标准化数据库，实现与GIS和PMS系统数据交互，为智能化运检平台提供高效、精准的后台数据。通过数据层和服务层，最终实现电缆、通道及管孔资源可视化，电缆通道与道路河流等多维度关联信息分析，电缆通道资源查询及通道资源审批，实现电缆运维单位、规划设计单位对电缆及通道资源“一清二楚”，提升电缆及通道精益化管理水平。

2.4 系统功能设计

基于三维仿真技术的电力电缆管理系统主要能够实现的功能除了二维系统的图形编辑、图层控制、图像操作等常规功能外，更重要的是能够提供三维展示，基础台账、缺陷统计等查询统计功能，数据录入、更新等数据管理功能，电缆规划、资源审批等辅助设计功能以及故障检测、设备管理等运行管理功能。相对于传统的三维管理系统，三维管理系统能够完善以下功能的实现。

2.4.1 完善基础台账

建立电缆信息资源采集标准，完成存量电缆通道、管沟资源测绘，进行基础数据的全面普查，建立增量电缆及通道“同建设、同采集、同运维”机制，开展电缆资源数据常态化核查，最终形成以图形化方式展示35kV及以上电压等级电缆线路回路数、长度及运维责任区段，并能够以电缆电压等级、设备类型、运行时间、运维单位等多维度进行统计和展示，为电缆精益化管理奠定基础。

同时，基于历年来电缆故障和缺陷典型案例分析，以及通道的综合治理典型案例数据，建立电缆及通道情报数据库，并动态更新，为设备状态综合评价、差异化检修计划、抢修预案等提供数据支撑。

2.4.2 提升基础数据多维度应用深度

深化应用PMS2.0系统电缆及通道资源信息，多维度展示各地区电缆及通道资源规模、通道及工井变化趋势、隐患缺陷，以及电缆及通道异常数据告警，实现电缆及通道资源精益管理。通过电缆名称、电缆通道、道路等任一维度可进行信息资源互查，实现电缆本体、接头、通道、环境等多维度信息关联分析，为电缆规划、现场交底等提供支撑。同时，以图形化展示管道截面、工井剖面、管孔占用等通道资源，为通道运维、资源审批等提供支撑。

2.4.3 通道资源全过程管理

实现电缆路径最优规划功能：通过设置起始井、终止井信息，根据通道类型、通道可用率、通道材质、通道大小等相关信息，图形化展示现有通道及待建通道，为新增电缆路径设计方案提供参考依据。

同时，可以规范电缆资源审批流程。支持电缆可用通道资源查询，建立规范的电缆通道资源申请、审批、预留及占用机制，实现电缆通道资源使用全流程精益管控，避免通道资源不规范占用，实现通道资源利用最大化。

2.4.4 三维展示

采用三维模拟技术对地下电缆及通道查阅、全景模拟浏览，实现电缆及通道基础数据的数字化、可视化、实景化管理。

2.4.5 快速定位

运检人员利用手持式移动作业终端实现对电缆线路精准定位和三维电缆数据的实时访问，可以随时调用电缆线路最新的状态数据，实现电缆通道及线路的巡视和消缺管理，提高电缆日常运行维护效率，提升电缆通道健康管理水平。

2.4.6 防外破、防火等防灾、减灾功能

针对电缆通道沿线施工点多面广、相对孤立分散、夜间临时性施工多、运维力量相对薄弱等现状。基于三维成果，可提供精确的电缆埋深资料以及与其它市政管线的相对位置关系、管孔防火封堵情况，为通道隐患分析、通道隐患应对策略等防外破措施制定提供基础信息。利用在防外力破坏定位预警定位装置以及外破视频监控设备，整合大数据资源，建立电缆防外力破坏管控平台。

同时，通过安装在电力电缆及通道上在线监测装置，实时展示线路运行状态。如利用在线环流监测、温度监测和局部放电监测，对中间接头、电缆终端等电缆重要部位进行数据远程监控，实时掌握电缆环流、电缆温度、电缆线芯及表层局部放电频谱等实时数据，设置数据异常报警功能并按照嚴重等级发送报警信息。

3 实例应用

以实现基础台账的完善和三维展示为例，实现对系统的应用。

（1）完善基础台账。对全省35kV及以上电压等级电缆线路回路数、长度及运维责任区段，并能够以电缆电压等级、设备类型、运行时间、运维单位等多维度进行统计和展示，如图2所示。

（2）三维展示。采用三维模拟技术对南部某城市东南某一景区10.8平方公里示范区域内地下电缆及通道查阅、全景模拟浏览，实现电缆及通道基础数据的数字化、可视化、实景化管理，如图3所示。

