基于VR技術的輸電線路“機巡”+“人巡”實操仿真在培訓中的應用

孫斌, 李維鵬, 余艷穩(wěn), 賈永詳

(云南電網(wǎng)有限責任公司 帶電作業(yè)分公司, 云南 昆明 650051)

0 引言

輸電線路巡檢實操仿真培訓具有很多優(yōu)勢，能提高操作人員的技能水平、預防事故以及保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對輸電線路進行常規(guī)巡檢作業(yè)，實時了解和掌握輸電線路的當前運行狀況、輸電線路周邊環(huán)境情況，是電力作業(yè)人員一項繁瑣的常規(guī)工作。人工巡檢是常規(guī)情況下應用比較普遍的輸電線路巡檢方式。通常情況下，輸電線路所架設區(qū)域，其地形環(huán)境呈現(xiàn)多樣性、復雜性，在江河或山嶺等條件惡劣的地區(qū)，輸電線路沿線區(qū)段沒有合適的巡檢道路，導致該巡檢方式作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)人員工作辛苦，而且輸電線路的運行情況的實時反饋性較差。

輸電線路的電力巡檢作業(yè)質量對保障整個電力系統(tǒng)可靠運行有重大意義。采取有效的培訓方法可以提高巡檢人員的技能水平從而保證輸電線路安全穩(wěn)定運行。常規(guī)的巡檢作業(yè)培訓是以實際操作為基礎逐步展開的，但是電力系統(tǒng)運行的復雜性決定了難以實現(xiàn)作業(yè)人員的實操培訓，而且常規(guī)培訓模式并不會對作業(yè)人員的培訓質量和培訓效率的提升有很大幫助[1]。

基于虛擬現(xiàn)實技術的輸電線路巡檢仿真培訓系統(tǒng)具有信息涵蓋范圍廣、能夠實現(xiàn)對實際動作的模擬操作、可以進行多個項點的演示和對實際工作環(huán)境進行模擬等特點，這些特點是傳統(tǒng)培訓方法不具有的。通過虛擬現(xiàn)實技術模擬的培訓環(huán)境可以實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的有效還原，電力作業(yè)人員可以在沒有任何危險的條件下完成相應的培訓任務，因此可以在一定程度上避免電力事故的發(fā)生，并且可以降低培訓資源消耗，縮短培訓周期。

本文提出一種以虛擬現(xiàn)實(VR)技術為核心，進行輸電線路“機巡”+“人巡”實操仿真培訓系統(tǒng)，通過計算機對各種物理工況進行模擬實現(xiàn)，以仿真模擬手段復現(xiàn)一個以教學和訓練為目的真實系統(tǒng)行為的培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有資源消耗少、培訓效果好、安全性高等優(yōu)勢。

1 實操仿真培訓系統(tǒng)構成

輸電線路仿真培訓系統(tǒng)是通過VR技術支持,在計算機虛擬環(huán)境下利用系統(tǒng)數(shù)學模型和線路模型建立電力系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)，諸如桿塔、導線以及各種作業(yè)工具，并對輸電線路的巡視檢查、施工作業(yè)和運行場景進行模擬仿真，從而為電力企業(yè)提供豐富的教學培訓和考核的手段，以達到提高培訓效果和質量的目的。

1.1 模型搭建及虛擬場景建立

輸電線路巡檢的仿真操作環(huán)境是通過虛擬現(xiàn)實(VR)技術構建的，仿真模擬與實際場景逼近的虛擬模型是實現(xiàn)實操仿真培訓系統(tǒng)的必要前提。輸電線路巡檢虛擬三維場景的構建必須要選擇合適的實現(xiàn)手段來進行具體實施，VRML是基于HTML語言的三維模型，它具有文件占用空間資源少，易于通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳播等特點。VRML定義了很多種類型的模型構建手段，通過對模擬環(huán)境的幾何形狀、物理外觀、接觸反應和光線聲音相關因素等進行描述，生成逼近真實的模擬仿真場景[2]。通過Java開發(fā)環(huán)境編寫上位機操作軟件，實現(xiàn)對虛擬場景的操控。仿真培訓系統(tǒng)總體架構框圖,如圖1所示。

