虛擬現(xiàn)實技術(shù)在變壓器有載分接開關(guān)檢修培訓(xùn)中的應(yīng)用

朱金花?趙凱峰

摘要：介紹了運用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)和檢修操作流程培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)模擬了變壓器有載分接開關(guān)及其零部件的基本工作原理、設(shè)備類型及結(jié)構(gòu)、設(shè)備特點，并模擬各種故障以及處理方法，將其運用于對生產(chǎn)技能人員的指導(dǎo)和培訓(xùn)中，可有效地促進(jìn)檢修人員技能水平的提高和故障缺陷處理的訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；有載分接開關(guān)；檢修流程培訓(xùn)；技能培訓(xùn)

作者簡介：朱金花（1964-），女，江蘇徐州人，江蘇省電力公司徐州供電公司，高級工程師，高級技師，高級企業(yè)培訓(xùn)師；趙凱峰（1976-），男，吉林松原人，江蘇省電力公司徐州供電公司，工程師，企業(yè)培訓(xùn)師。（江蘇?徐州?221003）

基金項目：本文系江蘇省電力公司2011年科技項目“基于虛擬現(xiàn)實的有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)講解和檢修操作流程培訓(xùn)的實現(xiàn)”（項目編號：J2011024）的研究成果。

中圖分類號：G726?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）27-0021-02

一、概述

電力變壓器有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修技能要求高。長期以來，變壓器檢修工技術(shù)水平的提高只能依賴?yán)碚撝v解和老師傅的現(xiàn)場示范，受到設(shè)備運行帶電和設(shè)備缺陷類型以及師傅技術(shù)水平的制約，難以形成系統(tǒng)的、規(guī)范的專業(yè)技能提高手段。先進(jìn)的知識講解、設(shè)備結(jié)構(gòu)演示和技能訓(xùn)練手段的缺乏已經(jīng)成為阻礙變壓器檢修工人業(yè)務(wù)能力提高的重要問題。

國內(nèi)目前對于虛擬現(xiàn)實方面的研究有很多，在培訓(xùn)方面的應(yīng)用也已經(jīng)十分廣泛。在電力生產(chǎn)培訓(xùn)中，大多應(yīng)用于個別變電運行仿真系統(tǒng)。但針對基于虛擬現(xiàn)實的有載分接開關(guān)檢修方面的研究還沒有。運用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬電力變壓器有載分接開關(guān)及其零部件的基本工作原理、設(shè)備類型及結(jié)構(gòu)、設(shè)備特點，并模擬各種故障以及處理方法，采用文本、聲音、圖像、動畫、視頻等多種表現(xiàn)形式，能對生產(chǎn)技能人員進(jìn)行很好的現(xiàn)場演示和指導(dǎo)，提高他們消除缺陷的能力。

二、有載分接開關(guān)技能培訓(xùn)仿真系統(tǒng)應(yīng)用對象

分接開關(guān)檢修是變壓器檢修工必備技能，但由于生產(chǎn)中的分接開關(guān)不能進(jìn)行頻繁性的檢修訓(xùn)練，員工尤其是新員工的技能提高受到很大限制。

該系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境下訓(xùn)練分接開關(guān)檢修，解決了分接開關(guān)檢修訓(xùn)練中設(shè)備和空間的限制問題，加快了員工檢修技能水平提高的速度，在較短時間內(nèi)直接提高變壓器檢修人員的針對有載分接開關(guān)檢修的技術(shù)素質(zhì)，同時可以承擔(dān)各種級別的變壓器專業(yè)的技術(shù)比賽、技能考核。另外還可以有效促進(jìn)檢修人員技能水平的提高和故障操作處理的訓(xùn)練。此項目在培訓(xùn)時可以在大部分時間內(nèi)替代真實的分接開關(guān)，節(jié)省大量的維護(hù)工作及維護(hù)成本。

另外，由于項目成果可以推廣到個人使用，能節(jié)約大量集中培訓(xùn)產(chǎn)生的時間和成本。也可以廣泛應(yīng)用于其他電力工種崗位的培訓(xùn)。

三、系統(tǒng)構(gòu)成及特點

1.軟件系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)獨立運行在裝有WindowsXP的個人電腦上，不需要安裝其他軟件進(jìn)行支持。整個系統(tǒng)從功能上分為模型引擎、數(shù)據(jù)引擎、聲音引擎、腳本引擎、邏輯引擎（見圖1），每個引擎之間互相關(guān)聯(lián)調(diào)用。

