淺析VR技術帶電作業仿真培訓系統的開發

李鵬

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著計算機、傳感器和控制技術的發展，一種依托圖像處理、模式識別、語音識別處理、系統集成等技術和接口設備所發展起來的綜合性信息技術——虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，以其能提供逼真的視、聽、觸等感覺，大幅提高使用者沉浸感，良好的交互性等突出優點，在軍事、醫療、交通等行業被廣泛應用，更被業界證明可在培訓領域發揮巨大作用。

VR技術20世紀60年代發源于美國，隨著各國研究的深入，其應用越來越廣。美國波多黎各大學、日本香川大學、加拿大McGill大學等先后研制了應用于電網或電廠仿真的虛擬培訓系統，并應用于電力教學或電站電廠操作員上崗培訓。國內研究雖起步較晚，VR技術在電力仿真領域也應用到多個方面，目前其在電力系統主要有5個方面的應用：變電站、輸電線路、電力系統仿真培訓、電力系統運行和輸變電工程設計。隨著VR技術的發展，其必將在電力行業各環節得到了更廣泛應用。本文主要討論VR技術在帶電作業培訓中的應用。

1 VR技術在配網帶電作業培訓中的應用分析

配電網直接面向城鎮高低壓用戶，其可靠運行直接影響著電網的穩定和安全。采用不停電作業對配網設備和線路進行維護、檢修，可大幅度縮短停電時間，提高配電網運行可靠性。隨著經濟的發展和社會的進步，不間斷供電的需求將越來越高。帶電作業是電網生產中一種技術復雜，安全性、可靠性要求極高的特殊工種，對從事帶電作業人員的專業知識和技能也提出了較高要求，定期或非定期的培訓成為必然。傳統培訓包括理論強化和現場操作演練兩塊內容，存在的問題有：理論學習多基于傳統的灌輸式教學理念，采用多媒體課件、視頻錄像等模式，學員接收知識形式單一，過程枯燥，缺乏操作練習而感受不深。現場技能操作培訓需要大量場地和設備，教學成本極其高昂，只有少數單位可以實施。在實際運行設備上開展技能培訓更是存在著較多安全隱患，很難有效滿足教學需要。采用VR技術建立虛擬仿真培訓系統，其“設備”與“部件”是虛擬的，可根據需要隨時生成新設備。VR技術的沉浸性和交互性，使學員能夠在虛擬學習環境中扮演角色，全身心投入學習環境中，提高了學習積極性和技能訓練效果。且虛擬訓練系統無危險性，學員只要愿意可以反復操作練習，直到掌握該技能為止。故在帶電技能培訓中引入VR技術，建設虛擬仿真培訓系統代替或補充傳統培訓方式，可有效解決帶電職業技能培訓中“高投入、難實施、難再現、效果差”的問題，突破傳統培訓手段局限，降低教學成本，提高教學質量和效率，增強學習體驗和激發學習積極性，促進電力職業培訓現代化。

2 基于VR技術的帶電作業仿真培訓系統

2.1 仿真培訓系統開發目標

基于“三維立體顯示、虛擬人機交互與標準化作業流程相結合”一體化設計思想，以規范化操作流程和電力安全規程為主線，采用VR、計算機仿真和三維建模技術等，對10kV帶電修補導線進行全過程仿真，開發配網帶電作業虛擬仿真培訓系統，構建全三維、高仿真、沉浸化、交互式的配電作業實操模擬環境，達到多功能沉浸式仿真互動培訓效果，實現場景漫游、模擬操作、知識講解、安全提示、故障效果等功能。

2.2 系統總體設計

總體設計主要包括系統架構、數據架構、網絡架構、安全架構和系統錯誤設計等幾部分。

在系統架構實現上，采用組件化、動態化的軟件技術，利用一致可共享的數據模型，按照界面層、業務層、數據層、硬件層實現多層技術體系設計，通過交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的服務集成，實現三維仿真培訓業務各接口組件能在支撐模塊內協同工作、各層次上集成，實現重用。其他幾部分的實現不再贅述。

2.3 交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的實現

交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺位于應用服務與底層虛擬現實設備之間，通過開發出的功能接口為上層的應用服務提供可調用的配網帶電作業培訓項目。交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的核心部分主要包括三維仿真引擎、渲染管理、資源管理、消息管理、特效管理、硬件管理等功能模塊。

2.4 學員培訓系統的實現

包括智能指引、虛擬漫游、虛擬交互、步驟跳轉、工器具使用、基于VR交互的學習模式、練習模式、考核模式等功能模塊。部分功能實現場景分別如圖1、圖2所示。

圖1 步驟跳轉

圖2 基于VR交互的考核模式

3 系統的應用

系統開發完后，安裝在學院某實訓室，已穩定運行近半年，期間不少學生參加了試用。反饋如下：系統模擬三維虛擬環境非常逼真，具有很強的體驗感和沉浸感，學習興趣有很大提高，消除了對帶電作業的恐懼感，不知不覺中熟悉了作業流程和安全規定，提高了安全意識等。

此外，采用VR仿真系統輔助教學，對學校最直接的好處是可節省大量設備投資。據了解，一臺18m長、10kV絕緣斗臂車報價達到130余萬元，還不包括后期維護保養費用等。可見VR技術在電力職業培訓中應用潛力是很大的。

4 結語

VR技術以能提供逼真感知效果、大幅提高使用者沉浸感、良好交互性等優點，在軍事、醫療、交通、電力等行業以及電力培訓等領域正發揮越來越大作用。基于VR技術開發的配網帶電作業仿真培訓系統運行良好，在教學中得到試用，結果表明，可節省大量培訓成本，大幅提高培訓效果等。