基于VR技術的電力安全執規仿真系統開發

吳元忠

（福建電力職業技術學院，福建 泉州 362000）

0 引 言

電力系統的專業技能實訓內容涵蓋面廣泛，包括專業基礎理論知識、國家電網公司出臺的相關培訓規范和安全作業規范、現場的作業培訓等。而現場作業技能實訓是專業人才培養過程中的重要環節之一。現場實訓（運、檢、操）無論是各級變電站的開關柜操作還是戶外高空作業，都處在高壓環境下，風險系數高，安全隱患大。同時，實訓設備投入成本高，且學生不可能同時在現場完成操作訓練，實訓效率低。

利用虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術建立虛擬現實與系統仿真的培訓和學習現場[1]，虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，在虛擬學習場景中增加真實現場體驗，從而加速和鞏固學生學習的過程。

1 單相觸電危害

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

2 中性點接地系統的單相觸電

在中性點接地系統中發生單相觸電時，三相線與人體、大地形成導電回路，如圖1所示。

圖1 中性點接地系統的單相觸電電流回路示意圖

由于線路與人體、大地形成導電回路，人體的觸電電流計算比較簡單。假設人體與大地接觸良好，土壤電阻可以忽略不計。由于人體電阻比中性點工作接地電阻大得多，加在人體的電壓幾乎等于電網相電壓，這時流過人體的電流為：

其中， 為線電壓， 為人體電阻， 為中性點接地電阻。具體地，通過一個380/220 V三相四線制系統發生單相觸電案例，計算觸電時流過人體的電流約219 mA。

3 中性點不接地系統的觸電

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

圖2 中性點不接地系統長線路單相觸電示意圖

圖3 中性點不接地系統長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， 為系統每相對地阻抗。具體地，通過一個380/220 V三相三線制系統發生單相觸電案例，設定系統對地阻抗 =10 000 Ω，最終計算單相觸電時流過人體的電流約63 mA。

從計算結果看，不接地系統的觸電電流的確比接地系統的觸電電流要低很多，但這電流依然是致命的，且這是在低壓系統中，而在高壓系統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，經測算達120 mA），觸電電流將更大。

4 開關柜操作及事故還原VR教程的技術實現

4.1 VR教程技術平臺的總體架構

VR技術過程和實現分為三個環節：數據層、業務層和表現層，如圖5所示。電力開關柜安全操作與事故重現VR教程的制作，按照VR技術實現的要求和流程構建。

4.2 電力安全執VR教程的實現

電力開關柜操作與事故還原的VR教程的實現，按照VR技術的三層構架展開。在每一個技術層面，需要多層的數據依次進行處理和建模。

4.2.1 數據采集

電力專家撰寫腳本流程。電力專家依據電力安全操作規范和實際工作票流程，利用設備自身的電氣特性和操作現場的各種具體細節，結合現場操作體驗編寫文字腳本，確保文字腳本實現內容的規范性和專業性。其次，確定用于指導實訓的提示語音、圖形信息、字幕文本等，具體展現視覺和聽覺直接信息。培訓教程體驗需要大量的人體動作和設備操作動態形式，如開門、關門、開關等操作方式，在腳本中需確定VR中需要的具體動作方式。圖6為實訓場景。圖7為人物VR模型。

圖6 實訓場景

圖7 人物VR模型

現場采集腳本相關的設備圖片信息搭建虛擬模型。對腳本中設計的開關設備、開關柜、各種工具、推車、空間結構定位等場景具體的現實物體和場所進行拍照取景，通過3DMAX等建模工具，實現相應的虛擬設備和場景模型。

采用HTC Vive跟蹤技術，稱之為Lighthouse。Vive的頭動跟蹤和手柄跟蹤都非常精確，其精確程度已經讓人真的產生了“這就是現實”的錯覺。

采用UNITY3D的AAA級別渲染技術，搭建整體的VR場景、功能場景、邏輯過程，如燈光的明暗、陰影、棱角等多項功能進行融合。

深度學習模型。為了更好地分析LOT數據、用電數據及專家標簽，構建基于DEEP LEARNING的訓練模型。后續輸入對應的LOT數據或者用電數據，模型可以給出專家級別的分類結果。

百度語音組件。使用百度語音組件將文字腳本通過百度語音API轉為語音。這個組件可以按照角色需要采用男聲或女生展現語音。

4.2.2 功能模塊搭建

體感控制。采用HTC Vive頭盔開發的配套設備，在操作手柄中利用了Valve的Lighthouse位置定位和跟蹤技術，并使用無線進行數據通訊。體驗者通過手柄的感知進行按鈕開關操作，通過內部傳感器感應和控制操作對象，產生如同真實世界里的體感。

