浅析电力安全三维仿真培训平台的设计与开发

马元忠

摘 要：电力三维仿真培训系统是电力企业对员工进行安全培训的主要手段之一，它能够达到逼真的模拟效果，并且易于后期维护和随时升级。计算机虚拟现实技术的推广为电力培训三维仿真系统的开发提供了强有力的技术支持，三维仿真培训系统的开发也因其自身强大的表现力，在很大程度上提高了电力安全培训的质量和效率。

关键词：电力安全；三维仿真；培训平台；设计

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.110

现有的电力安全培训无法模拟真实的情境，所以，培训效果不尽如人意。而三维仿真培训平台设计构想提出后，则可以通过三维的立体表现能力增强培训人员的真实体验感，在他们面前呈现一个真实的三维视景，在操作控制体验和培训效果方面都有了很大的提升。三维仿真培训系统的设计和开发需要应用程序编程技术，而培训平台则需要展现大规模的三维场景，并渲染现场的气氛，以增强体验的效果，这就对系统的逻辑控制和操作属性提出了更高的要求。

1 三维仿真培训系统的研究意义

近年来，天气原因、设备故障、操作失误等引发的电网事故频繁发生。其中，由于人为操作失误引发的电网事故占有相当大的比例，所以，对操作人员进行必要的电力安全培训成为了电力系统安全、稳定运行的重要保障，而电力安全培训是提高员工防范意识、减少操作失误的有效途径。电力系统运行的独特性要求其不能通过实际的电力设备操作进行安全培训。但是，因为课堂教授方式的现场体验感较差等，无法达到预期的培训效果。传统的培训不能通过实际的设备演示增强学员参与的积极性，这种脱离实际电力设备和运行环境的培训必然无法切实提高作业人员的分析能力和应变能力。因此，建立一个虚拟环境来模拟电力系统的运行是非常必要的。

三维仿真培训系统的技术开发将为供电企业提供一个虚拟的互动式培训平台，通过电力系统的交互式体验学习，能极大地提高技术人员的操作水平和理论水平，增强他们的安全操作技能，最大限度地避免电力事故的发生。

2 三维仿真培训系统的架构设计

2.1 电力仿真框架

电力安全培训的三维仿真系统要想真实地反映电气设备的外观结构和运行环境，就需要三维仿真系统能够展现规模庞大的现实虚拟场景，所以，在开发系统的逻辑控制程序时，就需要将三维仿真系统的整体架构分为电力仿真框架和通用三维仿真引擎两部分。在现实的操作过程中，操作人员是通过仪表设备操作控制电气设备的，而在三维仿真培训系统中，则是通过复杂的逻辑系统实现对其的控制，将现实中的电气设备和仪表转化为抽象的虚拟设备和操作逻辑。为了使各种动作状态在三维效果中显示得更加正确、合理，达到预定的视觉属性，往往需要重新组织节点名称和节点坐标。

2.2 通用三维仿真引擎

通用三维仿真引擎的功能是达到图形渲染、交互控制和网络通信的目的。它是由资源管理、场景管理和动画系统三个子系统组成的。通用三维仿真引擎与逻辑操作无关，它主要是为了实现三维虚拟场景的重建和环境渲染。电力仿真系统与通用三维仿真引擎共同组成了一个完整的三维仿真培训系统。

3 系统实现的主要技术要求

3.1 仿真对象和电气属性的同步

在三维虚拟环境下，为了保证虚拟对象和行为的一致性，往往需要借助事件、属性、对象的三位一体机制来实现。电气设备的虚拟设计是电力安全三维仿真培训系统的主要对象，除了颜色、缩放比例等常见的属性外，还需要对仿真对象的电气闭合状态和相关参数等重要的属性进行逻辑设计。当虚拟操作导致电气设备的闭合状态发生变化时，电气设备的相关属性就会发生变化，最终使得电气设备的参数发生变化。当信息传递到设备管理器时，就可以重新计算电网的参数来更新事件的状态。

3.2 逻辑控制与复杂操作的对应关系

电力安全三维仿真培训系统的操作过程应当全面支持操作者的各种开放式操作行为。简单来讲，虚拟的操作逻辑应当及时地判断和反馈操作者的操作行为。开放式的操作控制逻辑与封闭式的操作控制逻辑相比，其应变能力和复杂程度都大幅提高了，在这种操作控制逻辑下，用户可以根据自己的操作习惯灵活操作，避免复杂的操作流程带来一定的操作压力。在错误的操作下，操作系统也会及时给予警告或提示，这样便可以更好地实现智能化培训的目的。

3.3 大规模场景的情境渲染技术

由于电力安全培训的三维虚拟场景范围比较大，需要仿真对象根据培训人员的操作产生动态移动，这就要求在具体的逻辑设计中，不能把全部的仿真对象放置在同一个渲染列表中，以免影响操作过程控制。在实际设计中，可以将仿真对象分为可渲染对象和可移动对象两种。可渲染的仿真对象一般是指场景对象的模型数据，它只要求有显示的功能，而可移动仿真对象则需要能够在三维坐标中来回移动。当场景数量较大时，可以分别优化处理静态场景和动态场景。只更新动态场景的空间信息而忽略了静态场景的空间信息，不仅能够提高渲染速率，还可以有效地节约计算资源。

3.4 三维交互模式的实现

三维交互模式的首要功能是当用户轻点三维场景中的某一个物体时，系统就可以快速地检测到该信息的传送情况，并快速反应，从而实现三维交互模式中的人机交互。三维物体是根据射线相交的原理实现的，当鼠标点击的位置发射一条平行于视线的射线与场景射线相交计算时，交点即该物体的位置标识。常用的三角形检测方式往往会占用较多的计算资源，影响定位速率。为了避免这种情况的发生，可以采取包围球体的检测方式与三角形检测方式混合使用的方法，提高检测速率。

4 三维仿真培训系统的应用

根据上面的整体架构设计和主要问题分析，可以初步实现包含场景编辑器、逻辑编辑器、地图编辑器在内的三维仿真培训系统。场景编辑器可以实现三维场景的构建功能，逻辑编辑器可以将复杂的逻辑语言转化为可视性的操作过程，实现虚拟设备的响应控制功能，而开发人员则可以通过地图编辑器实现三维场景的布置功能，并且可以及时查看编辑结果。

5 结论

通过分析电力安全三维仿真培训系统的特点和设计难点，设计、研究出了满足实际需求的三维仿真培训系统，进而实现较大规模的渲染和较好的人机交互操作体验。对三维仿真培训系统的开发和研究需要全面设计逻辑控制功能，只有这样，才能保证三维仿真系统在实际操作中实现较好的用户体验，达到预期的培训效果。

参考文献

[1]马骁旭，江全才，魏飞翔，等.输电线路运检三维仿真培训系统的设计与开发探讨[J].中国电力教育，2013（11）：141-142.

[2]乔卉，龚庆武，江传文.面向电力培训的三维交互仿真平台的设计与实现[J].电力自动化设备，2013（06）：157-162.

[3]海晓涛，林尉，葛贤军，等.西北750 kV交直流混联电网综合仿真培训系统[J].电网技术，2012（08）：254-259.

〔编辑：白洁〕