2.軟件結(jié)構(gòu)體系

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要分為教學(xué)和考核兩大模塊。教學(xué)模塊又細(xì)分為設(shè)備介紹、檢修動畫、操作練習(xí)三大模塊，系統(tǒng)設(shè)計操作簡單。系統(tǒng)中模擬的兩種分接開關(guān)具有一定的代表性，在虛擬環(huán)境展示的結(jié)構(gòu)是根據(jù)真實設(shè)備來構(gòu)建的，其構(gòu)建的依據(jù)就是設(shè)備本身和設(shè)備的相關(guān)設(shè)計圖紙。項目中涉及到的檢修題目和檢修流程及相關(guān)工器具的模擬則是依據(jù)分接開關(guān)檢修規(guī)范或作業(yè)指導(dǎo)書，設(shè)備的檢修導(dǎo)則是項目中題目設(shè)計和操作標(biāo)準(zhǔn)流程設(shè)計的依據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

（1）分接開關(guān)設(shè)備介紹，模擬分接開關(guān)的實際物理結(jié)構(gòu)。運用三維建模技術(shù)對CV、CM型分接開關(guān)的實際物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，模擬其外觀和內(nèi)部構(gòu)造（見圖3）。介紹CV型和CM型分接開關(guān)設(shè)備的主要功能和用途，介紹分接開關(guān)結(jié)構(gòu)、工作原理等基礎(chǔ)知識，能夠讓不了解分接開關(guān)的人認(rèn)識分接開關(guān)。

（2）分接開關(guān)正常檢修能力的培訓(xùn)，模擬分接開關(guān)的操作過程。搭建三維場景，模擬操作涉及到的工器具，為學(xué)員提供在三維場景中進(jìn)行檢修操作工作方法，動態(tài)展示設(shè)備動作過程及檢修工作程序，為學(xué)員提供工藝工序標(biāo)準(zhǔn)和要求以及檢修完成后現(xiàn)場驗收的有關(guān)要求。見圖4。

通過培訓(xùn)使檢修人員掌握如下技能：分接開關(guān)芯體吊芯檢查、維修、調(diào)試；分接開關(guān)油室的清洗、檢漏與維修；驅(qū)動機(jī)構(gòu)檢查、清掃、加油與維修；儲油柜及其附件的檢查與維修；油流控制繼電器（或氣體繼電器）、過壓力繼電器、壓力釋放裝置的檢查、維修與校驗；自動控制裝置的檢查；儲油柜及油室中絕緣油的處理；電動機(jī)構(gòu)及其他器件的檢查、維修與調(diào)試；各部位密封檢查，滲漏油處理；電氣控制回路的檢查、維修與調(diào)試；分接開關(guān)與電動機(jī)構(gòu)的聯(lián)結(jié)校驗與調(diào)試。

（3）分接開關(guān)常見故障檢修能力的培訓(xùn)，模擬CV、CM型分接開關(guān)的故障。建立兩種分接開關(guān)故障狀態(tài)下的三維模型，尤其是有故障零件的模型。模擬故障開關(guān)動作狀態(tài)，故障特征。為學(xué)員提供設(shè)置故障的界面，并建立設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫。

通過培訓(xùn)使檢修人員掌握如下技能：給上電源即跳閘故障檢修；給上電源就起動故障檢修；機(jī)構(gòu)停止時級進(jìn)位置顯示盤上的紅線偏移故障檢修；啟動操作后電機(jī)保護(hù)開關(guān)跳閘故障檢修；顯示器無顯示故障檢修；電動機(jī)構(gòu)僅能作一個方向分接變換操作故障檢修機(jī)構(gòu)故障；手搖操作正常而就地電動操作拒動故障檢修；操作機(jī)構(gòu)動作而電壓表及電流表均無相應(yīng)變動故障檢修；分接開關(guān)儲油柜油位異常故障檢修；連同變壓器測量直流電阻不合格或直流電阻呈不穩(wěn)定狀態(tài)故障檢修；有載分接開關(guān)油室的絕緣油滲漏到變壓器本體油中故障檢修；有載開關(guān)重瓦斯問題分析故障檢修；運行中分接開關(guān)頻繁發(fā)信動作故障檢修。

