示范式帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

邵九 傅洪全

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓(xùn)中心 江蘇省蘇州市 215004）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)于供電可靠性的要求越來越高。配電網(wǎng)承擔(dān)著就地或逐級(jí)向各類用戶供給和配送電能的任務(wù)，是確保供電質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。配網(wǎng)帶電作業(yè)是提高供電可靠性最直接有效的措施，從而得到了高度的重視和廣泛的推廣。

相較于停電作業(yè)任務(wù)，帶電作業(yè)對(duì)于現(xiàn)場工作人員的知識(shí)技能水平的要求大幅提升，這也使相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)需求更為迫切。目前電力企業(yè)員工的知識(shí)技能學(xué)習(xí)主要有幾種模式：作業(yè)現(xiàn)場“師帶徒”模式，這是最傳統(tǒng)、直接的技能培訓(xùn)模式，但作業(yè)任務(wù)時(shí)間緊迫，專門教學(xué)時(shí)間有限，學(xué)習(xí)效率較低；培訓(xùn)中心“集中培訓(xùn)”模式，這種模式相對(duì)規(guī)范、高效，但培訓(xùn)班次有限，受訓(xùn)時(shí)長有限，而學(xué)員多、培訓(xùn)設(shè)施少，且參訓(xùn)人員往往只能在下面觀看，會(huì)存在視角的局限或障礙物的遮擋，看不清甚至看不到教員的操作過程；工作班組“相互交流”模式，這種利用碎片化時(shí)間進(jìn)行技能培訓(xùn)的形式，沒有專門培訓(xùn)設(shè)施，加之員工缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，培訓(xùn)效果也不理想；網(wǎng)絡(luò)大學(xué)“自我學(xué)習(xí)”模式，這在一定程度上解決了員工的理論知識(shí)匱乏的問題，卻無法提高專業(yè)人員最需要提高的現(xiàn)場實(shí)際操作技能。這幾種模式都會(huì)多少受到實(shí)訓(xùn)場地和設(shè)備經(jīng)費(fèi)的限制，而且標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)技能培訓(xùn)以及考核困難，這表明原有的培訓(xùn)模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今培訓(xùn)的需要，在新形勢(shì)下尋求新的培訓(xùn)方式已經(jīng)成為帶電作業(yè)培訓(xùn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

眾所周知，人類文明的偉大進(jìn)步之一就是工具的使用，而人類社會(huì)的每次進(jìn)步也往往歸功于工具的革新，當(dāng)前的形式要求我們尋求變革，對(duì)學(xué)習(xí)培訓(xùn)工具進(jìn)行大膽創(chuàng)新。三維仿真培訓(xùn)應(yīng)運(yùn)而生，它提供了一種全新的培訓(xùn)手段，為解決傳統(tǒng)培訓(xùn)存在的問題，使帶電作業(yè)培訓(xùn)逐漸趨于科學(xué)、系統(tǒng)、安全的提供了一條新的途徑。為了真正實(shí)現(xiàn)“示范性”三維仿真教學(xué)，減輕教練員親自示范的教學(xué)負(fù)擔(dān)，減輕對(duì)培訓(xùn)場地、實(shí)際設(shè)備的依賴，力求實(shí)現(xiàn)實(shí)操技能傳承、傳授的數(shù)字化、規(guī)范化、系統(tǒng)化，筆者及同仁努力研發(fā)了示范式帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)以配網(wǎng)帶電作業(yè)“作業(yè)級(jí)流程”為主線，以“作業(yè)流程化、流程標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)可視化”為原則，以提升配網(wǎng)帶電作業(yè)人員技能水平和現(xiàn)場作業(yè)安全系數(shù)為目標(biāo)，采用三維仿真技術(shù)，模塊化、全角度展示帶電作業(yè)操作的全過程。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

