電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

閆瑞杰，李路，張建軍，常永慶

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

閆瑞杰1，李路2，張建軍1，常永慶2

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

因非技術(shù)技能因素引發(fā)的電力安全事故越來(lái)越受到電力相關(guān)企業(yè)的高度重視，如何更好地提高工作人員的安全意識(shí)，是安全培訓(xùn)的重要課題。電力安全工作規(guī)程是電力系統(tǒng)安全工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)預(yù)防和避免電力事故至關(guān)重要。應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模、渲染優(yōu)化、區(qū)域檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)了電力安全工作規(guī)程仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了與變電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相一致、生動(dòng)逼真的作業(yè)虛擬三維場(chǎng)景。經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用，提高了作業(yè)人員安全生產(chǎn)意識(shí)，為電力作業(yè)安全培訓(xùn)提供了良好的技術(shù)手段。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；仿真系統(tǒng)；虛擬三維場(chǎng)景；電力安全；規(guī)程

0 引言

電力安全生產(chǎn)是電力企業(yè)永恒的主題，因非技術(shù)、技能因素引發(fā)的電力安全事故越來(lái)越受到重視，如何更好地提高工作人員的安全意識(shí)和技能水平，是當(dāng)前安全培訓(xùn)的重要課題。針對(duì)電力作業(yè)培訓(xùn)的特殊性以及安全性要求，在總結(jié)現(xiàn)有作業(yè)培訓(xùn)工作的基礎(chǔ)上，以電力安全工作規(guī)程（簡(jiǎn)稱(chēng)“安規(guī)”）為依據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、變電站仿真、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等技術(shù)，提出了仿真操作與現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)相結(jié)合的培訓(xùn)方式，并開(kāi)發(fā)適用于電力作業(yè)的三維交互［1］電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)，以變電站仿真作為數(shù)據(jù)支撐，采用基于三維動(dòng)畫(huà)的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［2］搭建電力作業(yè)虛擬三維場(chǎng)景，建立虛擬人物角色，通過(guò)人機(jī)交互裝備控制虛擬人物進(jìn)行電力作業(yè)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)過(guò)程建立規(guī)范的作業(yè)流程，將安規(guī)條款融入作業(yè)流程中，在仿真作業(yè)的過(guò)程中時(shí)刻提醒安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)違反安全規(guī)程造成的后果予以警示展現(xiàn)。通過(guò)培訓(xùn)應(yīng)用，使作業(yè)人員在直觀的培訓(xùn)過(guò)程中加強(qiáng)安全生產(chǎn)意識(shí)，并將安全意識(shí)轉(zhuǎn)化為安全作業(yè)的良好習(xí)慣，為電力作業(yè)安全培訓(xùn)提供良好的技術(shù)支撐。對(duì)基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)三維技術(shù)的電力作業(yè)虛擬三維場(chǎng)景的建模、渲染優(yōu)化、區(qū)域檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，主要以提高電力作業(yè)環(huán)境逼真度為目的，確保作業(yè)環(huán)境真實(shí)、作業(yè)流程規(guī)范。

1 電力作業(yè)虛擬三維場(chǎng)景

1.1 虛擬三維場(chǎng)景建模

采用成熟的面向?qū)ο蠹夹g(shù)［3］、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)電力作業(yè)環(huán)境進(jìn)行三維建模，建模流程如圖1所示。

圖1 虛擬三維場(chǎng)景建模流程

系統(tǒng)采用3DMAX建立原始的電力設(shè)備模型，通過(guò)三維設(shè)備管理庫(kù)系統(tǒng)根據(jù)電氣設(shè)備特性對(duì)原始模型的物理屬性、連接屬性、位置屬性、狀態(tài)屬性及顯示屬性等進(jìn)行定義，定義完成以后加載到設(shè)備模型庫(kù)。

系統(tǒng)通過(guò)地形編輯器對(duì)變電站虛擬三維場(chǎng)景區(qū)域的地理環(huán)境進(jìn)行地形、地貌建模，定義場(chǎng)景范圍及非設(shè)備靜態(tài)景物屬性。