圖1 仿真培訓系統(tǒng)總體框圖

1.2 巡檢設備樹模型搭建

搭建輸電線路虛擬巡檢仿真模型是為了將輸電線路的架構及其存在的缺陷形象逼真地表現(xiàn)出來。輸電線路模擬仿真模型是在對各種不同電壓等級的輸電線路和各種功能類別的電力作業(yè)設備的合理分組的基礎上搭建起來的。根據(jù)電力系統(tǒng)的不同等級、不同功能角色搭建模型，可以有效提高系統(tǒng)仿真模型與實際環(huán)境的接近程度。本文依據(jù)各種電力作業(yè)工器具類型不同以及輸電線路的電壓等級的不同進行細致劃分,輸電線路巡檢設備樹模型，如圖2所示。

圖2 輸電線路巡檢設備樹

對輸電線路各種對象進行細分，有利于仿真模型數(shù)據(jù)庫的存儲、復制和調用，為虛擬場景的建立奠定了堅實基礎[3-6]。

1.3 模型建立

模型的建立包括場景模型、工器具庫和人物角色搭建。

場景模型包括輸電線路和周圍虛擬環(huán)境模型，輸電線由不同電壓等級的輸電網(wǎng)和桿塔構成，周圍虛擬環(huán)境包括：巡檢輸電線路附近的建筑、山川、河流、和樹木等模型[7]。

工器具是電力作業(yè)人員在電力作業(yè)過程中必備專業(yè)工具。主要包括：防護工裝、安全防護設備、視覺觀察設備、絕緣工器具和信息輸入終端等。將工器具模型存儲在數(shù)據(jù)庫，以便在使用時可以實時調用。

輸電線路巡檢模擬培訓中，根據(jù)不同的實際工作需求對人物角色進行區(qū)分，包括工作負責人、地面工作人員、塔上工作人員。不同的人物模型的區(qū)分通過角色著裝差異來實現(xiàn)，如圖3所示。

1.4 仿真培訓操作

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，受訓人員需要以各種不同的人物角色來實現(xiàn)輸電線路巡檢模擬培訓，例如可以進行輸電線路周邊環(huán)境的巡察，操作虛擬電力作業(yè)工具。模擬仿真培訓過程中，因為人物無法像現(xiàn)實中那么智能，需要用窮舉法對實際作業(yè)動作建立一個數(shù)據(jù)庫，并把各種操作動作分解，通過一個小動畫形式表現(xiàn)出來[8-10]。受訓人員要在仿真培訓中模擬對輸電線路進行巡檢并查找其缺陷這一操作，需要分解為4個小動畫。

(1) 望遠鏡的選擇；

(2) 調整望遠鏡的位置；

(3) 仔細查找輸電線路的缺陷；

(4) 結束缺陷查找。

在模擬實際操作培訓過程中，需要對每一步操作進行分解和細化，以達到與現(xiàn)實作業(yè)一樣的效果，這樣就可以讓受訓人員有一種身臨其境的感覺，從而提高系統(tǒng)體驗的真實性。

2 系統(tǒng)整體架構

2.1 軟件結構

線路模擬實際操作培訓系統(tǒng)采用客戶-服務器模式，受訓員可以通過計算機界面進行操作，通過計算機技術、網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實技術將現(xiàn)實中的輸電線路巡檢的操作規(guī)程和計算機軟硬件相結合，通過虛擬仿真、三維動態(tài)和實時交互進行巡檢內容的培訓[11-12]。

軟件結構主要包括：數(shù)據(jù)庫資料查詢、輸電線路巡檢培訓、多成員協(xié)同操作、效果考評、在線監(jiān)控、現(xiàn)場教學。其中，數(shù)據(jù)庫資料查詢可以方便受訓人員掌握專業(yè)知識，提高個人技能；多成員協(xié)同操作可以增強受訓人員間的協(xié)同操作能力；現(xiàn)場教學方便培訓人員對受訓人員進行現(xiàn)場指導，解決培訓過程中遇到的問題。