（4）分接開關(guān)檢修能力的考核評估。學(xué)員能夠通過該系統(tǒng)進(jìn)行考核評估測試，對前面學(xué)習(xí)到的分接開關(guān)檢修知識進(jìn)行測試，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)員的操作來進(jìn)行評估打分，并能夠進(jìn)行考核操作過程回放，幫助學(xué)員檢驗自己的學(xué)習(xí)成果。

考核內(nèi)容有：CV型分接開關(guān)正常時的檢修流程；CM型分接開關(guān)正常時的檢修流程；給上電源即跳閘故障檢修；給上電源就起動故障檢修；機(jī)構(gòu)停止時級進(jìn)位置顯示盤上的紅線偏移故障檢修；啟動操作后電機(jī)保護(hù)開關(guān)跳閘故障檢修；顯示器無顯示故障檢修；電動機(jī)構(gòu)僅能作一個方向分接變換操作故障檢修；手搖操作正常而就地電動操作拒動故障檢修；操作機(jī)構(gòu)動作而電壓表及電流表均無相應(yīng)變動故障檢修；分接開關(guān)儲油柜油位異常故障檢修；連同變壓器測量直流電阻不合格或直流電阻呈不穩(wěn)定狀態(tài)故障檢修；有載分接開關(guān)油室的絕緣油滲漏到變壓器本體油中故障檢修；有載開關(guān)重瓦斯問題分析故障檢修；運行中分接開關(guān)頻繁發(fā)信動作故障檢修。

四、總結(jié)及技術(shù)展望

1.培訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)特點

（1）基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)。整個系統(tǒng)場景仿真使用自主研發(fā)的三維引擎，使用圖像渲染系統(tǒng)對三維真實場景進(jìn)行仿真，使用動畫腳本系統(tǒng)控制培訓(xùn)劇本發(fā)展，通過聲效引擎模擬聲音效果。

（2）全面強(qiáng)大的交互性。在三維環(huán)境中，通過鼠標(biāo)和模型之間的點擊、拖動，構(gòu)建簡單方便的人機(jī)交互體驗，和現(xiàn)實中一樣，學(xué)員拆卸螺絲需要選擇扳手工具，模型拆卸檢修有物體干涉碰撞的約束。使學(xué)員能夠體驗到與實物一樣的檢修體驗。

（3）智能化培訓(xùn)方式。相比傳統(tǒng)實物教學(xué)方式，通過三維仿真技術(shù)來模擬的虛擬教學(xué)不僅有傳統(tǒng)教學(xué)的大部分特點，而且可以大大節(jié)約成本，突破傳統(tǒng)上因為設(shè)備數(shù)量的限制造成的教學(xué)瓶頸。對學(xué)員來說，也是一種新鮮并富有樂趣的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，大大提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和效率。

2.軟件系統(tǒng)的主要性能

（1）準(zhǔn)確把握分接開關(guān)檢修的內(nèi)容和技術(shù)要領(lǐng)。

（2）充分展現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，仿真度高、交互靈活、沉浸感強(qiáng)。

（3）系統(tǒng)具有良好的開放性，便于維護(hù)升級、運行可靠穩(wěn)定。

（4）系統(tǒng)建設(shè)考慮到整體的和目前分期建設(shè)的特點，采用模塊化開發(fā)技術(shù)，各模塊或子系統(tǒng)既能相互聯(lián)系又相對獨立，各自能獨立運行而發(fā)揮自身培訓(xùn)功能。

（5）具有高技術(shù)含量和示范效應(yīng)，在一定時期內(nèi)保持國內(nèi)同專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先水平。

3.技術(shù)展望

基于虛擬現(xiàn)實的有載分接開關(guān)的檢修技能培訓(xùn)是利用虛擬仿真技術(shù)在電力行業(yè)的一次重要嘗試，使我們對電力行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用有了較深刻的認(rèn)識。在以后的工作中，我們將繼續(xù)全心全力開展電力行業(yè)虛擬仿真，爭取為我國電力行業(yè)學(xué)員培訓(xùn)、設(shè)備仿真展示作出自己微薄的貢獻(xiàn)！

（責(zé)任編輯：王祝萍）