電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

閆瑞杰，李路，張建軍，常永慶

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

閆瑞杰1，李路2，張建軍1，常永慶2

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

因非技術(shù)技能因素引發(fā)的電力安全事故越來越受到電力相關(guān)企業(yè)的高度重視，如何更好地提高工作人員的安全意識，是安全培訓(xùn)的重要課題。電力安全工作規(guī)程是電力系統(tǒng)安全工作的經(jīng)驗總結(jié)，對預(yù)防和避免電力事故至關(guān)重要。應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實、三維建模、渲染優(yōu)化、區(qū)域檢測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)了電力安全工作規(guī)程仿真系統(tǒng)，設(shè)計了與變電站現(xiàn)場環(huán)境相一致、生動逼真的作業(yè)虛擬三維場景。經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用，提高了作業(yè)人員安全生產(chǎn)意識，為電力作業(yè)安全培訓(xùn)提供了良好的技術(shù)手段。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；仿真系統(tǒng)；虛擬三維場景；電力安全；規(guī)程

0 引言

電力安全生產(chǎn)是電力企業(yè)永恒的主題，因非技術(shù)、技能因素引發(fā)的電力安全事故越來越受到重視，如何更好地提高工作人員的安全意識和技能水平，是當(dāng)前安全培訓(xùn)的重要課題。針對電力作業(yè)培訓(xùn)的特殊性以及安全性要求，在總結(jié)現(xiàn)有作業(yè)培訓(xùn)工作的基礎(chǔ)上，以電力安全工作規(guī)程（簡稱“安規(guī)”）為依據(jù)，結(jié)合計算機虛擬現(xiàn)實、變電站仿真、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等技術(shù)，提出了仿真操作與現(xiàn)場培訓(xùn)相結(jié)合的培訓(xùn)方式，并開發(fā)適用于電力作業(yè)的三維交互［1］電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)，以變電站仿真作為數(shù)據(jù)支撐，采用基于三維動畫的計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)［2］搭建電力作業(yè)虛擬三維場景，建立虛擬人物角色，通過人機交互裝備控制虛擬人物進行電力作業(yè)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)過程建立規(guī)范的作業(yè)流程，將安規(guī)條款融入作業(yè)流程中，在仿真作業(yè)的過程中時刻提醒安全風(fēng)險，對違反安全規(guī)程造成的后果予以警示展現(xiàn)。通過培訓(xùn)應(yīng)用，使作業(yè)人員在直觀的培訓(xùn)過程中加強安全生產(chǎn)意識，并將安全意識轉(zhuǎn)化為安全作業(yè)的良好習(xí)慣，為電力作業(yè)安全培訓(xùn)提供良好的技術(shù)支撐。對基于計算機虛擬現(xiàn)實三維技術(shù)的電力作業(yè)虛擬三維場景的建模、渲染優(yōu)化、區(qū)域檢測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等相關(guān)技術(shù)進行研究，主要以提高電力作業(yè)環(huán)境逼真度為目的，確保作業(yè)環(huán)境真實、作業(yè)流程規(guī)范。

1 電力作業(yè)虛擬三維場景

1.1 虛擬三維場景建模

采用成熟的面向?qū)ο蠹夹g(shù)［3］、虛擬現(xiàn)實技術(shù)對電力作業(yè)環(huán)境進行三維建模，建模流程如圖1所示。

圖1 虛擬三維場景建模流程

系統(tǒng)采用3DMAX建立原始的電力設(shè)備模型，通過三維設(shè)備管理庫系統(tǒng)根據(jù)電氣設(shè)備特性對原始模型的物理屬性、連接屬性、位置屬性、狀態(tài)屬性及顯示屬性等進行定義，定義完成以后加載到設(shè)備模型庫。

系統(tǒng)通過地形編輯器對變電站虛擬三維場景區(qū)域的地理環(huán)境進行地形、地貌建模，定義場景范圍及非設(shè)備靜態(tài)景物屬性。

系統(tǒng)通過場景編輯器在地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)用三維設(shè)備模型庫，安裝電力設(shè)備，建立設(shè)備相互連接關(guān)系，生成設(shè)備的靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系，關(guān)聯(lián)仿真實時數(shù)據(jù)庫。

1.2 變電站設(shè)備狀態(tài)與動畫驅(qū)動處理

采用OpenGL三維動畫底層技術(shù)［4］，建立1∶1的電力設(shè)備模型及環(huán)境模型，依據(jù)變電站實時仿真數(shù)據(jù)［5］的支撐，實時讀取仿真系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)，依據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)狀態(tài)對比實現(xiàn)對虛擬場景設(shè)備狀態(tài)、動畫展現(xiàn)的驅(qū)動處理，從而實現(xiàn)顯示設(shè)備狀態(tài)與動畫過程，真實再現(xiàn)變電站工作場景及作業(yè)過程，如圖2所示。同時，為了增強臨場感，系統(tǒng)采用粒子系統(tǒng)技術(shù)［6］、粒子生命周期檢測算法實現(xiàn)對雨、雪、霧等氣候條件以及設(shè)備冒煙、冒蒸汽、著火、爆炸、孤光等異?，F(xiàn)象的模擬。