系統(tǒng)通過(guò)場(chǎng)景編輯器在地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)用三維設(shè)備模型庫(kù)，安裝電力設(shè)備，建立設(shè)備相互連接關(guān)系，生成設(shè)備的靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系，關(guān)聯(lián)仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 變電站設(shè)備狀態(tài)與動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)處理

采用OpenGL三維動(dòng)畫(huà)底層技術(shù)［4］，建立1∶1的電力設(shè)備模型及環(huán)境模型，依據(jù)變電站實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)［5］的支撐，實(shí)時(shí)讀取仿真系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)，依據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)狀態(tài)對(duì)比實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景設(shè)備狀態(tài)、動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)處理，從而實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備狀態(tài)與動(dòng)畫(huà)過(guò)程，真實(shí)再現(xiàn)變電站工作場(chǎng)景及作業(yè)過(guò)程，如圖2所示。同時(shí)，為了增強(qiáng)臨場(chǎng)感，系統(tǒng)采用粒子系統(tǒng)技術(shù)［6］、粒子生命周期檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)雨、雪、霧等氣候條件以及設(shè)備冒煙、冒蒸汽、著火、爆炸、孤光等異常現(xiàn)象的模擬。

1.3 渲染性能優(yōu)化

虛擬三維場(chǎng)景加載的模型采用多邊形漸進(jìn)網(wǎng)格減面算法建立的層次細(xì)節(jié)模型（即LOD技術(shù)），降低了模型的復(fù)雜度，基本原理是根據(jù)模型的邊的權(quán)值將公共邊刪除實(shí)現(xiàn)多邊形網(wǎng)格減面算法［7］。

圖2 程序流程

圖3 根據(jù)距離選取不同精度的LOD模型

如圖3所示，利用視覺(jué)原理在虛擬場(chǎng)景中視線遠(yuǎn)處調(diào)用減面后的低層次模型，視覺(jué)近處調(diào)用未減面的高層次模型，達(dá)到高效渲染目的。采用四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分虛擬三維場(chǎng)景［8］顯示區(qū)域，如圖4所示，每一個(gè)正方形為四叉樹(shù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存了一定的三維場(chǎng)景區(qū)域位置信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前攝像機(jī)位置，通過(guò)三維模型信息將加載范圍控制在與攝像機(jī)視點(diǎn)距離為R的圓內(nèi)，攝像機(jī)無(wú)法觀察到的區(qū)域內(nèi)模型，采用消隱處理，從而提高渲染效率。

圖4 四叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)分割

2 電力作業(yè)人員三維虛擬

2.1 虛擬人物行為

采用3DMax建模［9］建立骨骼動(dòng)畫(huà)，繪制具有電力行業(yè)特點(diǎn)的人物骨骼MDL格式模型動(dòng)畫(huà)虛擬人，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)繪制人物動(dòng)作行為動(dòng)畫(huà)。如圖5所示，根據(jù)人體生理特點(diǎn)將人物定義成20個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的集合，定義人物模型模塊類(lèi)及關(guān)聯(lián)，通過(guò)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算虛擬人物動(dòng)作行為。針對(duì)設(shè)備操作點(diǎn)操作方式定義動(dòng)畫(huà)幀，通過(guò)人機(jī)接口如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、運(yùn)動(dòng)捕捉［9］等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人進(jìn)行控制，在變電站虛擬三維場(chǎng)景中進(jìn)行作業(yè)，并表現(xiàn)人物作業(yè)行為。

圖5 人物骨骼點(diǎn)定義

抽象現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)所涉及人的作業(yè)行為，包括行走、下蹲、攀爬、上階梯、按按鈕、開(kāi)關(guān)柜門(mén)、推手車(chē)、扛梯、驗(yàn)電、掛接地線等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作行為與現(xiàn)場(chǎng)操作相關(guān)聯(lián)，如點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)柜門(mén)，調(diào)用虛擬人開(kāi)柜門(mén)操作并打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜門(mén)，點(diǎn)擊驗(yàn)電點(diǎn)調(diào)用虛擬人手持驗(yàn)電器進(jìn)行驗(yàn)電等。能夠體現(xiàn)虛擬人攜帶、檢查、使用安全器具和施工器具過(guò)程，如佩戴安全帽、穿工作負(fù)責(zé)人馬甲、佩戴絕緣手套、穿絕緣靴、扛梯行走、手持驗(yàn)電器行走等。體現(xiàn)安全措施不到位造成的人身傷害后果，如帶電距離不夠造成電擊、高空跌落、墜物損傷等。