渲染場景模型。系統的開發渲染技術貫穿其中，從場景細致的空間結構分割到設備局部的指示燈顯示和閃爍效果，都通過渲染場景模型增加真實體感。

語音控制。系統利用百度語音API，多數場景下以第三人稱進行配音。百度語音可以靈活切換各種方言版本和男女聲版本的語音，通過控制指令識別配音要求，從而實現自動配音。

程序腳本解析與控制。系統采用pandabehaviour對頂層業務腳本（電力專家的腳本）進行編寫控制，將文字腳本轉化為機器語言能識別的腳本。

4.3 系統表現

在系統表現層，主要體現用戶終端的操作控制，并根據實際需求進行功能切換。為了實現用戶使用的便捷，增強系統的人性化設置，本系統的表現層主要加強了以下模塊：

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

（2）設置不同課件的菜單界面，用于選擇切換不同的課件和學習內容；

（3）設置工作票界面，用于指示當前操作票；

（4）擁有完整的室內開關柜場景和精細建模后的設備、工器具及其VR交互。

5 VR教程系統的功能與特點

VR教程系統主要包含開關柜操作和事故還原教程。具體地，包括事故現場還原、事故原因與理論論證分析、進線柜開關操作三大部分主體內容。結合教學培訓的特點和操作使用的方便，將教程系統分成6個階段，即：事故現場還原、事故原因分析、觸電過程理論論證、系統使用入門培訓、開關由運行轉檢修操作過程和開關由冷備用轉運行操作過程。VR教程系統以安全警示教育為目的，內容設置針對性強，構成全面，內容實現獨具特色。本VR教程實現的內容主要有如下特色。

5.1 系統操作的入門培訓模塊

本系統提供了VR教程的入門培訓環節，幫助首次使用VR教程的人員掌握VR設備和軟件操作的基本要領，如練習左右手柄的控制對象、手柄功能按鈕操作、體驗聲音與視覺的同步，如何實現移動和動作控制、方位感知、進度控制等，如圖8、圖9所示。這個入門培訓模塊指導初次接觸電力技能培訓VR教程系統的學員正確使用本培訓教程，為設備的操作奠定必要的操作基礎，從而提高后續的學習效率。

圖8 入門培訓中的位置移動指導

圖9 入門培訓中的手柄操縱指導

5.2 全真還原典型的開關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，國網保定電網“3.23事故”是近年電力系統開關柜操作事故的典型案例。因此，以此案例為腳本制作VR事故體驗教程，將具有安全警示典范作用。VR再現對事故的場景還原，是嚴格按照事故發生的真實過程進行設計，是事故過程的全真還原。事故重現過程完整，細節詳盡，并對事故發生全過程中的每一步行為的規范性進行了詳細解說和評述，對關鍵執行動作重復呈現強調，使體驗者真實感受到安規對于安全作業的重要性。

5.3 延伸開發以進線柜為執行對象、以操作票為導向的典型開關柜操作VR教程

關柜的操作使用操作票作[2]為執行動作導向，嚴格按照安全執行規范進行作業練習，使虛擬操作訓練與真實現場作業一致。同時，每一步操作完成后，隨即出現下一步執行動作提示，如圖10、圖11所示。

圖10 操作票動作執行導向過程

圖11 操作票

5.4 開發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

對事故造成的原因進行多方面分析，并對觸電過程做深入的理論論證，是本項目主要的特色內容之一。具體地，從三個層面分析事故原因，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。該教程系統以VR形式從多個方面分析觸電事故發生的原因，結合事故發生時的鏡頭回放強調安規，加深了學員的學習感受。

6 結 論

VR技術應用于電力行業已有一些實踐，但VR技術總體應用依然較為初級。借鑒于虛擬現實技術，它已在影視、游戲等行業中成功應用[3]。結合電力系統專業技能實訓與學習的特點，使VR技術在電力專業技能實訓中發揮了巨大的應用價值。綜上所述，VR技術應用于電力安全執規的模擬實訓，是一種低成本、高效率、安全可靠的實訓方式。

參考文獻：

[1] 馮文勝.VR技術助力南方電力職業培訓創新實踐[J].中國電力教育，2017，（2）：32-35.

[2] 譚誠.基于VR的倒閘操作票模擬與培訓仿真技術初探[J].東北電力技術，2017，38（2）：57-59.

[3] 張婷婷.VR在交互影視與游戲領域的應用綜述[J].上海大學學報，2017，23（3）：342-344.