基于虚拟现实技术的培训系统的设计

郭贤敏，杜启文（通信作者）

（1 广西电力职业技术学院 广西 南宁 530200）

（2 广西远擎科技有限公司 广西 南宁 530200）

0 引言

经济的快速发展让各行各业对于电力的需求不断增加，简单的电能输送已经无法满足人们的日常需求。对于电力企业而言，由于电力事故的不可控性，使得在遭遇安全事故时，员工的应变能力十分重要[1]。因此，安全成为电网企业稳定发展的基础，而安全培训更是预防各类安全事故的有效方法。当前电网企业的安全培训中存在诸多问题，电力系统在运行过程中涉及的设备数量庞大，需要花费大量的资金在维修和保养上，人员的培训过于理想化，大多数的安全培训以书本授课为主，缺乏参与性，导致员工的积极性下降，无法取得较好的培训效果[2]。现阶段，电力系统虚拟环境的概念已经逐渐成熟，通过引入计算机技术到虚拟的场景模拟建设中，利用虚拟现实技术构建的培训系统，不仅可以模拟电网的实际运行情况，还解决了员工无法感同身受地体验电力设备运行难题，大大提高了培训效果。因此，将虚拟现实技术引入到电力企业的培训系统建设中已经成为社会的发展需要。

1 技术分析

1.1 虚拟现实技术

所谓虚拟现实技术，主要由计算机图形系统与各类接口组成，可以在计算机上形成多维环境，在使用中提供感官体验，让使用者置身其中，对事物有一个全新的认识[3]。虚拟现实技术自身具备交互性、沉浸感、想象力等特点，可以让体验者在虚拟的世界中进行思考分析，并将信息充分消化后应用到实际。典型的虚拟现实系统包括计算机、输入输出设备、应用软件、数据库等四大类内容[4]。利用虚拟现实技术为基础构建的虚拟电力仿真培训系统，可以让用户实时体验，对实验过程进行检查，并迅速找到潜在的风险隐患，达到提高效率、降低成本的目的。

虚拟现实技术在电力系统的应用前景广阔，总体分为：电力安全培训的应用、电力运行中的应用以及电力设计中的应用。随着科技的发展，人类的学习模式不断改进，电力安全培训模式也得到了升级，在电力安全培训中引入虚拟现实技术进行安全培训已经成为常态化。电力系统庞大且复杂，由于现场操作环境较差，操作人员无法及时发现问题并做相关维护。如果将虚拟技术运用到数据采集和设备监控中，就可以避免此类情况的发生。

1.2 体态感知技术

体态感知技术通过设备采用特定的方式对人体的反应进行识别，根据预先设定的模式，在机器端做出反馈后并进行人机交互。体感技术最重要的组成部件是体感设备和体感系统，体感设备主要对动作进行识别，并以数据信息的方式输入到电脑，利用屏幕与使用者进行交互；体感系统则是对体感设备中的硬件信息进行处理，让机器端的反馈达到一定的持续性[5]。体态感知技术注重身体、手势、语音等与计算机的交互，不需要对人机做特殊研究，降低了对键盘和鼠标等设备的依赖，让使用者可以更加注重任务本身。

体感交互中，自然用户界面中包含了触摸屏、数据笔、可穿戴设备、实体传感装置等物件，可以完成对图片、声音的识别，这种体感交互的方式不需要通过接触来进行界面的控制，自然交互界面中，可以很好地识别出使用者在日常生活中的使用习惯，让使用者根据自身的感知去主导，实现人机交互。体感交互需要通过触觉和知觉进行获取，触觉可以将接触到的动作输入并记录，将躯体动作的数据进行信号转化，从而达到控制计算机的目的；知觉则是使用计算机视觉进行非实体触碰的识别操作。体态感知技术被广泛应用于了虚拟现实交互系统中，重点突出用户的体态，因此在虚拟现实交互系统中，交互途径非常重要。

1.3 三维仿真建模技术

CAD和3DMax的结合，可以构建物体的三维模型，实现对物体的精准控制。CAD在处理图形方面有较强的优势，具有转换数据、实现图形模式的自由转换[6]。其他的软件在进行三维建模时，其建模效果和精准度都无法达到CAD的效果；3DMax具备充足的地物模型，可以建立直观的模型。二者结合所建立的模型，可以实现高精度、高还原度的效果。

2 规划设计

2.1 总体架构设计

整个系统用到了虚拟现实技术、体态感知技术以及三维仿真建模技术等，同时还引入了多媒体技术，系统规划设计分为：作业安全风险体验、典型事故体验、应急预案指挥推演培训、低压作业体感实训、高压作业体感实训等子系统。该系统基本覆盖了电力系统作业环节的全部内容，形成了一个集安全教育、应急演练、培训管理于一身的专业性的电力培训系统。详见图1。

图1 虚拟现实电力安全培训系统结构

2.2 虚拟场景库搭建

虚拟场景库的搭建包含以下步骤：①在建立模型前，要对电力企业进行电网线路、应急指挥的实地调研。对建模过程中所使用到的数据进行收集，对电力场所的设计图纸、设备列表、设备型号进行收集，以获取建模对象的所有相关数据；②利用3DMax进行可视化建模；③对仿真模型进行二次渲染；④使用高效灵活的场景组织结构；⑤参照相关标准。如图2所示。

图2 系统虚拟场景库搭建规划设计图

2.3 安全培训系统场所规划

安全培训系统场所规划由多个不同的功能区组成，在空间设计上需要根据功能区进行区分。功能区的大小、设备多少都需要根据现场的面积确定。可以将整个培训主题分为安全意识、安全理论、安全技能等几个方面，每个方面又由多个不同的培训版块组成[7]。除了一些与培训相关的区域，还包含了一些配套区域，在区域设置时，要遵循由浅入深的原则，有节奏地进行培训。