示范式帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，這是一款基于java 開發(fā)的符合J2EE 開發(fā)規(guī)范的B/S 多層架構(gòu)系統(tǒng)。其中主要有四大功能：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、標(biāo)準(zhǔn)庫管理、培訓(xùn)班管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真培訓(xùn)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要進(jìn)行編碼類、底層數(shù)據(jù)類、配置類的數(shù)據(jù)維護(hù)；標(biāo)準(zhǔn)庫管理模塊包含帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)過程的相關(guān)內(nèi)容管理；培訓(xùn)班管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)培訓(xùn)的開班、結(jié)業(yè)，培訓(xùn)學(xué)員的增刪改以及學(xué)員成績的查詢等等；標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真培訓(xùn)即為主要核心功能模塊，包含三種仿真應(yīng)用模式：自我學(xué)習(xí)模式、模擬演練模式以及量化考核模式。我們通過仿真培訓(xùn)平臺(tái)力爭做到導(dǎo)學(xué)結(jié)合，練測(cè)一體，達(dá)到以測(cè)促練、以練促學(xué)、以學(xué)促用培訓(xùn)目的。

3 技術(shù)路線

帶電作業(yè)三維仿真采用層次建模的方法，對(duì)人物、專用工具、場景進(jìn)行三維模擬，通過邏輯引擎，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)交互操作，可對(duì)參訓(xùn)人員的進(jìn)行項(xiàng)目全過程示范性教學(xué)培訓(xùn)，同輔助以工序工藝的重點(diǎn)展示和強(qiáng)調(diào)，為帶電作業(yè)的培訓(xùn)提供了切實(shí)有效的方式。

3.1 幾何建模

帶電作業(yè)三維仿真中涉及到的幾何模型包含：

（1）場景模型，建立虛擬自然環(huán)境和建立虛擬電氣環(huán)境；

（2）人物模型，建立帶電作業(yè)中擔(dān)任不同任務(wù)的作業(yè)角色模型；

（3）工具或器具模型，建立各種諸如吊車、斗臂車等帶電作業(yè)現(xiàn)場需要的特種車輛，以及類似于各種絕緣防護(hù)裝備用具、操作工程中涉及的工具等。

3.2 行為建模

在模擬仿真的作業(yè)環(huán)境中，以實(shí)際操作人員的身份去進(jìn)行虛擬化的作業(yè)，通過三維虛擬交互仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化全過程仿真，將作業(yè)過程各個(gè)步驟包含的作業(yè)場景、作業(yè)人員、操作手法、工藝標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行立體、擬真、直觀地展示和交互，有效地促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)“最后一公里”的真正落地。

3.3 場景驅(qū)動(dòng)

場景驅(qū)動(dòng)執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)虛擬人和物體的交互，并使虛擬場景活動(dòng)起來。為了實(shí)現(xiàn)場景的驅(qū)動(dòng)需要定義虛擬角色如何在三維虛擬場景中進(jìn)行行動(dòng)以及虛擬環(huán)境如何發(fā)生變化。虛擬角色和設(shè)備的行為和運(yùn)動(dòng)控制過程相互配合實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景的模擬。同時(shí)，參訓(xùn)人員通過交互可實(shí)現(xiàn)對(duì)于場景中設(shè)備工具標(biāo)識(shí)查看，設(shè)備外部透明等功能選擇。

4 功能組成

示范式帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)仿真以實(shí)用化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全面的功能覆蓋。自我學(xué)習(xí)仿真模式下，不僅支持按步驟順序自動(dòng)展示仿真作業(yè)過程，還可以針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)的任意點(diǎn)播反復(fù)學(xué)習(xí)。此外，訓(xùn)練考核模包含擬真類考核和可自主擬定的客觀題庫考核。

系統(tǒng)中帶電作業(yè)仿真的基礎(chǔ)管理，包括標(biāo)準(zhǔn)庫的管理都是開放式的設(shè)計(jì)。教員可以自行添加修改所有作業(yè)任務(wù)的工序步驟的配置，包括解說詞的字幕、配音。特別在每一個(gè)步驟系統(tǒng)都支持文本、圖片、視頻格式的輔助資料嵌入。這給教員提供了更大的發(fā)揮空間，讓他們可以針對(duì)不同的情況對(duì)培訓(xùn)素材進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)也是對(duì)培訓(xùn)資料的積累和傳承。

