基于虛擬現(xiàn)實技術的安全警示系統(tǒng)設計

［摘 要］針對目前變電站運行中存在的問題，設計并實現(xiàn)了一套完整的安全警示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精密的3D 模型及虛擬現(xiàn)實技術，可營造出無限接近于現(xiàn)實的訓練與作業(yè)環(huán)境。試驗證明，本方法可顯著提升作業(yè)工人的安全防護意識及應對突發(fā)事件的能力。未來，該系統(tǒng)有望在更多的電力設施中推廣應用，提高整體的安全管理水平。

［關鍵詞］虛擬現(xiàn)實技術；教育培訓；安全警示系統(tǒng)設計

［中圖分類號］TP391.9 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0003–03

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著電能轉換、分配及傳輸?shù)年P鍵任務。但其運行過程中存在高壓、電弧閃及其他設備失效等諸多問題，易造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟損失。

文章旨在基于虛擬現(xiàn)實技術，設計一種變電站安全警示系統(tǒng)，以提高變電站工作人員的安全意識和應急響應能力。

1 虛擬現(xiàn)實技術概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，以下簡稱“VR”）技術是一種能夠模擬和創(chuàng)造虛擬環(huán)境的計算機技術，通過頭戴式顯示器、跟蹤系統(tǒng)、互動裝置等設備及設施，使用戶能夠身臨其境地感受虛擬世界。

頭戴式顯示器是虛擬現(xiàn)實體驗的關鍵設備，將計算機生成的圖像投射到用戶眼前，使用戶可以看到虛擬環(huán)境。跟蹤系統(tǒng)用于追蹤用戶的頭部和手部運動，從而對虛擬場景進行動態(tài)調節(jié)。常用的跟蹤方法有慣性、光學、電磁等。互動裝置讓用戶可以通過手柄、手套、手寫筆等接觸、抓取、移動虛擬物件，并做動作辨識。

2 基于虛擬現(xiàn)實技術的安全警示系統(tǒng)的設計背景

新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)對變電站的安全管理提出了較高要求。目前，基于紙質教材、視頻教學、實地演習等方式，存在著訓練內容更新困難、學習效果評價困難、作業(yè)過程中的安全風險等問題。

近年來，VR 技術的發(fā)展為變電站安全管理帶來了新的契機。VR 技術通過創(chuàng)建高度逼真的三維虛擬環(huán)境，使用戶能夠身臨其境地體驗和操作，從而大幅提高了培訓和警示的效果。利用虛擬現(xiàn)實的方法，實現(xiàn)了對各類險情的仿真，并對作業(yè)過程中的作業(yè)動作進行了及時反饋，從而提高了電力作業(yè)人員對作業(yè)過程的認識和把握。

在這一背景下，文章提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術的變電站安全警示系統(tǒng)，旨在通過先進的技術手段提高變電站的安全管理水平。該系統(tǒng)結合了高精度的三維建模、實時交互及數(shù)據(jù)分析等技術，為操作人員提供了一個沉浸式的培訓和應急演練平臺。具體包括以下方面：①能夠判斷用戶的狀態(tài)，并記憶用戶在系統(tǒng)中的一切行為。②讓用戶在系統(tǒng)中真切感受到事故帶來的影響。③構建不同類型的虛擬場景，并將錯誤操作引發(fā)的后果展現(xiàn)在虛擬場景中，增強用戶的實際體驗，安全警示教育效果更好。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術的安全警示系統(tǒng)的設計

3.1 安全警示系統(tǒng)結構

安全警示系統(tǒng)中包含了用戶體驗端、虛擬構建單元、事故回顧模塊等組成部分。用戶佩戴VR 設施后，能夠在線上環(huán)境中與虛擬構建單元進行交互。在虛擬構建單元中，建立了虛擬形式的事故體驗平臺。通過事故回顧系統(tǒng)，幫助用戶回顧“事故操作”的具體情況。安全警示系統(tǒng)組成結構如下。

3.1.1 用戶體驗端

用戶體驗端包括VR 視覺模塊、VR 虛擬模塊。用戶體驗端內置信號連接模塊，可與數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)交互。用戶體驗端內置視覺模塊、聽覺模塊及感知模塊，能夠調動用戶多種感官。當用戶信息傳輸?shù)教摂M構建單元后，系統(tǒng)自動驗證用戶信息。驗證通過后，為用戶提供登入權限。若用戶是第一次登錄平臺，登錄后，由虛擬構建單元為用戶發(fā)出錯誤的操作引導。用戶獲取錯誤的引導后，執(zhí)行錯誤操作，由虛擬構建單元生成對應的事故場景。這種事故場景融合了音頻與視頻效果，能夠模擬用戶在事故場景中的受傷情況。隨后虛擬構建單元反饋操作步驟及錯誤解析信息，用戶可訪問事故回顧模塊，查看錯誤的操作步驟及相關的解析信息。若用戶是第2 次或多次登錄，登錄后，如果操作步驟存在錯誤，虛擬構建單元根據(jù)用戶的錯誤操作，反饋對應的事故場景，讓用戶體驗事故效果并回顧事故操作。如果用戶操作準確，系統(tǒng)將用戶的操作過程及操作的次數(shù)存儲在記錄模塊中。

3.1.2 虛擬構建單元

（1）事故場景構建模塊。根據(jù)場景實際情況構建模型，警戒線與模型保持對齊關系（2）事故效果構建模塊。獲取事故場景構建模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，根據(jù)事故現(xiàn)場的爆炸效果，分析爆炸的狀態(tài)，關注火花、煙霧、爆炸痕跡等因素。

