基于VR技術(shù)的電力安全執(zhí)規(guī)仿真系統(tǒng)開發(fā)

吳元忠

（福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000）

0 引 言

電力系統(tǒng)的專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)內(nèi)容涵蓋面廣泛，包括專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)、國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)的相關(guān)培訓(xùn)規(guī)范和安全作業(yè)規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)培訓(xùn)等。而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)技能實(shí)訓(xùn)是專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)（運(yùn)、檢、操）無(wú)論是各級(jí)變電站的開關(guān)柜操作還是戶外高空作業(yè)，都處在高壓環(huán)境下，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，安全隱患大。同時(shí)，實(shí)訓(xùn)設(shè)備投入成本高，且學(xué)生不可能同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)完成操作訓(xùn)練，實(shí)訓(xùn)效率低。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)[1]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，在虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景中增加真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程。

1 單相觸電危害

從生理學(xué)角度，觸電傷害的直接生理原因是流過(guò)人體的電流超過(guò)人體的安全容許電流，避免電流引起人體心室顫動(dòng)而造成致命傷害。電流直接作用于心臟或者通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的反射作用，均可能引起室顫電流。據(jù)研究，人體室顫電流約為50 mA。超過(guò)該電流值，人體就會(huì)遭受致命傷害。同時(shí)，同樣電壓的交流電，其危險(xiǎn)性比直流電更大。

2 中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的單相觸電

在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中發(fā)生單相觸電時(shí)，三相線與人體、大地形成導(dǎo)電回路，如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的單相觸電電流回路示意圖

由于線路與人體、大地形成導(dǎo)電回路，人體的觸電電流計(jì)算比較簡(jiǎn)單。假設(shè)人體與大地接觸良好，土壤電阻可以忽略不計(jì)。由于人體電阻比中性點(diǎn)工作接地電阻大得多，加在人體的電壓幾乎等于電網(wǎng)相電壓，這時(shí)流過(guò)人體的電流為：

其中， 為線電壓， 為人體電阻， 為中性點(diǎn)接地電阻。具體地，通過(guò)一個(gè)380/220 V三相四線制系統(tǒng)發(fā)生單相觸電案例，計(jì)算觸電時(shí)流過(guò)人體的電流約219 mA。

3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的觸電

以線路較長(zhǎng)、觸電位置距離電源較遠(yuǎn)為例可以看成，由輸電線路、人體和線路對(duì)地阻抗（主要是對(duì)地容抗）形成導(dǎo)電回路，如圖2所示。圖3、圖4分別為相應(yīng)的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)長(zhǎng)線路單相觸電等值電路圖和戴維寧等效電路圖。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)長(zhǎng)線路單相觸電示意圖

圖3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)長(zhǎng)線路單相觸電等值電路

圖4 戴維寧等效電路

則觸電電流 的大小為：

其中， 為相電壓， 為人體電阻， 為系統(tǒng)每相對(duì)地阻抗。具體地，通過(guò)一個(gè)380/220 V三相三線制系統(tǒng)發(fā)生單相觸電案例，設(shè)定系統(tǒng)對(duì)地阻抗 =10 000 Ω，最終計(jì)算單相觸電時(shí)流過(guò)人體的電流約63 mA。

從計(jì)算結(jié)果看，不接地系統(tǒng)的觸電電流的確比接地系統(tǒng)的觸電電流要低很多，但這電流依然是致命的，且這是在低壓系統(tǒng)中，而在高壓系統(tǒng)中由于受到各種因素的影響（線路較短，觸電位置距離電源較近的觸電電流，經(jīng)測(cè)算達(dá)120 mA），觸電電流將更大。

4 開關(guān)柜操作及事故還原VR教程的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 VR教程技術(shù)平臺(tái)的總體架構(gòu)

VR技術(shù)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層，如圖5所示。電力開關(guān)柜安全操作與事故重現(xiàn)VR教程的制作，按照VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的要求和流程構(gòu)建。

4.2 電力安全執(zhí)VR教程的實(shí)現(xiàn)

電力開關(guān)柜操作與事故還原的VR教程的實(shí)現(xiàn)，按照VR技術(shù)的三層構(gòu)架展開。在每一個(gè)技術(shù)層面，需要多層的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理和建模。

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

電力專家撰寫腳本流程。電力專家依據(jù)電力安全操作規(guī)范和實(shí)際工作票流程，利用設(shè)備自身的電氣特性和操作現(xiàn)場(chǎng)的各種具體細(xì)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作體驗(yàn)編寫文字腳本，確保文字腳本實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的規(guī)范性和專業(yè)性。其次，確定用于指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)的提示語(yǔ)音、圖形信息、字幕文本等，具體展現(xiàn)視覺和聽覺直接信息。培訓(xùn)教程體驗(yàn)需要大量的人體動(dòng)作和設(shè)備操作動(dòng)態(tài)形式，如開門、關(guān)門、開關(guān)等操作方式，在腳本中需確定VR中需要的具體動(dòng)作方式。圖6為實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景。圖7為人物VR模型。