4.1 自我學(xué)習(xí)模式

參訓(xùn)人員可在系統(tǒng)中完整觀看每一項(xiàng)帶電作業(yè)任務(wù)執(zhí)行的三維仿真，每個(gè)帶電作業(yè)仿真任務(wù)所展示的都是一個(gè)從現(xiàn)場復(fù)勘開始、申請(qǐng)工作票、召開站班會(huì)，到作業(yè)步驟一步步展開，一直到清潔作業(yè)現(xiàn)場、終結(jié)工作票全過程展現(xiàn)，相當(dāng)于教練員的全程示范，與此同時(shí)系統(tǒng)還將對(duì)作業(yè)中的每一工序、危險(xiǎn)點(diǎn)、工藝要求和動(dòng)作要領(lǐng)進(jìn)行講解。

仿真界面包含基礎(chǔ)功能按鈕，語音解說以及與之相配合的字幕顯示，界面右上角顯示全面的工藝標(biāo)準(zhǔn)、安全距離保持、危險(xiǎn)點(diǎn)及預(yù)防措施的文字提示。在任意一個(gè)仿真執(zhí)行過程中都可以暫停，讓參訓(xùn)人員有時(shí)間去認(rèn)真閱讀相關(guān)信息或者研究操作姿勢(shì)，仿真執(zhí)行提供優(yōu)化的默認(rèn)角度，此外還可以通過按鈕切換到自由視角，系統(tǒng)支持在仿真執(zhí)行過程中實(shí)時(shí)切換視角，這樣參訓(xùn)人員就可以以任意角度，任意視距進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)。這一設(shè)計(jì)也打破了傳統(tǒng)實(shí)拍視頻對(duì)于視角視距的限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)操技巧無死角培訓(xùn)展示。

在我們的帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)中，仿真角色接近帶電部位的時(shí)候，根據(jù)帶電部位位置，系統(tǒng)會(huì)畫出危險(xiǎn)范圍，也就是安全距離范圍。地電位作業(yè)法一定要與疑似帶電體保持0.7m 以上的安全距離。這也是在培訓(xùn)中時(shí)刻培養(yǎng)參訓(xùn)人員要警示危險(xiǎn)，時(shí)刻保持有帶電意識(shí)。驗(yàn)電的仿真培訓(xùn)，系統(tǒng)會(huì)通過仿真角色演示驗(yàn)電的起始位置，標(biāo)準(zhǔn)順序，注意事項(xiàng)等等。通過學(xué)習(xí)，參訓(xùn)人員對(duì)驗(yàn)電就會(huì)有一個(gè)清晰完整的認(rèn)識(shí)。此外，系統(tǒng)還詳盡的展示了作業(yè)過程中涉及的工器具的使用方法。我們的三維仿真系統(tǒng)不是簡單的示意，而是示范性的教學(xué)演示，是條文條例、使用說明等的具象化展現(xiàn)，對(duì)于實(shí)操具有很好的指導(dǎo)意義。

4.2 模擬演練模式

系統(tǒng)提供三維模擬作業(yè)現(xiàn)場，參訓(xùn)人員可針對(duì)訓(xùn)練任務(wù)，進(jìn)行工序、工器具使用練習(xí)，危險(xiǎn)點(diǎn)、工藝要求問答，通過模擬演練，可輔助參訓(xùn)人員全面掌握帶電作業(yè)的工序、工藝、危險(xiǎn)點(diǎn)和工器具的使用。這也是在自我學(xué)習(xí)之后對(duì)自己掌握情況的自我檢測(cè)。

在模擬演練模式下，左側(cè)工序步驟不予顯示，這也是對(duì)參訓(xùn)人員的掌控情況的一種校驗(yàn)點(diǎn)之一。對(duì)于實(shí)操類題目在操作錯(cuò)誤5 次或操作時(shí)長超過300 秒后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)播放正確答案；對(duì)于知識(shí)點(diǎn)類的客觀題目，參訓(xùn)人員可隨時(shí)查看正確答案，及時(shí)了解自己的掌握情況。

