虛擬現實技術及其在電力培訓中的應用

雷 興，俞國勤，呂政權

(國網上海市電力公司，上海 201204)

虛擬現實(Virtual Reality, 簡稱VR)已有初步的應用探索，國內高校和企業嘗試將虛擬現實與增強現實技術引入變電站仿真培訓系統[1]、電網應急演練模擬系統、電力安監仿真培訓系統[2]、核電站仿真系統等，增強培訓效果。文獻[3]探討了電力應急搶修演練中虛擬現實技術的可能應用情況。山東電力公司利用虛擬現實技術優化監控點的設置[4]。江蘇省電力公司利用虛擬現實技術進行裝表接電技能培訓[5]。河北省電力勘測設計院基于建筑信息模型與虛擬現實技術相融合，打造數字化管廊[6]。國網上海市電力公司基于虛擬現實技術構建綜合移動監控系統[7-8]。但這些技術均缺乏交互性，缺少體感觸發，未聚焦電力安全。

國務院頒布了《中共中央國務院關于推進安全生產領域改革發展的意見》明確提出了安全生產重要性。電力安全事故常常會造成人身傷害、電網和設備損失，其中由不安全行為導致的事故比例高達80%，“安全意識淡薄”、“習慣性違章”、“安全演練不足”是造成不安全行為的主因。電力實操演練中作業危險性大、事故難以還原、實戰成本過高(即高危險、高成本、不可見)等問題，阻礙了安全意識和安全技能的提升、無法有效實現培訓過程控制及閉環反饋、難以校正習慣性違章及進行多角色協同演練。因此，開發電力安全協同演練平臺確保電力安全生產尤為必要。

1 虛擬現實技術

1.1 技術特征

VR技術具有3個突出特征[9]，如圖1所示，分別為沉浸性、交互性和想象性。

圖1 VR技術的特征

沉浸性是指用戶感覺到好像完全沉浸于虛擬世界之中一樣。沉浸性取決于用戶的感知系統，目前相對成熟的只有視覺沉浸和聽覺沉浸，而觸覺、嗅覺和味覺等其他感知技術尚在研究之中，并不成熟。

交互性是指人與虛擬世界之間的自然交互，具有比平面圖形交互更豐富的手段。眼球追蹤、手勢追蹤等交互方式獲得了重點關注，但肌電模擬、觸覺反饋等借助復雜硬件設備的交互方式則嚴重受限于使用場景。

想象性指虛擬世界由用戶想象出來，用戶反過來能從虛擬世界獲得感性和理性認識，進而深化概念，產生創意。這種想象幫助用戶主動尋求、探索信息，而不只是被動接受。

1.2 典型系統

虛擬現實按其功能可分為四類：桌面級VR，沉浸式VR，分布式VR，增強現實(AR)。

桌面級VR利用個人計算機和低級工作站實現仿真，計算機的屏幕作為參與者或用戶觀察虛擬環境的一個窗口。成本低，但功能單一，主要用于CAD和桌面游戲等領域。

沉浸式VR采用頭盔顯示，使用戶暫時與真實環境相隔離，同時利用數據手套等交互裝置給用戶一種充分參與的感覺，能操作和駕馭虛擬環境。

分布式VR把分布于不同地方的沉浸式VR通過網絡連接起來，使不同的參與者聯結在一起，同時參與一個虛擬空間，共同實現某個目標，提升用戶協同工作水平。

增強現實(AR)把真實環境和虛擬環境結合起來，既可通過虛擬環境代替部分真實環境來減少構成復雜真實環境的開銷，又可對實際物體進行操作。

1.3 系統模型

VR系統模型如圖2所示，用戶可通過傳感裝置直接對虛擬環境進行操作，并得到實時三維顯示和觸覺等反饋信息。當虛擬環境與外部世界通過傳感裝置構成反饋閉環時，用戶與虛擬環境間的交互可以對外部世界產生作用(如遙操作等)。

圖2 VR系統模型

2 技術方案

2.1 技術思路

平臺利用虛擬現實技術(VR/AR/MR)高度還原電力作業場景，快速實現危險點消除、防控，事故演練等操作；通過高頻次演練正向引導，多種體感功能(墜落、觸電、撞擊等)反向激勵，并實現沉浸式多人協同作業；采集演練人員的行為數據，通過深度學習加以分析，自動研判可能的風險并預警，如圖3所示。