2.2 數(shù)據(jù)結構

輸電線路巡檢實操培訓系統(tǒng)包括3個部分：場景數(shù)據(jù)和培訓資料數(shù)據(jù)庫、培訓員機和受訓員機。培訓員機對受訓員機進行考核，考核結果存到已建立好的數(shù)據(jù)庫中，受訓員機根據(jù)培訓員機進行場景選擇，具體數(shù)據(jù)交互,如圖4所示。

2.3 硬件結構

輸電線路巡檢平臺以電力企業(yè)已有的局域網(wǎng)為基礎，由知識數(shù)據(jù)庫、Web服務器和培訓人、受訓人工作站組成。培訓人通過網(wǎng)絡對巡檢資料和教學內容進行管理，受訓人通過網(wǎng)絡進行具體的巡檢培訓作業(yè)。

圖4 各角色間數(shù)據(jù)交互結構

巡檢平臺的知識數(shù)據(jù)庫需要根據(jù)實際情況進行更新，以滿足電力系統(tǒng)培訓發(fā)展的需要[13]。輸電線路巡檢平臺結構,如圖5所示。

圖5 輸電線路巡檢平臺結構

由圖5可知，培訓人根據(jù)受訓人的培訓需要，從巡檢資料數(shù)據(jù)庫調取相應的培訓內容，通過Web服務器實現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)，可同時對多個受訓人進行在線培訓。

3 系統(tǒng)軟件設計關鍵技術

在進行線路巡檢實操仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)過程當中，作為核心技術的引擎是決定系統(tǒng)性能的決定性因素。引擎是一系列預先規(guī)定好的,與系統(tǒng)初始化、人員控制、圖像處理、三維建模和碰撞檢測等有關的函數(shù)，有實現(xiàn)程序員的開發(fā)工具包的功能，程序員只需要調用引擎中的相關函數(shù)即可完成開發(fā)工作。所以在培訓系統(tǒng)開發(fā)中，通過對三維圖形引擎的結構和功能的有效借鑒，可以開發(fā)一種用于輸電線路仿真培訓系統(tǒng)的“引擎”。

3.1 光照模型

電力系統(tǒng)的輸電線路的運行環(huán)境復雜，環(huán)境多變，因此電力作業(yè)人員觀察物體的反射效果會因光照強度差異而有所區(qū)別，為確保線路巡檢虛擬環(huán)境最大程度上逼近實際環(huán)境，實操培訓系統(tǒng)的引擎采用統(tǒng)一光照模型，采用凹凸映射貼圖使引擎計算出理想的光照效果，因此需要對引擎的處理性能進行提升。

本文所提及的培訓系統(tǒng)的引擎采用的算法是基于Blinn-Phong局部光照方法，如式(1)。

I=kaIa+∑Ii[kd(N*Li)+ks(N*Hi)n]

(1)

式中：ka——光反射參量；

kd——漫反射參量；

ks——鏡面反射參量；

Ia——環(huán)境光強參量；

Ii——入射光強參量；

n——鏡面高光參量；

N——任意一點的法矢量；

Li——該點到光源矢量；

Hi——半角矢量。

上述矢量均為進行標準化處理后的單位矢量。

本文采用的光照模型算法的處理過程包括光照處理和幾何處理兩部分，首先采用虛擬場景的幾何數(shù)據(jù)完成幾何處理，然后用利用Blinn-Phong模型在預處理過程中降低紋理處理和載入時間。

3.2 引擎系統(tǒng)

引擎系統(tǒng)的作用主要是用來保證虛擬真實環(huán)境的準確性，通過碰撞檢測模擬物體在不同環(huán)境下的運動狀態(tài)。碰撞檢測系統(tǒng)要求極高的實時性，在進行引擎系統(tǒng)設計過程中，高效的碰撞檢測算法對提高系統(tǒng)的實時性很有效果。

頂點坐標向量U的表達,如式(2)。

(2)

協(xié)方差方差矩陣C的解,如式(3)。

1≤j,k≤3

(3)