1.3 渲染性能優(yōu)化

虛擬三維場景加載的模型采用多邊形漸進網(wǎng)格減面算法建立的層次細(xì)節(jié)模型（即LOD技術(shù)），降低了模型的復(fù)雜度，基本原理是根據(jù)模型的邊的權(quán)值將公共邊刪除實現(xiàn)多邊形網(wǎng)格減面算法［7］。

圖2 程序流程

圖3 根據(jù)距離選取不同精度的LOD模型

如圖3所示，利用視覺原理在虛擬場景中視線遠(yuǎn)處調(diào)用減面后的低層次模型，視覺近處調(diào)用未減面的高層次模型，達(dá)到高效渲染目的。采用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分虛擬三維場景［8］顯示區(qū)域，如圖4所示，每一個正方形為四叉樹的一個節(jié)點，每一個節(jié)點保存了一定的三維場景區(qū)域位置信息，實時監(jiān)測當(dāng)前攝像機位置，通過三維模型信息將加載范圍控制在與攝像機視點距離為R的圓內(nèi)，攝像機無法觀察到的區(qū)域內(nèi)模型，采用消隱處理，從而提高渲染效率。

圖4 四叉樹節(jié)點分割

2 電力作業(yè)人員三維虛擬

2.1 虛擬人物行為

采用3DMax建模［9］建立骨骼動畫，繪制具有電力行業(yè)特點的人物骨骼MDL格式模型動畫虛擬人，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)特點繪制人物動作行為動畫。如圖5所示，根據(jù)人體生理特點將人物定義成20個運動點的集合，定義人物模型模塊類及關(guān)聯(lián)，通過點的運動軌跡計算虛擬人物動作行為。針對設(shè)備操作點操作方式定義動畫幀，通過人機接口如鼠標(biāo)、鍵盤、運動捕捉［9］等方式實現(xiàn)對虛擬人進行控制，在變電站虛擬三維場景中進行作業(yè)，并表現(xiàn)人物作業(yè)行為。

圖5 人物骨骼點定義

抽象現(xiàn)場作業(yè)所涉及人的作業(yè)行為，包括行走、下蹲、攀爬、上階梯、按按鈕、開關(guān)柜門、推手車、扛梯、驗電、掛接地線等動作，實現(xiàn)動作行為與現(xiàn)場操作相關(guān)聯(lián)，如點擊開關(guān)柜門，調(diào)用虛擬人開柜門操作并打開開關(guān)柜門，點擊驗電點調(diào)用虛擬人手持驗電器進行驗電等。能夠體現(xiàn)虛擬人攜帶、檢查、使用安全器具和施工器具過程，如佩戴安全帽、穿工作負(fù)責(zé)人馬甲、佩戴絕緣手套、穿絕緣靴、扛梯行走、手持驗電器行走等。體現(xiàn)安全措施不到位造成的人身傷害后果，如帶電距離不夠造成電擊、高空跌落、墜物損傷等。

2.2 虛擬人物實時碰撞檢測

采用八叉樹空間分割算法［11］劃分虛擬三維場景區(qū)域及虛擬三維模型，通過當(dāng)前碰撞源位置查找實際碰撞葉子節(jié)點。如圖6所示，黑色節(jié)點表示含有碰撞源的葉子節(jié)點，白色節(jié)點表示不含碰撞源的葉子節(jié)點。

圖6 八叉樹結(jié)構(gòu)

針對虛擬三維場景中的虛擬三維模型采用多層次包圍盒的實時碰撞檢測法，用多層次包圍盒干涉檢測快速定位碰撞目標(biāo)，再依據(jù)多層次包圍盒定位的碰撞目標(biāo)模型，按照碰撞檢測的精度要求，進一步對模型三角形平面相交測試確定碰撞點。在虛擬三維場景中，采用合適的碰撞檢測精度，虛擬人物在行動中與虛擬設(shè)備的碰撞為實時檢測，但碰撞精度要求不高，可以采用低精度的碰撞提高運算效率。虛擬人物對設(shè)備的操作，碰撞檢測精度要求高，卻只是通過用戶鍵盤鼠標(biāo)觸發(fā)才執(zhí)行，不會影響虛擬場景整體渲染效率。能夠有效提高碰撞檢測速度，同時依據(jù)不同的精度需求，達(dá)到虛擬場景中碰撞檢測精度和效率的平衡。通過虛擬人物對梯子、臺階的碰撞檢測，實現(xiàn)虛擬人攀爬、上下樓梯。

2.3 網(wǎng)絡(luò)同步控制

針對供電作業(yè)的安全特點，電力安全作業(yè)過程中需要有工作負(fù)責(zé)人、監(jiān)護人、操作人等多個角色在線共同參與協(xié)作，如圖7所示，因此在多角色參與的作業(yè)過程中需要解決帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)丟包以及不同計算機性能造成的同步控制問題。