4 结语

传统的电力电缆管理模式存在着诸多的缺陷，为了提高电缆管理的精度和效率，设计出基于三维仿真技术的电力电缆管理系统。在三维仿真技术下，电力电缆管理系统可以有效收集和管理电缆数据，并通过三维模拟来对相关参数进行综合分析，为决策人员提供有效信息。在未来的发展中，三维精准数据技术在电缆的智能化管理应用中仍可继续挖掘，不断提高管理系统的运行效率。

参考文献

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作者：刘燕平 丁祥 陈天宜

三维仿真电力安全论文 篇3：

输电线路运检三维仿真培训系统的设计与开发探讨

摘要：在保证人员安全的前提下，为进一步提升培训效果，提出了一种应用于输电线路运行与检修的三维仿真培训系统。该系统基于虚拟现实技术开发，利用三维建模技术以及线路元件参数还原了输电线路的虚拟场景，采用可视化交互技术使培训人员与虚拟场景进行交互，使用Quest 3D搭建平台实现了培训系统的各功能模块。主要介绍系统的特征、功能以及系统开发与实现过程中的关键技术。该系统电力企业培训带来了一种有效的方式，弥补了传统培训的不足，提升了培训效果。

关键词：输电线路；运行与检修；虚拟现实；仿真培训

输电线路运检工作的业务范围涵盖了超特高压交、直流所有电网的运行维护和检修，具有高智力、高技能、高风险等特点，对工作人员的理论素质和操作技能都有很高的要求，但是目前针对运检工作的各种培训方式都存在一定的缺陷，极大地限制了培训效果。为弥补传统培训的不足，本文提出了基于虚拟现实技术的输电线路运检的三维仿真培训系统。

近年来，虚拟现实技术逐步应用在电力培训中，如文献[1]提出了一种变电站仿真培训系统，文献[2]设计开发了有关电力安全的仿真培训系统，但是这些系统仅限于仿真软件的开发，交互性不强且培训模式单一，使得培训效果没有得到较大的提升。本文提出的培训系统既具有虚拟现实技术的全部特点，又提出了完整的培训模式。在实际培训中由理论知识到实际操作，由学习到考核，建立了完整的培训体系。培训人员可在循序渐进的学习过程中全面提升自身的理论素质和技能水平，大大增强了培训的效果。

一、系统特征及功能

1.系统特征

虚拟现实的应用范围非常广泛，包括科学可视化、设计与规划、教育与培训、遥感操作、艺术与娱乐等领域。[3]在输电线路运行与检修的培训中采用虚拟现实技术能为培训人员提供的视觉、听觉和触觉反馈，得到几近真实的感受，与现实教育培训基地或设施相比，输电线路运检三维仿真培训系统具有仿真性、可操作性、对应性的特征，能够在保证培训人员安全的前提下提升培训效果。具体特征如下：

（1）仿真性。仿真性是指培训系统实现了对输电线路运检的工作现场、工作流程及操作动作的全仿真。受训者在构造的输电线路虚拟场景中，通过自由变换虚拟场景的视角，可以浏览到输电线路的所有元件以及虚拟人物的动作细节，仿真了整个作业现场；通过体感设备，培训者可以做出动作与虚拟设备发生交互，从而仿真了作业中的实际操作。系统的培训效果与仿真性有直接关系，只有在如同真实的环境中进行实际操作才会使培训人员尽可能学习到作业的关键技术、危险点等。

（2）可操作性。可操作性是指仿真培训系统采用与实际工作中相对应的操作设备，这些设备为培训人员提供了接近真实的操作方式。[4]如受训者在培训系统中正在进行某项停电检修作业，作业中需要工器具时培训人员能够抓取虚拟的工器具，并使用工器具对虚拟设备进行操作。可操作性是虚拟培训系统实际运用的必备特性，培训人员可以主动地在虚拟的输电线路工作环境中进行作业，通过对感受到的信息进行思考和分析，形成自己想要的动作或策略，通过操作设备反馈给系统，实现与系统的交互和控制。[5]

（3）对应性。对应性是指培训系统是有针对性的培训：一是培训方式对应实际工作，现在输电线路运检三维仿真培训系统中按照不同的电压等级、不同的作业项目进行输电线路运检工作的讲解，具体作业项目如运行工作中的线路定期巡视、测量工作中接地电阻测量、停电检修工作中500kV停电清扫污秽绝缘子、带电作业中500kV带电更换单片绝缘子。二是培训对象对应不同人员的自身状况，对不同基础、能力和培训状况的学员开展针对性的培训。

2.系统功能

输电线路运行与检修三维仿真培训系统的主要功能模块的划分如图1所示。主要包括基础分析、仿真训练、考核评价、培训管理。培训是一种由理论知识到实际操作、从学习到考核的循序渐进的过程。