圖6 實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景

圖7 人物VR模型

現(xiàn)場(chǎng)采集腳本相關(guān)的設(shè)備圖片信息搭建虛擬模型。對(duì)腳本中設(shè)計(jì)的開關(guān)設(shè)備、開關(guān)柜、各種工具、推車、空間結(jié)構(gòu)定位等場(chǎng)景具體的現(xiàn)實(shí)物體和場(chǎng)所進(jìn)行拍照取景，通過(guò)3DMAX等建模工具，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的虛擬設(shè)備和場(chǎng)景模型。

采用HTC Vive跟蹤技術(shù)，稱之為L(zhǎng)ighthouse。Vive的頭動(dòng)跟蹤和手柄跟蹤都非常精確，其精確程度已經(jīng)讓人真的產(chǎn)生了“這就是現(xiàn)實(shí)”的錯(cuò)覺。

采用UNITY3D的AAA級(jí)別渲染技術(shù)，搭建整體的VR場(chǎng)景、功能場(chǎng)景、邏輯過(guò)程，如燈光的明暗、陰影、棱角等多項(xiàng)功能進(jìn)行融合。

深度學(xué)習(xí)模型。為了更好地分析LOT數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)及專家標(biāo)簽，構(gòu)建基于DEEP LEARNING的訓(xùn)練模型。后續(xù)輸入對(duì)應(yīng)的LOT數(shù)據(jù)或者用電數(shù)據(jù)，模型可以給出專家級(jí)別的分類結(jié)果。

百度語(yǔ)音組件。使用百度語(yǔ)音組件將文字腳本通過(guò)百度語(yǔ)音API轉(zhuǎn)為語(yǔ)音。這個(gè)組件可以按照角色需要采用男聲或女生展現(xiàn)語(yǔ)音。

4.2.2 功能模塊搭建

體感控制。采用HTC Vive頭盔開發(fā)的配套設(shè)備，在操作手柄中利用了Valve的Lighthouse位置定位和跟蹤技術(shù)，并使用無(wú)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。體驗(yàn)者通過(guò)手柄的感知進(jìn)行按鈕開關(guān)操作，通過(guò)內(nèi)部傳感器感應(yīng)和控制操作對(duì)象，產(chǎn)生如同真實(shí)世界里的體感。

渲染場(chǎng)景模型。系統(tǒng)的開發(fā)渲染技術(shù)貫穿其中，從場(chǎng)景細(xì)致的空間結(jié)構(gòu)分割到設(shè)備局部的指示燈顯示和閃爍效果，都通過(guò)渲染場(chǎng)景模型增加真實(shí)體感。

語(yǔ)音控制。系統(tǒng)利用百度語(yǔ)音API，多數(shù)場(chǎng)景下以第三人稱進(jìn)行配音。百度語(yǔ)音可以靈活切換各種方言版本和男女聲版本的語(yǔ)音，通過(guò)控制指令識(shí)別配音要求，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配音。

程序腳本解析與控制。系統(tǒng)采用pandabehaviour對(duì)頂層業(yè)務(wù)腳本（電力專家的腳本）進(jìn)行編寫控制，將文字腳本轉(zhuǎn)化為機(jī)器語(yǔ)言能識(shí)別的腳本。

4.3 系統(tǒng)表現(xiàn)

在系統(tǒng)表現(xiàn)層，主要體現(xiàn)用戶終端的操作控制，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能切換。為了實(shí)現(xiàn)用戶使用的便捷，增強(qiáng)系統(tǒng)的人性化設(shè)置，本系統(tǒng)的表現(xiàn)層主要加強(qiáng)了以下模塊：

（1）設(shè)置用戶入門培訓(xùn)的入口界面，初次使用該軟件的用戶可以在系統(tǒng)提示下練習(xí)VR工具操作技巧；

（2）設(shè)置不同課件的菜單界面，用于選擇切換不同的課件和學(xué)習(xí)內(nèi)容；

（3）設(shè)置工作票界面，用于指示當(dāng)前操作票；

（4）擁有完整的室內(nèi)開關(guān)柜場(chǎng)景和精細(xì)建模后的設(shè)備、工器具及其VR交互。

5 VR教程系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)

VR教程系統(tǒng)主要包含開關(guān)柜操作和事故還原教程。具體地，包括事故現(xiàn)場(chǎng)還原、事故原因與理論論證分析、進(jìn)線柜開關(guān)操作三大部分主體內(nèi)容。結(jié)合教學(xué)培訓(xùn)的特點(diǎn)和操作使用的方便，將教程系統(tǒng)分成6個(gè)階段，即：事故現(xiàn)場(chǎng)還原、事故原因分析、觸電過(guò)程理論論證、系統(tǒng)使用入門培訓(xùn)、開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修操作過(guò)程和開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)運(yùn)行操作過(guò)程。VR教程系統(tǒng)以安全警示教育為目的，內(nèi)容設(shè)置針對(duì)性強(qiáng)，構(gòu)成全面，內(nèi)容實(shí)現(xiàn)獨(dú)具特色。本VR教程實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容主要有如下特色。