圖7 人物角色

虛擬三維場景中多角色協(xié)同作業(yè)對實時性要求很高，因此采用時間移動，移動過程中采用客戶端預(yù)測和客戶端修正的方法保持客戶端與服務(wù)器、客戶端與客戶端之間的同步，通過對網(wǎng)絡(luò)延時的預(yù)測和處理實現(xiàn)角色移動的同步，有效地解決了因同步問題造成的多臺機器顯示畫面不一致的問題。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)主要功能以變電站虛擬三維場景全景為主，系統(tǒng)不僅模擬了繼電保護、五防系統(tǒng)和綜合自動化系統(tǒng)等各部分的功能，還實現(xiàn)了通過學(xué)員控制不同虛擬人物角色在虛擬三維場景中進行電力作業(yè)過程操作的人機交互功能，展現(xiàn)逼真的安全作業(yè)情景。

例如有受培訓(xùn)人員A和受培訓(xùn)人員B在兩臺不同的客戶端分別以工作負(fù)責(zé)人和工作監(jiān)護人的角色進入三維場景，監(jiān)護人可以跟隨、監(jiān)護工作負(fù)責(zé)人進行安全工器具拿取、檢查、驗電（如圖8（a）所示）、分合開關(guān)和掛接地線等操作，兩臺客戶端同步虛擬人物的位置及動作，實現(xiàn)多人配合完成電力作業(yè)過程。在碰撞檢測開啟的前提下，受培訓(xùn)人員控制的虛擬人只能行走在正常路徑上前往作業(yè)地點，不能穿過實體建筑（如墻、柱子、設(shè)備等）。在符合安規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程下，受訓(xùn)人員在操作過程中會有風(fēng)險提醒（如注意帶電距離、誤入帶電間隔等），且根據(jù)環(huán)境條件設(shè)置的不同風(fēng)險提示會有所不同。當(dāng)受培訓(xùn)人員在違反安規(guī)條款進行操作造成錯誤操作后果的，系統(tǒng)會根據(jù)實際情況在場景中給出聲、光、電的展示，以達(dá)到警示和提醒的作用。例如受培訓(xùn)人員A誤入帶電間隔，進行帶電掛接地線操作，此時受培訓(xùn)人員A控制的虛擬人會發(fā)出一聲慘叫，帶電位置與人物之間出現(xiàn)弧光，虛擬人物應(yīng)聲倒地，身上著火，造成設(shè)備損壞、人身傷害、傷亡等嚴(yán)重后果，進而引發(fā)電力安全生產(chǎn)事故，如圖8（b）所示。

圖8 驗電及誤操作

通過仿真系統(tǒng)學(xué)員可以加深對安規(guī)的認(rèn)識，有利于應(yīng)用技能水平的提高，尤其是加深了學(xué)員對安規(guī)的理解，有利于提高學(xué)員對變電站內(nèi)設(shè)備故障判斷和處理能力，取得了良好的培訓(xùn)效果，提高了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的水平。系統(tǒng)可以隨著現(xiàn)場技術(shù)的發(fā)展而及時更新升級，從而滿足不斷提高的培訓(xùn)需求。

4 結(jié)語

電力安全規(guī)程仿真系統(tǒng)作為一種新型的電力生產(chǎn)安全作業(yè)培訓(xùn)方式，為提高電力運行人員的整體素質(zhì)，保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠運行發(fā)揮了積極作用。系統(tǒng)的成功應(yīng)用，可提高員工的安全風(fēng)險意識、技術(shù)素養(yǎng)、運行技術(shù)技能水平，杜絕系統(tǒng)內(nèi)人為不按規(guī)程錯誤操作所引發(fā)的事故，提高運行人員在發(fā)生事故時的快速決斷能力，具有推廣應(yīng)用價值。

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Simulation System of Electric Power Industry Safety Regulations

YAN Ruijie1，LI Lu2，ZHANG Jianjun1，CHANG Yongqing2
（1.Shanxi Vocational and Technical College of Electric Power，Taiyuan 030021，China；2.Hefei Shengbai Technology co.，LTD，Hefei 230088，China）

Electric safety accidents due to non-technical skills attracted great attention of power-related enterprises.One of the main goals of safety training is how to boost the safety awareness of working staff.Based on technologies such as computer virtual reality，3D modeling，rendering optimization，region detection，network data synchronization，a simulation system of electric power industry safety regulations is developed，in which virtual 3D scene and substation site environment simulation are realized.Practical applications testify that this system helps to enhance safety awareness of working staff.The system can be used as a technical method for safety training of electric power enterprises.

virtual reality technology；simulation system；virtual 3D scene；electric power security；regulation

TM743；TP311.52

A

1007－9904（2015）04－0004－04

2015-01-07

閆瑞杰（1978），男，講師，主要從事自動控制、智能儀表和通信方面的教學(xué)與研究；

國網(wǎng)山西省電力公司2013年科技項目（52057013500B）

李路（1987），男，主要從事電力仿真系統(tǒng)和通信技術(shù)研究與開發(fā)。