沉浸式配网带电作业仿真培训系统的设计与实现

刘俊灼 陈晨 刘洪双 张冰

摘要：针对现有配网带电作业培训存在的若干问题，基于沉浸式立体显示技术和操作仿真交互技术，提出一种沉浸式配网带电作业仿真培训系统方案。其中，沉浸式立体显示技术采用了基于递推算法的延迟补偿方法，弥补了虚拟现实头盔因图像滞后所带来眩晕感的缺点，沉浸式仿真交互技术使用事件驱动和反向动力学解析方法，实现了虚拟人物在仿真场景中的自然控制和较为精确的操作再现。实际应用效果表明，该系统增强了用户体验，强化了学员心理，提高了培训效率和质量，具有很强的实用性。

关键词：沉浸式;配网;带电作业;仿真培训;设计实现;分析

1配网带电作业中的不安全因素

1.1各项工器具质量不达标

一是带电作业人员的安全防护用具质量不达标。配网带电作业期间，如果作业人员所佩戴的安全防护用具质量不符合规定要求，会增加带电作业安全隐患，提高配网带电作业安全事故发生率。二是绝缘遮蔽罩质量不达标。绝缘遮蔽罩主要分为三种形式，分别是导线绝缘遮蔽罩、绝缘子遮蔽罩与横担绝缘遮蔽罩等等，如果绝缘遮蔽罩质量不达标，带电作业人员在工作当中，容易出现遮蔽电气强度较低问题，进而发生击穿事故。

1.2配网线路复杂

配网线路特别复杂，各项设备紧密相连，如果设备出现锈蚀现象，会增加配网带电作业安全隐患，严重威胁带电作业人员的生命安全。不同的配网线路之间存在较大差距，具有非线性特点，再加上对地距离比较近，使得配网带电作业环境越来越复杂，特别容易引发大规模的安全事件。

1.3安全管理制度不完善

在配网带电作业期间，一些带电作业人员既负责停电检查工作，又负责高压送电网带电作业，作业人员的工作强度比较大，会降低配网带电作业的安全性。因为缺乏良好的安全管理制度，带电作业人员需要承担多项任务，一旦出现错误，容易引发安全事故。

2系统体系结构及功能

2.1软件系统

一是驱动层是为软件系统提供外部硬件设备的操作接口，由虚拟现实设备驱动、主机设备驱动、网络设备驱动和投影设备驱动构成。其中，虚拟现实设备驱动主要控制虚拟现实头盔、位置跟踪设备、体感交互设备等工作。主机设备驱动主要控制客户机、教员机、投影主机等工作;网络设备驱动主要为构建培训网络的交换机、路由器、防火墙等提供控制支持;投影设备驱动主要控制投影机向幕布投射虚拟场景图像。二是数据层提供了软件系统所需要的图形资源及数据资源，由三维模型库、任务库、缺陷库、事故库、培训管理库组成。其中，三维模型库包含配网带电作业相关的环境、设备、人物、工器具等三维模型及物理特性和功能特性，这些数据按照电压等级、设备类型、设备型号等进行组织，用于实现配网场景的沉浸式三维重现。任务库包含配网各电压等级带电作业典型项目操作实例，涵盖绝缘杆、绝缘手套、旁路三种作业方法，如带电更换绝缘子、横担、带电断、接引流线等，通过对工作过程的步骤分解，实现标准化流程的数字化、规范化描述，缺陷库包含配网各类电气元件的常见缺陷，如导线断股、横担锈蚀、金具变形等。事故库包含触电、高坠、误操作、物体打击、机械伤害等各类事故现象及相应处理措施，培训管理库对学员进行管理，包括学员的基本信息、培训记录、考核成绩等内容。

2.2硬件系统

一是学员机：接收用户的输入并将其发送给服务器端。同时也接收来自服务器端的输出数据并显示在屏幕上。二是仿真服务器：主要执行场景显示模块、实操训练模块和考核评价模块，实现培训仿真系统的学习、练习和考核，是本系统的核心应用所在。三是教员机：主要执行教员管理模块，面向教员和管理员，提供对培训过程全程监视、控制与管理等服务。四是数据库服务器：主要存储、管理数据库，并向其他应用提供访问接口。

3关键技术及其实现

3.1沉浸式立体显示技术

沉浸式立体显示技术是本系统的显示基础。当前虚拟现实头盔主要是将三维画面分为两部分，经过相应的缩放后显示在同一显示屏的两个区域内，并通过透镜将不同区域的内容分别投射到用户双眼中，利用双眼视觉差让画面产生景深。同时采用包围式的构造设计，使用户体验到完全融入整体虚拟世界的沉浸感。虚拟现实头盔的图像显示过程先是传感器测得某时刻头部运动的空间位置，然后得到视觉感知的范围，接着进行虚拟场景的生成计算，最后渲染显示在显示屏上。

3.2沉浸式仿真交互技术

配网带电作业仿真培训需要受训人员控制虚拟角色在作业场景进行大量模拟操作，但由于受当前虚拟现实交互设备的硬件设计限制，虚拟人物在场景中的交互并不能靠人的实际动作来同步驱动，因此，系统提出了一种沉浸式仿真交互技术，通过使用事件驱动和反向动力学解析方法，对学员的体态动作实时追踪，很好地实现了虚拟人的帶电作业操作模拟和展示，如手部的抓、松、握，放和肘臂的移动、弯曲等。针对手部动作的模拟，通过获取交互设备空间定位数据，但不直接驱动虚拟人的动作，而是对受训人员的触发事件进行分析后，解析成驱动虚拟人物手的指令。例如拿验电器准备验电，首先获取交互设备空间定位数据;其次是分析触发事件，解析成对应的行为指令;最后是控制虚拟手部做出相应的动作。同时依靠虚拟现实数据手套技术的成熟，触觉反馈功能的加入，通过振动模拟真实的触摸体验，可以模拟出物品的形状，重量，和冲击时产生的力量，更好的反映出带电作业过程中频率最高的抓取动作的真实性。

4结论

总而言之，沉浸式配网带电作业仿真培训系统在虚拟现实的基础上增加了沉浸式立体显示技术、沉浸式仿真交互技术，解决了现有系统缺乏沉浸感、交互性和自然性的不足和缺点。与传统的仿真系统相比，具有两方面的创新，一个是沉浸式立体显示技术使用基于递推算法的延迟补偿方法，提高了逼真感和沉浸感;另一个是沉浸式操作仿真交互技术使用事件驱动和反向动力学解析方法，实现了虚拟人物在仿真场景中的自然控制。

参考文献：

[1]陈义忠，李思俊.10 kV配网不停电作业绝缘子遮蔽方法研究[J].电工技术，2020（04）：125-126.