圖3 技術思路

2.2 平臺架構

由物理層、感知層、應用層、分析層構成，如圖4所示。物理層包括底層支撐硬件，數據處理單元，平臺物理結構、外部顯示單元；感知層包括虛擬現實眼鏡，數據手套、觸電、墜落、爆炸等體驗觸發模塊；應用層包括典型場景演練、安全作業輔助、多人協同演練；分析層包括演練評估系統。

2.3 信息安全

為實現多個演練基地之間遠程異地協同工作，平臺采用獨立的專網通信，與調度數據網和綜合數據網等內網無關。系統采用縱向認證和網絡專用，其安全防護等級達到機密級。

圖4 平臺架構

3 平臺組成

3.1 基于虛擬現實技術的沉浸式典型帶電場景演練系統

(1)具備反饋功能的物理體驗系統：① 機械裝置模擬“墜落”的物理體驗功能，如圖5所示；② 具有“觸電”功效的低頻脈沖手套；③ 電磁彈射裝置模擬“爆炸”的物理體驗功能。

圖5 墜落體驗

(2)具備動作捕捉功能的數據化手套動作捕捉功能，如圖6所示。

圖6 數據化手套

(3)配電線路場景(斗臂車)、變壓器室內場景(變電倒閘操作)等帶電作業演練系統，如圖7所示。

圖7 典型帶電作業場景

將常見的電力安全事故進行體驗場景點篩選歸類，共計1 265個一級風險點及69個二級風險點。設計了帶電作業、開關柜操作等典型場景，并能夠快速切換。

3.2 基于增強現實技術的安全管控演練系統

研究電力設備AR動態模型，研究典型一二次設備的三維立體模型對應的 AR電子標簽，開發識別AR電子標簽的手機APP。工作負責人進行安全交底后，工作班成員能正確完成變電站電系分布情況、布置安全措施。

基于變電站全站可視化架構，實現了各專業的安全管控演練，提升運維、檢修和線路等多工種交叉作業安全管控水平，對安全措施“可觀、可控、可評價”。

3.3 電力安全多人協同演練系統

組織電網調度、監控、運維和檢修人員協同合作完成任務，即盡快查明故障原因、及時的匯報故障以及快速處理故障和恢復送電等內容，分解成一項項獨立而又環環相扣的任務，讓學員在任務場景中按各自本職工作角色進行實戰演練。

(1)研究空間定位技術，配合動作捕捉系統，實現了本地多人協同演練。

(2)基于專用光纖通道，實現了遠程異地多人協同演練。

3.4 基于大數據分析的演練評估系統

平臺將演練所見即所得，真實作業場景與虛擬場景的無縫連接。對于演練的全過程進行記錄分析，辨識可能的風險因素，逐步提升至自分析自研判的智慧安全演練平臺。

以突發事件為藍本，無固定腳本，實現多人互動，且具有結局的多樣性。建立“實踐能力+心理素質”雙引擎的模擬演練交互系統，實現應對過程現場重溯的“體驗式”模擬演練。

4 結語

平臺的技術關鍵點及相應難點：構建硬件支撐平臺，難點在于典型性和可擴展性；軟件系統研發，難點在于操作便捷性、趣味性以及真實性；優化算法開發，難點在于方案優化策略、行為分析算法和薄弱點分析。本平臺具有以下特點。

(1)以電力安全演練為主線，將具有高空墜物、觸電、爆炸等真實的物理觸發模塊與虛擬現實軟件系統做到實時聯動。在保證體驗者人身安全的前提下，高度還原事故真實感受。

(2)以突發事件為藍本，實現自演繹、自觸發的多人互動，具有結局的多樣性。建立“實踐能力+心理素質”雙引擎的模擬演練交互系統，實現應對過程現場重溯的“體驗式”模擬演練。

(3)基于變電站全站可視化架構，實現了各專業的安全管控演練，提升運維、檢修和線路等多工種交叉作業安全管控水平，對安全措施“可觀、可控、可評價”。

(4)對演練的全過程進行記錄和分析，不斷改進內容及方案, 讓演練及評價更真實合理，辨識作業人員在生產現場的薄弱環節和潛在的不安全行為，提升演練培訓效果。

后期將混合現實技術引入到平臺中，實現增強現實、增強虛擬的高度融合，在演練過程中實現設計、基建、檢修和運行等多工種配合。