2.4 子系统规划

2.4.1 作业安全风险体验

该子系统由VR眼镜、手套、音响、计算机控制系统组成，集成了各种特效，刺激体验者的各个器官。通过所呈现的作业风险，降低对人身造成的威胁，从而激发学员们的真实感受。

利用虚拟现实技术与体感交互技术，借助VR眼镜对输电线路的高空作业环境进行感应，让学员实时感受线路的情况，体验高空作业带来的沉浸感。通过综合运动跟踪功能，随着头部转向随意改变场景，实现全方位的环视。学员在模拟训练的过程中，与系统完成了交互控制，通过交互手柄上的按键发送交互指令，实现与虚拟环境的实时交互。

2.4.2 典型事故体验

在现有的作业安全风险体验子系统设备基础上增加了放映系统和特效座椅，结合各类特效所构建的事故体验子系统，让事故再现，从而激发使用者在真实情境内的真实感受。典型事故体验设备组成如图3所示。

图3 典型事故体验设备组成

典型事故体验流程为：登录子系统后，选择任务开始沉浸式体验，通过投影设备、输入输出设备构建的虚拟现实仿真作业场景，根据流程进行演绎，学员将以第三人称的身份根据从事的岗位进行体验，系统中每一个作业任务都有一个隐患情景，学员发现隐患后要制止隐患的发生方可进入到下一个作业隐患点。如果学员无法发现隐患并排除，将进行全方位的事故体验。

2.4.3 应急预案指挥推演培训

应急演练平台包含了应急演练和电视会议两大功能，当处于应急演练模式下，可以实现对大屏幕的控制；当处于电视会议模式下，可以直接接入行政电视系统。该子系统通过模拟电力系统的真实环境，让生产管理人员以及应急救援人员可以实时参与到安全生产培训管理中，并对各级人员进行应急联动的模拟，通过反复的应急演练，让救援人员可以更加熟悉救援流程，增强人员之间的配合，从而降低事故的发生。

应急演练模拟系统所模拟的事件仿佛亲身经历一般，借助先进的技术手段，进行演练的组织、总结、归档等操作，实现对应急演练的过程再现，图4为变电站的爆炸场景图。同时，为了提高应急演练的互动性，系统会针对不同的角色设置不同的任务，如抢修输电线路、抢修变电站、灾民安置等，对于应急演练任务场景，采用3D建模的方式进行仿真，实现对指挥中心场景、现场抢修救援场景的演练。

图4 变电站爆炸场景图

2.4.4 低压作业体感

低压作业体感子系统包括设备漏电、跨步电压和配网不停电等操作。

设备漏电体感：以电动机作为对象，演示断路器的漏电情况，让学员可以加强漏电危害意识，主动学习关于设备漏电的相关知识。设备漏电体感设备中包括体感台、电动机、触控一体机、控制电源、电源保护模块、通讯模块、数据采集模块、漏保装置、验电笔、展示牌、安全防护围栏以及其他配件等。

跨步电压体感：当学员在跨步电压区域中行走时，通过亲身感受跨步电压触点，让学员可以认识到跨步电压的危害，并掌握避免的方法。跨步电压采用人体仿真学，为了方便学员可以快速体验，让学员保持正常行走时进入到跨步电压区域，保持单脚着地、双脚并拢等不同的方式进入到跨步电压区域中[7-8]。跨步电压体感设备中包括控制电源、电源保护模块、数据采集、测试传感、行走测试平台、感应模块、电气控制柜、模拟杆塔、触摸一体机、测试显示模块、电击模块、柱式音响、安全防护栏、展示牌以及各种备件等。

配网不停电：利用虚拟现实技术，直观地展现标准化的作业方式，通过虚拟互动的方式进行作业的实操模拟，以帮助学员可以快速掌握配网不停电的作业要领。通过仿真操作模块、巡视作业仿真、测量作业仿真以及资料查询模块等，了解配网不停电的相关操作。

2.4.5 高压作业体感

带电挂（合）接地线：通过模拟10kV线路所产生的现象，让学员可以充分认识到该接地线对于设备所带来的弊端。当发生接地线故障后，如果操作错误将会造成对地短路，显示仪表可以实时记录线路的电压和电流，并在电脑屏上进行显示。如图5所示。

图5 带点挂（合）接地线

开关柜检修：学员通过进行开关柜倒闸、停电等操作，实时监控整个操作过程，并真实模拟违规操作后的后果。通过观察窗查看开关柜的内部结构，当开关柜不通电时，观察开关柜的运行状态，逆向体验模拟事故发生的效果，并真实还原事故现象。

高处作业风险：高空作业通过高空坠物打击、急速坠落、安全带吊挂等，让学员真实体验在配电时发生高空坠物和高空坠落所造成的极大冲击。通过控制装置击打学员的安全帽，让学员亲身体验被击打后所带来的真实感，加强使用安全帽的意识。

3 结语

“安全至上”是供电企业在运行中必须遵守的规章制度，并且要时刻谨记电力安全培训对于企业和员工的重要性。基于虚拟现实技术进行电力行业的安全培训，让员工可以得到沉浸式的安全体验，通过实际的电力系统应用场景和蓝图的可视化方式，让员工可以获得良好的互动效果，解决学员无法感同身受的难题。在安全培训的过程中，引入虚拟现实技术已经成为社会发展的需求。因此，建立虚拟仿真系统来进行安全培训工作，对于电网企业而言十分有必要。