矩陣C包括P、Q、R三個向量，這三個向量是兩兩正交的單位向量，因此對矩陣C求解就能確定包圍體的3個軸向坐標。較多的實體碰撞會導致碰撞檢測效率降低，進而影響系統(tǒng)的執(zhí)行效率，本文采用一種基于動態(tài)列表的改進算法，該算法可以明顯優(yōu)化現(xiàn)有的碰撞檢測算法。

為了把場景中實體投影到X、Y、Z坐標軸上，該算法可以降低矩陣的維度，并生成3張用來存放包圍體在各軸投影端點的動態(tài)排序列表，然后根據(jù)此表計算相鄰的實體位置，最終確定相交的包圍體，實體位置的計算方程,如式(4)。

MpA(t)=pAs+vAst+aAst2,s∈{x,y,z}

(4)

式中，pAs表示實體的位置；vAs表示速度；aAs表示加速度；MpAs表示實體A在不同時間的位置。實體A、B發(fā)生位置相同的碰撞時表達式,如式(5)。

MpAs(Ti,j)-MpBs(Ti,j)=0

(5)

動態(tài)排序列表可以生成一張相鄰元素碰撞時間的優(yōu)先級隊列，這樣相鄰元素之間就可以進行數(shù)據(jù)交互，通過求解實體的運動狀態(tài)，可以預測是否發(fā)生碰撞，如式(6)、式(7)。

pAs+vAsTi,j=pBs+vBsTi,j

(6)

(7)

式中，Δps=pAs-pBs,Δvs=vAs-vBs。

碰撞時間Ti,j求解方程,如式(8)、式(9)。

Δps+ΔvsTi,j+Δas(Ti,j)2=0

(8)

(9)

式中，Δas=aAs-aBs。

4 實操仿真培訓實例

4.1 系統(tǒng)功能

輸電線路實操仿真培訓具有現(xiàn)場漫游的功能，讓受訓人員從不同的角度了解作業(yè)現(xiàn)場，可以規(guī)范電力操作人員的工器具操作流程。具有實際操作、維護檢修的功能，同時能對具體案例進行復現(xiàn)模擬和教學，有利于培訓人員和受訓人員之間的互動交流，培訓結束后系統(tǒng)可以對學員進行考核，學員也可以通過該系統(tǒng)提供的功能進行自我評價[14]。系統(tǒng)交互界面示例,如圖6所示。

圖6 實操仿真培訓交互界面示例

系統(tǒng)引擎采用Blinn-Phong局部光照算法，并采用較多凹凸映射貼圖，在幾何框架的屬性定義中對色彩紋理貼圖、法向量貼圖、鏡面反射和高光貼圖進行指定，引擎通過運算得出正確的光照效果。

4.2 虛擬線路巡檢培訓實例

使用本系統(tǒng)時，首先培訓員登錄系統(tǒng)，然后根據(jù)培訓具體內容建立場景，最后受訓員進入對應的主機培訓任務，以對應的人物角色來實現(xiàn)輸電線路巡檢模擬培訓，并對本次培訓進行評估和記錄。虛擬線路巡檢示意圖,如圖7所示。

圖7 虛擬線路巡檢示意圖

虛擬線路巡檢培訓克服了傳統(tǒng)培訓效果差和對條件要求高的缺點，具有明顯的實用性和經(jīng)濟性。虛擬輸電線路巡檢培訓能讓受訓人員高效、熟練地掌握線路巡檢技能，并迅速查出線路缺陷。

5 總結

基于VR技術的輸電線路“機巡”+“人巡”實操仿真培訓系統(tǒng)以教學和培訓為目的，可滿足輸電線路巡檢人員的培訓需求。該系統(tǒng)通過模擬仿真來再現(xiàn)一個真實的場景模式，培訓人員可以對受訓人員的受訓過程在線監(jiān)測，在實操仿真培訓的過程中實時反饋信息。該仿真培訓系統(tǒng)能夠讓學員的培訓過程不受時間和地點的約束，具有很強的靈活性，從而打破了傳統(tǒng)培訓對空間和時間的限制，有利于降低成本并且提高效率，輸電線路巡檢實操仿真培訓能夠有效提升電力企業(yè)從業(yè)人員業(yè)務培訓水平和電力作業(yè)質量，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力保障。