虚拟现实技术及其在电力培训中的应用

雷 兴，俞国勤，吕政权

(国网上海市电力公司，上海 201204)

虚拟现实(Virtual Reality, 简称VR)已有初步的应用探索，国内高校和企业尝试将虚拟现实与增强现实技术引入变电站仿真培训系统[1]、电网应急演练模拟系统、电力安监仿真培训系统[2]、核电站仿真系统等，增强培训效果。文献[3]探讨了电力应急抢修演练中虚拟现实技术的可能应用情况。山东电力公司利用虚拟现实技术优化监控点的设置[4]。江苏省电力公司利用虚拟现实技术进行装表接电技能培训[5]。河北省电力勘测设计院基于建筑信息模型与虚拟现实技术相融合，打造数字化管廊[6]。国网上海市电力公司基于虚拟现实技术构建综合移动监控系统[7-8]。但这些技术均缺乏交互性，缺少体感触发，未聚焦电力安全。

国务院颁布了《中共中央国务院关于推进安全生产领域改革发展的意见》明确提出了安全生产重要性。电力安全事故常常会造成人身伤害、电网和设备损失，其中由不安全行为导致的事故比例高达80%，“安全意识淡薄”、“习惯性违章”、“安全演练不足”是造成不安全行为的主因。电力实操演练中作业危险性大、事故难以还原、实战成本过高(即高危险、高成本、不可见)等问题，阻碍了安全意识和安全技能的提升、无法有效实现培训过程控制及闭环反馈、难以校正习惯性违章及进行多角色协同演练。因此，开发电力安全协同演练平台确保电力安全生产尤为必要。

1 虚拟现实技术

1.1 技术特征

VR技术具有3个突出特征[9]，如图1所示，分别为沉浸性、交互性和想象性。

图1 VR技术的特征

沉浸性是指用户感觉到好像完全沉浸于虚拟世界之中一样。沉浸性取决于用户的感知系统，目前相对成熟的只有视觉沉浸和听觉沉浸，而触觉、嗅觉和味觉等其他感知技术尚在研究之中，并不成熟。

交互性是指人与虚拟世界之间的自然交互，具有比平面图形交互更丰富的手段。眼球追踪、手势追踪等交互方式获得了重点关注，但肌电模拟、触觉反馈等借助复杂硬件设备的交互方式则严重受限于使用场景。

想象性指虚拟世界由用户想象出来，用户反过来能从虚拟世界获得感性和理性认识，进而深化概念，产生创意。这种想象帮助用户主动寻求、探索信息，而不只是被动接受。

1.2 典型系统

虚拟现实按其功能可分为四类：桌面级VR，沉浸式VR，分布式VR，增强现实(AR)。

桌面级VR利用个人计算机和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口。成本低，但功能单一，主要用于CAD和桌面游戏等领域。

沉浸式VR采用头盔显示，使用户暂时与真实环境相隔离，同时利用数据手套等交互装置给用户一种充分参与的感觉，能操作和驾驭虚拟环境。

分布式VR把分布于不同地方的沉浸式VR通过网络连接起来，使不同的参与者联结在一起，同时参与一个虚拟空间，共同实现某个目标，提升用户协同工作水平。

增强现实(AR)把真实环境和虚拟环境结合起来，既可通过虚拟环境代替部分真实环境来减少构成复杂真实环境的开销，又可对实际物体进行操作。

1.3 系统模型

VR系统模型如图2所示，用户可通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和触觉等反馈信息。当虚拟环境与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。

图2 VR系统模型

2 技术方案

2.1 技术思路

平台利用虚拟现实技术(VR/AR/MR)高度还原电力作业场景，快速实现危险点消除、防控，事故演练等操作；通过高频次演练正向引导，多种体感功能(坠落、触电、撞击等)反向激励，并实现沉浸式多人协同作业；采集演练人员的行为数据，通过深度学习加以分析，自动研判可能的风险并预警，如图3所示。