2.2 虛擬人物實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)

采用八叉樹(shù)空間分割算法［11］劃分虛擬三維場(chǎng)景區(qū)域及虛擬三維模型，通過(guò)當(dāng)前碰撞源位置查找實(shí)際碰撞葉子節(jié)點(diǎn)。如圖6所示，黑色節(jié)點(diǎn)表示含有碰撞源的葉子節(jié)點(diǎn)，白色節(jié)點(diǎn)表示不含碰撞源的葉子節(jié)點(diǎn)。

圖6 八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)

針對(duì)虛擬三維場(chǎng)景中的虛擬三維模型采用多層次包圍盒的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)法，用多層次包圍盒干涉檢測(cè)快速定位碰撞目標(biāo)，再依據(jù)多層次包圍盒定位的碰撞目標(biāo)模型，按照碰撞檢測(cè)的精度要求，進(jìn)一步對(duì)模型三角形平面相交測(cè)試確定碰撞點(diǎn)。在虛擬三維場(chǎng)景中，采用合適的碰撞檢測(cè)精度，虛擬人物在行動(dòng)中與虛擬設(shè)備的碰撞為實(shí)時(shí)檢測(cè)，但碰撞精度要求不高，可以采用低精度的碰撞提高運(yùn)算效率。虛擬人物對(duì)設(shè)備的操作，碰撞檢測(cè)精度要求高，卻只是通過(guò)用戶(hù)鍵盤(pán)鼠標(biāo)觸發(fā)才執(zhí)行，不會(huì)影響虛擬場(chǎng)景整體渲染效率。能夠有效提高碰撞檢測(cè)速度，同時(shí)依據(jù)不同的精度需求，達(dá)到虛擬場(chǎng)景中碰撞檢測(cè)精度和效率的平衡。通過(guò)虛擬人物對(duì)梯子、臺(tái)階的碰撞檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)虛擬人攀爬、上下樓梯。

2.3 網(wǎng)絡(luò)同步控制

針對(duì)供電作業(yè)的安全特點(diǎn)，電力安全作業(yè)過(guò)程中需要有工作負(fù)責(zé)人、監(jiān)護(hù)人、操作人等多個(gè)角色在線共同參與協(xié)作，如圖7所示，因此在多角色參與的作業(yè)過(guò)程中需要解決帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)丟包以及不同計(jì)算機(jī)性能造成的同步控制問(wèn)題。

圖7 人物角色

虛擬三維場(chǎng)景中多角色協(xié)同作業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，因此采用時(shí)間移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中采用客戶(hù)端預(yù)測(cè)和客戶(hù)端修正的方法保持客戶(hù)端與服務(wù)器、客戶(hù)端與客戶(hù)端之間的同步，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的預(yù)測(cè)和處理實(shí)現(xiàn)角色移動(dòng)的同步，有效地解決了因同步問(wèn)題造成的多臺(tái)機(jī)器顯示畫(huà)面不一致的問(wèn)題。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)主要功能以變電站虛擬三維場(chǎng)景全景為主，系統(tǒng)不僅模擬了繼電保護(hù)、五防系統(tǒng)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等各部分的功能，還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)學(xué)員控制不同虛擬人物角色在虛擬三維場(chǎng)景中進(jìn)行電力作業(yè)過(guò)程操作的人機(jī)交互功能，展現(xiàn)逼真的安全作業(yè)情景。

