浅析VR技术带电作业仿真培训系统的开发

李鹏

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000）

近年来，随着计算机、传感器和控制技术的发展，一种依托图像处理、模式识别、语音识别处理、系统集成等技术和接口设备所发展起来的综合性信息技术——虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，以其能提供逼真的视、听、触等感觉，大幅提高使用者沉浸感，良好的交互性等突出优点，在军事、医疗、交通等行业被广泛应用，更被业界证明可在培训领域发挥巨大作用。

VR技术20世纪60年代发源于美国，随着各国研究的深入，其应用越来越广。美国波多黎各大学、日本香川大学、加拿大McGill大学等先后研制了应用于电网或电厂仿真的虚拟培训系统，并应用于电力教学或电站电厂操作员上岗培训。国内研究虽起步较晚，VR技术在电力仿真领域也应用到多个方面，目前其在电力系统主要有5个方面的应用：变电站、输电线路、电力系统仿真培训、电力系统运行和输变电工程设计。随着VR技术的发展，其必将在电力行业各环节得到了更广泛应用。本文主要讨论VR技术在带电作业培训中的应用。

1 VR技术在配网带电作业培训中的应用分析

配电网直接面向城镇高低压用户，其可靠运行直接影响着电网的稳定和安全。采用不停电作业对配网设备和线路进行维护、检修，可大幅度缩短停电时间，提高配电网运行可靠性。随着经济的发展和社会的进步，不间断供电的需求将越来越高。带电作业是电网生产中一种技术复杂，安全性、可靠性要求极高的特殊工种，对从事带电作业人员的专业知识和技能也提出了较高要求，定期或非定期的培训成为必然。传统培训包括理论强化和现场操作演练两块内容，存在的问题有：理论学习多基于传统的灌输式教学理念，采用多媒体课件、视频录像等模式，学员接收知识形式单一，过程枯燥，缺乏操作练习而感受不深。现场技能操作培训需要大量场地和设备，教学成本极其高昂，只有少数单位可以实施。在实际运行设备上开展技能培训更是存在着较多安全隐患，很难有效满足教学需要。采用VR技术建立虚拟仿真培训系统，其“设备”与“部件”是虚拟的，可根据需要随时生成新设备。VR技术的沉浸性和交互性，使学员能够在虛拟学习环境中扮演角色，全身心投入学习环境中，提高了学习积极性和技能训练效果。且虚拟训练系统无危险性，学员只要愿意可以反复操作练习，直到掌握该技能为止。故在带电技能培训中引入VR技术，建设虚拟仿真培训系统代替或补充传统培训方式，可有效解决带电职业技能培训中“高投入、难实施、难再现、效果差”的问题，突破传统培训手段局限，降低教学成本，提高教学质量和效率，增强学习体验和激发学习积极性，促进电力职业培训现代化。

2 基于VR技术的带电作业仿真培训系统

2.1 仿真培训系统开发目标

基于“三维立体显示、虚拟人机交互与标准化作业流程相结合”一体化设计思想，以规范化操作流程和电力安全规程为主线，采用VR、计算机仿真和三维建模技术等，对10kV带电修补导线进行全过程仿真，开发配网带电作业虚拟仿真培训系统，构建全三维、高仿真、沉浸化、交互式的配电作业实操模拟环境，达到多功能沉浸式仿真互动培训效果，实现场景漫游、模拟操作、知识讲解、安全提示、故障效果等功能。

2.2 系统总体设计

总体设计主要包括系统架构、数据架构、网络架构、安全架构和系统错误设计等几部分。

在系统架构实现上，采用组件化、动态化的软件技术，利用一致可共享的数据模型，按照界面层、业务层、数据层、硬件层实现多层技术体系设计，通过交互式、分布式虚拟仿真支撑平台的服务集成，实现三维仿真培训业务各接口组件能在支撑模块内协同工作、各层次上集成，实现重用。其他几部分的实现不再赘述。

2.3 交互式、分布式虚拟仿真支撑平台的实现

交互式、分布式虚拟仿真支撑平台位于应用服务与底层虚拟现实设备之间，通过开发出的功能接口为上层的应用服务提供可调用的配网带电作业培训项目。交互式、分布式虚拟仿真支撑平台的核心部分主要包括三维仿真引擎、渲染管理、资源管理、消息管理、特效管理、硬件管理等功能模块。

2.4 学员培训系统的实现

包括智能指引、虚拟漫游、虚拟交互、步骤跳转、工器具使用、基于VR交互的学习模式、练习模式、考核模式等功能模块。部分功能实现场景分别如图1、图2所示。

图1 步骤跳转

图2 基于VR交互的考核模式

3 系统的应用

系统开发完后，安装在学院某实训室，已稳定运行近半年，期间不少学生参加了试用。反馈如下：系统模拟三维虚拟环境非常逼真，具有很强的体验感和沉浸感，学习兴趣有很大提高，消除了对带电作业的恐惧感，不知不觉中熟悉了作业流程和安全规定，提高了安全意识等。

此外，采用VR仿真系统辅助教学，对学校最直接的好处是可节省大量设备投资。据了解，一台18m长、10kV绝缘斗臂车报价达到130余万元，还不包括后期维护保养费用等。可见VR技术在电力职业培训中应用潜力是很大的。

4 结语

VR技术以能提供逼真感知效果、大幅提高使用者沉浸感、良好交互性等优点，在军事、医疗、交通、电力等行业以及电力培训等领域正发挥越来越大作用。基于VR技术开发的配网带电作业仿真培训系统运行良好，在教学中得到试用，结果表明，可节省大量培训成本，大幅提高培训效果等。