图3 技术思路

2.2 平台架构

由物理层、感知层、应用层、分析层构成，如图4所示。物理层包括底层支撑硬件，数据处理单元，平台物理结构、外部显示单元；感知层包括虚拟现实眼镜，数据手套、触电、坠落、爆炸等体验触发模块；应用层包括典型场景演练、安全作业辅助、多人协同演练；分析层包括演练评估系统。

2.3 信息安全

为实现多个演练基地之间远程异地协同工作，平台采用独立的专网通信，与调度数据网和综合数据网等内网无关。系统采用纵向认证和网络专用，其安全防护等级达到机密级。

图4 平台架构

3 平台组成

3.1 基于虚拟现实技术的沉浸式典型带电场景演练系统

(1)具备反馈功能的物理体验系统：① 机械装置模拟“坠落”的物理体验功能，如图5所示；② 具有“触电”功效的低频脉冲手套；③ 电磁弹射装置模拟“爆炸”的物理体验功能。

图5 坠落体验

(2)具备动作捕捉功能的数据化手套动作捕捉功能，如图6所示。

图6 数据化手套

(3)配电线路场景(斗臂车)、变压器室内场景(变电倒闸操作)等带电作业演练系统，如图7所示。

图7 典型带电作业场景

将常见的电力安全事故进行体验场景点筛选归类，共计1 265个一级风险点及69个二级风险点。设计了带电作业、开关柜操作等典型场景，并能够快速切换。

3.2 基于增强现实技术的安全管控演练系统

研究电力设备AR动态模型，研究典型一二次设备的三维立体模型对应的 AR电子标签，开发识别AR电子标签的手机APP。工作负责人进行安全交底后，工作班成员能正确完成变电站电系分布情况、布置安全措施。

基于变电站全站可视化架构，实现了各专业的安全管控演练，提升运维、检修和线路等多工种交叉作业安全管控水平，对安全措施“可观、可控、可评价”。

3.3 电力安全多人协同演练系统

组织电网调度、监控、运维和检修人员协同合作完成任务，即尽快查明故障原因、及时的汇报故障以及快速处理故障和恢复送电等内容，分解成一项项独立而又环环相扣的任务，让学员在任务场景中按各自本职工作角色进行实战演练。

(1)研究空间定位技术，配合动作捕捉系统，实现了本地多人协同演练。

(2)基于专用光纤通道，实现了远程异地多人协同演练。

3.4 基于大数据分析的演练评估系统

平台将演练所见即所得，真实作业场景与虚拟场景的无缝连接。对于演练的全过程进行记录分析，辨识可能的风险因素，逐步提升至自分析自研判的智慧安全演练平台。

以突发事件为蓝本，无固定脚本，实现多人互动，且具有结局的多样性。建立“实践能力+心理素质”双引擎的模拟演练交互系统，实现应对过程现场重溯的“体验式”模拟演练。

4 结语

平台的技术关键点及相应难点：构建硬件支撑平台，难点在于典型性和可扩展性；软件系统研发，难点在于操作便捷性、趣味性以及真实性；优化算法开发，难点在于方案优化策略、行为分析算法和薄弱点分析。本平台具有以下特点。

(1)以电力安全演练为主线，将具有高空坠物、触电、爆炸等真实的物理触发模块与虚拟现实软件系统做到实时联动。在保证体验者人身安全的前提下，高度还原事故真实感受。

(2)以突发事件为蓝本，实现自演绎、自触发的多人互动，具有结局的多样性。建立“实践能力+心理素质”双引擎的模拟演练交互系统，实现应对过程现场重溯的“体验式”模拟演练。

(3)基于变电站全站可视化架构，实现了各专业的安全管控演练，提升运维、检修和线路等多工种交叉作业安全管控水平，对安全措施“可观、可控、可评价”。

(4)对演练的全过程进行记录和分析，不断改进内容及方案, 让演练及评价更真实合理，辨识作业人员在生产现场的薄弱环节和潜在的不安全行为，提升演练培训效果。

后期将混合现实技术引入到平台中，实现增强现实、增强虚拟的高度融合，在演练过程中实现设计、基建、检修和运行等多工种配合。