例如有受培訓(xùn)人員A和受培訓(xùn)人員B在兩臺(tái)不同的客戶(hù)端分別以工作負(fù)責(zé)人和工作監(jiān)護(hù)人的角色進(jìn)入三維場(chǎng)景，監(jiān)護(hù)人可以跟隨、監(jiān)護(hù)工作負(fù)責(zé)人進(jìn)行安全工器具拿取、檢查、驗(yàn)電（如圖8（a）所示）、分合開(kāi)關(guān)和掛接地線等操作，兩臺(tái)客戶(hù)端同步虛擬人物的位置及動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)多人配合完成電力作業(yè)過(guò)程。在碰撞檢測(cè)開(kāi)啟的前提下，受培訓(xùn)人員控制的虛擬人只能行走在正常路徑上前往作業(yè)地點(diǎn)，不能穿過(guò)實(shí)體建筑（如墻、柱子、設(shè)備等）。在符合安規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程下，受訓(xùn)人員在操作過(guò)程中會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)提醒（如注意帶電距離、誤入帶電間隔等），且根據(jù)環(huán)境條件設(shè)置的不同風(fēng)險(xiǎn)提示會(huì)有所不同。當(dāng)受培訓(xùn)人員在違反安規(guī)條款進(jìn)行操作造成錯(cuò)誤操作后果的，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況在場(chǎng)景中給出聲、光、電的展示，以達(dá)到警示和提醒的作用。例如受培訓(xùn)人員A誤入帶電間隔，進(jìn)行帶電掛接地線操作，此時(shí)受培訓(xùn)人員A控制的虛擬人會(huì)發(fā)出一聲慘叫，帶電位置與人物之間出現(xiàn)弧光，虛擬人物應(yīng)聲倒地，身上著火，造成設(shè)備損壞、人身傷害、傷亡等嚴(yán)重后果，進(jìn)而引發(fā)電力安全生產(chǎn)事故，如圖8（b）所示。

圖8 驗(yàn)電及誤操作

通過(guò)仿真系統(tǒng)學(xué)員可以加深對(duì)安規(guī)的認(rèn)識(shí)，有利于應(yīng)用技能水平的提高，尤其是加深了學(xué)員對(duì)安規(guī)的理解，有利于提高學(xué)員對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備故障判斷和處理能力，取得了良好的培訓(xùn)效果，提高了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的水平。系統(tǒng)可以隨著現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展而及時(shí)更新升級(jí)，從而滿(mǎn)足不斷提高的培訓(xùn)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)作為一種新型的電力生產(chǎn)安全作業(yè)培訓(xùn)方式，為提高電力運(yùn)行人員的整體素質(zhì)，保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行發(fā)揮了積極作用。系統(tǒng)的成功應(yīng)用，可提高員工的安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)、技術(shù)素養(yǎng)、運(yùn)行技術(shù)技能水平，杜絕系統(tǒng)內(nèi)人為不按規(guī)程錯(cuò)誤操作所引發(fā)的事故，提高運(yùn)行人員在發(fā)生事故時(shí)的快速?zèng)Q斷能力，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Simulation System of Electric Power Industry Safety Regulations

YAN Ruijie1，LI Lu2，ZHANG Jianjun1，CHANG Yongqing2
（1.Shanxi Vocational and Technical College of Electric Power，Taiyuan 030021，China；2.Hefei Shengbai Technology co.，LTD，Hefei 230088，China）

Electric safety accidents due to non-technical skills attracted great attention of power-related enterprises.One of the main goals of safety training is how to boost the safety awareness of working staff.Based on technologies such as computer virtual reality，3D modeling，rendering optimization，region detection，network data synchronization，a simulation system of electric power industry safety regulations is developed，in which virtual 3D scene and substation site environment simulation are realized.Practical applications testify that this system helps to enhance safety awareness of working staff.The system can be used as a technical method for safety training of electric power enterprises.

virtual reality technology；simulation system；virtual 3D scene；electric power security；regulation

TM743；TP311.52

A

1007－9904（2015）04－0004－04

2015-01-07

閆瑞杰（1978），男，講師，主要從事自動(dòng)控制、智能儀表和通信方面的教學(xué)與研究；

國(guó)網(wǎng)山西省電力公司2013年科技項(xiàng)目（52057013500B）

李路（1987），男，主要從事電力仿真系統(tǒng)和通信技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)。