4.3 量化考核模式

主要是為教員對(duì)參訓(xùn)人員的帶電作業(yè)技能進(jìn)行量化考核服務(wù)。帶電作業(yè)技能考核中的實(shí)操考核，往往由于場地等限制無法進(jìn)行，這一困難通過三維仿真可以很好的得到解決。

教員可以通過系統(tǒng)方便快捷的設(shè)置考試的時(shí)間、考試時(shí)長、題型比重等，可在配網(wǎng)帶電作業(yè)任務(wù)的不同工序，設(shè)置考點(diǎn)，以統(tǒng)一或隨機(jī)的方式生成考卷。考核結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判卷，教員可以直觀的了解學(xué)員的答題狀況，通過操作詳情進(jìn)行試卷分析，可以結(jié)合平時(shí)培訓(xùn)情況進(jìn)行成績修正、發(fā)布。所有的過程都是可視化操作方便快捷，可大幅減輕教員在出題批閱方面的負(fù)擔(dān)。

參訓(xùn)人員在規(guī)定的時(shí)間登陸系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)考核，在三維場景下通過選擇工器具和操作對(duì)象，展示自己對(duì)工序的掌握情況，通過在線答題，展示對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)和工藝要求的掌握情況。兩者相互結(jié)合互為補(bǔ)充，可以更為準(zhǔn)確的檢測(cè)其對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

5 結(jié)語

示范式帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提供了帶電作業(yè)中詳細(xì)且規(guī)范的操作流程。在教學(xué)實(shí)訓(xùn)前，參訓(xùn)人員通過仿真平臺(tái)不斷的進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，最終可以實(shí)現(xiàn)全面的，完全的掌握操作技能知識(shí)點(diǎn)，擺脫對(duì)于實(shí)際設(shè)備的依賴且無風(fēng)險(xiǎn)性。

我們的帶電作業(yè)三維仿真系統(tǒng)展示的是示范性教學(xué)，比常見的示意性教學(xué)，傳授更多知識(shí)、技能點(diǎn)，通過動(dòng)作和工具表達(dá)每一步工序該所需完成的任務(wù)，詳細(xì)描述工器具使用方法，動(dòng)作要領(lǐng)、完整的工藝要求及危險(xiǎn)點(diǎn)，不僅傳授“作業(yè)常識(shí)”，還傳授“作業(yè)技能”。學(xué)員可仿照系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)操作業(yè)，學(xué)員實(shí)操演練前，基本不需要教員示范。

以往三維仿真系統(tǒng)是封閉式的，系統(tǒng)制作完成后，傳達(dá)的知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)，用戶不能再擴(kuò)充，本系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)交付投運(yùn)后，用戶可隨時(shí)增加教學(xué)內(nèi)容，這樣可使系統(tǒng)具有更長久的生命力和更寬泛的適用性。

以往三維仿真系統(tǒng)的考試題目是固定不變的、有限的，教員不可自主命題，先參加考試的學(xué)員會(huì)泄露試題給后參加考試的學(xué)員，嚴(yán)重限制了技能考核的客觀性和公正性。本系統(tǒng)支持教員自主添加題目擴(kuò)充題庫，支持隨機(jī)生成考題，使考核更有說服力。

通過實(shí)際部署應(yīng)用我們發(fā)現(xiàn)，示范式帶電作業(yè)三維仿真系統(tǒng)規(guī)范性、系統(tǒng)性的操作能夠從源頭上杜絕較多的習(xí)慣性誤操作，規(guī)避較多的風(fēng)險(xiǎn)。參訓(xùn)人員仿照系統(tǒng)示范進(jìn)行實(shí)操作業(yè)，上桿實(shí)操前對(duì)于整個(gè)任務(wù)已經(jīng)有了清晰系統(tǒng)的認(rèn)知，使培訓(xùn)效果大幅提升事半功倍。