（3）修改默認粒子模塊。獲取事故效果構建模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，結合場景需求，明確需要調整的粒子個數(shù)，以及每個粒子的大小、范圍和速度。

（4）數(shù)據(jù)輸出模塊和事故體驗平臺。分別獲取修改默認粒子模塊反饋的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出模塊生成錯誤操作引發(fā)的事故效果。用戶佩戴體驗端，就能親自體驗事故效果。

（5）事故回顧模塊。在該模塊中能夠顯示事故的內容和原因，展示用戶操作中的錯誤步驟，讓用戶知曉錯誤的操作及導致錯誤的原因。

3.2 系統(tǒng)的可擴展性和可定制性

當設計基于虛擬現(xiàn)實技術的安全警示系統(tǒng)時，可擴展性和可定制性是關鍵要素。通過模塊化設計、開放式體系結構、可配置參數(shù)、數(shù)據(jù)接口與集成、可擴充與可更新性等方面的考量，使該體系可以滿足不同的用戶需要，可以與其他設備和系統(tǒng)進行無縫整合，并且可以向用戶提供個性化的功能與設定。這樣的設計使系統(tǒng)更加靈活、可擴展，并能夠滿足不斷變化的需求和技術進步。

4 安全警示系統(tǒng)的應用路徑

4.1 分析錯誤操作

系統(tǒng)為用戶發(fā)出錯誤的引導后，觸發(fā)虛擬構建單元，并根據(jù)錯誤操作呈現(xiàn)對應的事故場景。系統(tǒng)反饋的事故場景具有圖文并茂、聲像俱全的特征。用戶利用體驗客戶端，通過視覺聽覺模塊，聆聽事故場景中的音效，觀看事故場景中的畫面，多角度增強體驗效果。在不傷害用戶的前提下，讓用戶獲得最真實的反應。虛擬構建單元在生成、反饋事故場景的同時，將錯誤解析的信息反饋到事故回顧系統(tǒng)。用戶進入到事故回顧系統(tǒng)后，能復盤此前的錯誤操作及解析信息，對錯誤操作原因理解更深刻。

4.2 建立事故場景

在安全警示系統(tǒng)的事故場景構建過程中，以變電站的開關柜模型為例。對開關柜進行取材測量后，獲取開關柜數(shù)據(jù)，確保模型數(shù)據(jù)真實準確。開關柜的組成結構包括開關柜的柜體上柜、中柜、下柜、后柜的柜門及內部區(qū)域，以及柜門和區(qū)域中包含的構件，如下柜內部包括避雷器、銅片、零式電流互感器、電纜等組件。具體操作步驟如下：用戶導入構建場景所需要的模型部件→調整材質參數(shù)，根據(jù)變電站的實際情況，擺放模型和部件，警戒線與模型排列對齊→通過操作場景界面中的燈光切換功能，關閉場景中的照明效果→在場景中添加墻燈，確保墻燈位置合理→利用點光源為場景添加燈光→通過檢查器設置燈光的亮度、色彩→場景設置完畢并檢查無誤→選擇房間，將攝像機加入房間→明確攝像機的最佳位置，以模擬攝像機的視角。

4.3 構建虛擬化的事故效果

以變電站的爆炸事故為例，需要利用粒子特效。創(chuàng)建粒子物體后，選中創(chuàng)建的粒子并設置參數(shù)與形態(tài)效果。根據(jù)粒子的參數(shù)，適當調整粒子的大小，播放時間、變化路徑、顯示大小及播放速度，找到最佳的粒子狀態(tài)，還能在虛擬仿真環(huán)境中模擬粒子的特效展示效果。根據(jù)變電站爆炸事故的效果，分析爆炸事故的形態(tài)，包括火煙、火花、煙霧及爆炸后的痕跡。若要調整火煙、火花、煙霧，需要參考粒子特效的參數(shù)。事故效果構建過程中，首先修改默認粒子的基礎參數(shù)，隨后調整粒子的發(fā)射模式及形狀板塊，同時考慮粒子產(chǎn)生時長及力對粒子的影響，然后調整粒子發(fā)生過程中的顏色與大小，以及單個粒子的渲染器與材質。

4.4 體驗安全事故過程

通過分析因開關柜帶電合接地引發(fā)的安全事故，分析安全事故發(fā)生過程。用戶進入系統(tǒng)并發(fā)出體驗請求后，系統(tǒng)在界面展示開關柜當前的狀態(tài)，并提醒用戶按照順時針方向，扳動接地倒閘的搖把。由于高壓開關柜帶電合接地，引發(fā)爆炸事故。事故結束后，前端界面中展示事故原因的文字描述內容，回放事故全過程。用戶觀看事故回放后，系統(tǒng)從第三人稱視角描述開關柜的狀態(tài)，清晰展示開關柜事故的原因。回放完畢后，用戶可以重復體驗開關柜的操作事故，或選擇并體驗其他類型的事故，最終體驗開關柜的全部事故類型。

5 結束語

基于VR 技術的變電站安全警示系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的安全管理提供了一種創(chuàng)新且有效的解決方案。本項目采用了先進的VR 技術，既可以對實際的變電站進行仿真，又可以對各種危險情況進行演習，提高了工作人員的安全意識和緊急情況下的應變水平。試驗證明，本方法在實踐中效果明顯，可有效降低電力系統(tǒng)運行中的安全風險，提升電力系統(tǒng)運行的綜合管理能力。基于VR 技術的變電站安全警示系統(tǒng)不僅是技術與安全管理的有機結合，更是推動電力行業(yè)安全管理水平提升的重要一步。

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