基于VR的倒闸操作票模拟与培训仿真技术初探

谭 诚，姜润东，刘成源，吕忠玲，刘怀东

(1. 国家电网公司东北分部长甸发电厂，辽宁 丹东 118016；2. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

基于VR的倒闸操作票模拟与培训仿真技术初探

谭 诚1，姜润东1，刘成源1，吕忠玲1，刘怀东2

(1. 国家电网公司东北分部长甸发电厂，辽宁 丹东 118016；2. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

电力系统倒闸的误操作每年造成不少设备故障和人身伤害，倒闸操作模拟系统是保证操作票正确性、防止电气误操作的"五防"重要措施。利用先进计算机技术的智能倒闸操作系统研究和应用成效卓著，VR技术用于倒闸操作培训仿真效果尤其突出。将新兴的VR(虚拟现实)技术用于倒闸操作模拟系统，近乎真实的虚拟环境使操作人员身临其境，模拟操作生动形象，更易找出操作票的错误。为此开发了一个倒闸操作票模拟系统，初步采用了VR技术，展现了VR在倒闸操作模拟与培训方面的应用前景。

VR；倒闸操作票；五防；模拟操作；培训仿真

由于运行方式变化、设备维护或故障维修的需要，经常需要进行变电站倒闸操作。操作人员按照操作票流程即断路器、隔离开关、接地线、二次压板等的操作顺序进行倒闸操作。然而在人工进行倒闸操作的过程中，由于操作人员主观或客观上出现责任心不强、注意力不集中、操作技术不过关或受到外界因素影响等情况，有时会出现误操作，严重时可造成重大人身财产损失，因此必须采取措施把误操作的可能性降至最低[1-4]。模拟与培训很重要，目前一种可行的办法是开发一种智能倒闸操作模拟系统[5-9]，能开出操作票并且能在模拟系统上演示，对操作过程进行实时仿真，对操作人员进行训练，使实际操作时发生事故的风险大大降低。

1 VR技术概述

VR(visual reality)是一种基于计算机模拟的虚拟现实技术，它融合众多的视、听、触信息，以3D模拟的形式展现给使用者。使用者通过空间以及视角的转换，可以观察到虚拟空间内大量的信息。另一方面，通过人机交互技术以及触觉反馈技术，使用者得以在虚拟空间中进行模拟操作。在电气等重大安全行业中，员工正式上岗前所经历的培训非常重要，然而非熟练者接受操作培训时引发的操作错误极易酿成重大安全事故，而培训机构所提供的模拟界面培训虽避免了失误所造成的损失，却往往不够直观明晰。基于虚拟现实的VR技术，使接受培训者仿佛身临其境，通过在虚拟空间中的操作，以低廉的成本使培训效果大大提高。目前，VR技术在电力系统中已得到应用，主要有：仿真培训、三维配电网、电力营销、电力仿真试验[10-12]。

2 基于VR的智能倒闸操作系统

本文介绍了一种在传统倒闸操作系统上应用VR技术的倒闸操作票模拟系统，主要包括VR环境下的模拟操作系统和培训考核系统。支持操作人员进行交互式的模拟倒闸操作训练与考核，将操作结果通过仿真动画的形式可视化地呈现出来，并可对操作人员的操作进行评估，从而提高训练效果，降低实际操作中发生误操作的风险，避免可能出现的严重后果。将VR技术运用于倒闸操作票模拟系统可以进一步提升使用者的交互式体验，以达到更好的训练效果[13-14]。

2.1 系统组成

系统功能模块包含如下：

a.3D虚拟操作界面；

b.模型对象编辑模块(包括虚拟操作台、虚拟闸对象)；

c.虚拟操作仿真界面(包括虚拟空间内行走、视角变换、有效操作)；

d.通信模块；

e.VR设备接口模块 ；

f.操作票表格模块(操作票格式打印输出)；

g.数据库模块(存储虚拟空间对象、用户操作、账号信息)；

h.管理员最高权限管理模块。

2.2 硬件组成

包括安装了虚拟现实技术的智能倒闸操作模拟系统的电脑主机、数据通信接口设备以及可穿戴VR设备，其中可穿戴用于进入虚拟操作环境的人机交互设备由以下部分组成：头戴显示器、立体声耳机、震动手套，以及连接这些设备的电脑主机。其中，震动手套用来回馈拉闸操作时的触觉信息。系统硬件组成如图1所示。