（1）基础分析。基础分析借助输电线路的三维仿真场景，将典型500kV线路的组成包括导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础、接地装置等进行一一展现及介绍，让学员在进实操培训前，学习掌握到输电线路基础知识。

（2）仿真训练。仿真训练主要帮助培训人员提升操作技能，是通过具体的作业项目进行培训的，如测量工作中接地电阻测量。培训人员通过控制设备与虚拟场景进行交互，掌握作业流程、作业关键点以及危险点等。此时可进行单人操作练习，也可以利用网络技术进行多人的协同作业，在仿真作业的同时，培训人员可以随时进行资料查询，包含作业指导书、各项规程标准等资料。

（3）考核评价。考核评价的目的是在阶段性培训后对学员的学习情况进行评定，包括理论考试和实操考试。理论考试主要包含作业指导书、电力安全作业规程、工器具使用等基本内容；实操考试是在仿真训练的基础上开发的考试模式，对学员的各项操作进行考核，评估学员的实操水平。

（4）培训管理。培训管理的目的是保证仿真培训工作的有序开展，贯穿于整个培训过程。培训管理主要功能包括：账号管理、考核评定和资料管理。各项功能由管理员控制，主要用于建立学员学习档案，管理学员信息和成绩，方便教师设置考试科目、考试内容，管理员也可以随时编辑，补充资料查询功能模块的内容。

二、系统开发与实现的关键技术

虚拟场景是构建输电线路运检三维仿真培训系统的基础，一个逼真的三维模型场景能对使用者构成强大的视觉冲击，所建立的场景越真实培训效果愈好。本系统利用 3ds MAX 平台进行输电线路各元件模型的构造，主要采用层次建模法，即先设计出模型的各种零部件，然后进行整体装配。同时，通过 3ds MAX 的材质和贴图系统、灯光系统等提高三维模型的真实度。

虚拟场景要想引人注目，必须是动态可交互的。[6]本文基于Quest 3D搭建整个仿真系统的底层平台，将所建立的三维模型导入到Quest 3D中，利用Quest 3D开发各项功能模块实现培训系统的交互功能。在功能模块的开发中需要解决各项具体问题，如碰撞检测问题就是检测不同模型是否发生了碰撞，就像现实中两实体之间是不会发生交叉重叠的一样，在虚拟场景中两三维模型之间也不能发生穿透的现象。[7]在平台中采用层次包围盒方法进行实时碰撞检测，其基本思想是通过建立对象的包围盒层次来逐渐逼近对象的几何模型，从而用体积略大而形状简单的包围盒代替复杂的几何对象参加碰撞检测，通过包围盒间的相交测试快速地排除不相交的基本几何元素，以减少相交测试的次数。[8]利用Quest 3D进行实时检测的精确性及响应速度完全满足于本系统。通过解决碰撞问题系统将大大增加真实感。最终表现如图2所示，图中展现的是在500kV带电更换单片绝缘子的作业项目中，等电位电工进入等电位的动作。

三、结语

将虚拟现实技术应用到输电线路运检的三维仿真培训方法突破了传统教学方法的局限，具有实用性、互动性、娱乐性等特点，是虚拟现实技术在电力培训上的具体应用。通过完成对三维模型建模、场景搭建、碰撞检测等等问题的处理，建立输电线路运检三维培训系统，其高度仿真性、操作性以及对应性的特点提高了培训的效果，但是目前限于计算机软、硬件技术水平，虚拟现实系统还只能达到部分真实感的程度。随着技术的不断发展以及电力行业对安全的重视程度，虚拟现实技术在该领域的应用会将更加深入，仿真培训方式也将逐步成为输电线路运检三维仿真培训的重要手段。

参考文献：

[1]漆晓霞.基于虚拟现实的变电站仿真培训系统的研究[D].北京：华北电力大学，2009：1-58.

[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，2012，（3）.

[3]李锦涛，刘国香，等.虚拟环境技术[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[4]陈定方，罗亚波.虚拟设计[M].北京：机械工业出版设，2002：82-106.

[5]周泽伟，冯毅萍，吴玉成，等.基于虚拟现实的流程工业过程模拟仿真系统[J].计算机工程与应用，2011，4（10）：204-16.

[6]B Anderson，A McGrath.Strategies for Mutability in Virtual Environments[C].In：J Vince，R Earnshaw eds.Virtual Worlds on the Internet，Los Alamitos. Calif：IEEE CS Press，1988：123-134.

[7]刘检华，姚瑁，宁汝新，等.基于虚拟装配的碰撞检测算法研究与实现[J].系统仿真学报，2004，16（8）：1775-1778.

[8]马登武，叶文，李瑛.基于包围盒的碰撞检测算法综述[J].系统仿真学报，2006，18（4）：1058-1064.

（责任编辑：宋秀丽）

作者：马骁旭?江全才?魏飞翔?林奇祥