5.1 系統(tǒng)操作的入門培訓(xùn)模塊

本系統(tǒng)提供了VR教程的入門培訓(xùn)環(huán)節(jié)，幫助首次使用VR教程的人員掌握VR設(shè)備和軟件操作的基本要領(lǐng)，如練習(xí)左右手柄的控制對(duì)象、手柄功能按鈕操作、體驗(yàn)聲音與視覺的同步，如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和動(dòng)作控制、方位感知、進(jìn)度控制等，如圖8、圖9所示。這個(gè)入門培訓(xùn)模塊指導(dǎo)初次接觸電力技能培訓(xùn)VR教程系統(tǒng)的學(xué)員正確使用本培訓(xùn)教程，為設(shè)備的操作奠定必要的操作基礎(chǔ)，從而提高后續(xù)的學(xué)習(xí)效率。

圖8 入門培訓(xùn)中的位置移動(dòng)指導(dǎo)

圖9 入門培訓(xùn)中的手柄操縱指導(dǎo)

5.2 全真還原典型的開關(guān)柜操作觸電死亡事故作為安全警示教育范例

作為安全教育的典型事故案例，國(guó)網(wǎng)保定電網(wǎng)“3.23事故”是近年電力系統(tǒng)開關(guān)柜操作事故的典型案例。因此，以此案例為腳本制作VR事故體驗(yàn)教程，將具有安全警示典范作用。VR再現(xiàn)對(duì)事故的場(chǎng)景還原，是嚴(yán)格按照事故發(fā)生的真實(shí)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，是事故過(guò)程的全真還原。事故重現(xiàn)過(guò)程完整，細(xì)節(jié)詳盡，并對(duì)事故發(fā)生全過(guò)程中的每一步行為的規(guī)范性進(jìn)行了詳細(xì)解說(shuō)和評(píng)述，對(duì)關(guān)鍵執(zhí)行動(dòng)作重復(fù)呈現(xiàn)強(qiáng)調(diào)，使體驗(yàn)者真實(shí)感受到安規(guī)對(duì)于安全作業(yè)的重要性。

5.3 延伸開發(fā)以進(jìn)線柜為執(zhí)行對(duì)象、以操作票為導(dǎo)向的典型開關(guān)柜操作VR教程

關(guān)柜的操作使用操作票作[2]為執(zhí)行動(dòng)作導(dǎo)向，嚴(yán)格按照安全執(zhí)行規(guī)范進(jìn)行作業(yè)練習(xí)，使虛擬操作訓(xùn)練與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)一致。同時(shí)，每一步操作完成后，隨即出現(xiàn)下一步執(zhí)行動(dòng)作提示，如圖10、圖11所示。

圖10 操作票動(dòng)作執(zhí)行導(dǎo)向過(guò)程

圖11 操作票

5.4 開發(fā)事故原因分析與觸電理論論證VR教程，深入挖掘觸電死亡事故的深層物理原因

對(duì)事故造成的原因進(jìn)行多方面分析，并對(duì)觸電過(guò)程做深入的理論論證，是本項(xiàng)目主要的特色內(nèi)容之一。具體地，從三個(gè)層面分析事故原因，包括自潛在原因、間接原因和直接原因。造成觸電事故的原因有多方面，其中直接原因和間接原因容易理解，但卻容易被忽略。該教程系統(tǒng)以VR形式從多個(gè)方面分析觸電事故發(fā)生的原因，結(jié)合事故發(fā)生時(shí)的鏡頭回放強(qiáng)調(diào)安規(guī)，加深了學(xué)員的學(xué)習(xí)感受。

6 結(jié) 論

VR技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)已有一些實(shí)踐，但VR技術(shù)總體應(yīng)用依然較為初級(jí)。借鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它已在影視、游戲等行業(yè)中成功應(yīng)用[3]。結(jié)合電力系統(tǒng)專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)與學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，使VR技術(shù)在電力專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)中發(fā)揮了巨大的應(yīng)用價(jià)值。綜上所述，VR技術(shù)應(yīng)用于電力安全執(zhí)規(guī)的模擬實(shí)訓(xùn)，是一種低成本、高效率、安全可靠的實(shí)訓(xùn)方式。

參考文獻(xiàn)：

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