图1 基于VR的智能倒闸操作模拟系统硬件结构

2.3 操作流程

智能倒闸操作模拟系统操作流程如图2所示。

图2 智能倒闸操作模拟系统操作流程

2.4 模拟功能

模拟功能主要在于建立一个虚拟环境，该虚拟环境实质上是3D动画以及声音、震动等通过VR设备以视觉、听觉、触觉等形式传递给操作人员。图3为变电站3D仿真动画。

图3 变电站3D仿真动画

系统首先读入和存储所有开关元件的开闭状态、带电状态、电压等级等原始信息，操作人员使用VR设备进入模拟画面，模拟画面中能够看到所有元件以及元件的名称和状态。当操作人员进行操作时，将看到元件的详细动作过程，包括声、光以及还有误操作后的场景，所有操作将以文字方式得以呈现。如进行断开断路器操作，操作人员所看到的画面就会转换到断路器断开的动画过程，同时还会看到表示该断路器编号或名字的文字浮现于空中，当断路器断开动作完毕后，断路器的颜色会发生变化，变为不带电时设定的颜色，同时浮现文字表示断开状态。如果操作人员进行了错误操作，同样也会看到误操作后的画面，如带电拉隔离开关，就会看到一道电弧拉开，同时会听到滋滋的放电声以及系统发出的操作错误的警报声，背景画面边缘会出现红晕一闪一闪，画面中也会浮现操作错误的文字提示，操作人员带的VR手套也会相应发出一定频率的震动。这样从视觉、触觉、听觉等多方面刺激操作人员的感官，有很强的代入感，使其充分感觉到误操作带来的危险，从而能起到警示作用，进而减少实际操作过程中的失误。图4和图5分别为断路器内部动作图和带电拉隔离开关图。

图4 断路器内部动作

图5 带电拉隔离开关

2.5 培训考核功能

培训考核功能建立在模拟功能基础上，即普通的培训考核内容中具体实施的每一步操作会出现相应的模拟操作画面，考核内容不同，所呈现出来的也是不同元件动作画面的组合，此模块用于对操作人员的培训和考核。第一步是教练员出题，指定操作任务，由操作人员进行模拟操作，通过系统检查和记录操作的正确性。有时根据情况的需要，则会按评分标准进行考核，给出考核成绩。进入考核的操作步骤：①打开测评考核界面后，导入带电状态以及变电站3D仿真画面；②点击开始测评，测试开始后，操作人员进行一系列操作，所有动作均是正常动作画面，无报错提示，系统会记录所有操作；③点击结束测评，系统会给出违规操作的步骤和评分，并且将相应错误操作元件的动画展示一遍以加深操作人员印象；④点击开操作票，自动生成操作记录表格，记录所有操作过程，保存记录表格。这种基于VR的培训考核功能目的也还是希望能够加深操作人员的印象，考核完后不仅是给出考核的分数，也给出错误操作的步骤，并演示错误操作的动作画面以加深考核人员的印象，以便实际操作过程中能够避免这些错误。

3 结束语

VR技术应用于电力系统行业已有一些的案例，但总的来说目前的VR技术依然较初级。对于倒闸操作票模拟系统来讲，由于针对不同的母线会生成不同的操作票和虚拟的电气设备，每一个变电站的倒闸操作便需要重新搭建3D模型，这便成为VR技术应用于电力系统的一大障碍。在目前的电力市场中，电能供应的可靠性已上升为主要矛盾之一，减少倒闸失误可以从一定程度上规避电力安全事故，避免重大的人身和财产损失，这无疑是符合电力市场的客观需求和发展规律的。而VR技术应用于倒闸操作的模拟培训是一种低成本、高效率、安全可靠的培训方式。同时，在科技发展迅速的现代，VR等新兴技术应用于电力系统的尝试，无疑对电力系统向自动化、智能化、可靠化发展起到推动作用。

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Study on Simulation and Training Technology of Switching Operation Ticket Based on VR

TAN Cheng1，JIANG Rundong1，LIU Chengyuan1，LÜ Zhongling1，LIU Huaidong2

(1.Changdian Power Plant of Northeast Branch of State Grid Corporation,Dandong, Liaoning 118016，China;2. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072，China)

Faulty switching operations in power system have caused equipment failure and human injured. Switching operation simulation system is an important measure of ensuring the operation ticket validity and following the principle of "Five Prevention".Intelligent switching operation systems based on advanced computer technology are making remarkable effects. In this paper, the VR (Virtual Reality) technology is combined with simulation system which creates a virtual environment almost real. It allows the operator to complete the operation ticket vividly and makes simulation operations more visual so that mistakes are easy to find out. Application of VR in switching operation training simulation is outcome. This paper exploits an initial simulation system of the switching operation ticket combined with VR and it shows a good applying foreground.

VR；switching operation ticket；five-prevention；simulation operation；training simulation

TM743

A

1004-7913(2017)02-0057-03

谭 诚(1970)，男，学士，高级工程师，主要从事发电厂电气运行与通信工作。

2016-12-08)