淺析電力安全三維仿真培訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬元忠

摘 要：電力三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是電力企業(yè)對員工進(jìn)行安全培訓(xùn)的主要手段之一，它能夠達(dá)到逼真的模擬效果，并且易于后期維護(hù)和隨時(shí)升級。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的推廣為電力培訓(xùn)三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)也因其自身強(qiáng)大的表現(xiàn)力，在很大程度上提高了電力安全培訓(xùn)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：電力安全；三維仿真；培訓(xùn)平臺(tái)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.110

現(xiàn)有的電力安全培訓(xùn)無法模擬真實(shí)的情境，所以，培訓(xùn)效果不盡如人意。而三維仿真培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)想提出后，則可以通過三維的立體表現(xiàn)能力增強(qiáng)培訓(xùn)人員的真實(shí)體驗(yàn)感，在他們面前呈現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的三維視景，在操作控制體驗(yàn)和培訓(xùn)效果方面都有了很大的提升。三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)需要應(yīng)用程序編程技術(shù)，而培訓(xùn)平臺(tái)則需要展現(xiàn)大規(guī)模的三維場景，并渲染現(xiàn)場的氣氛，以增強(qiáng)體驗(yàn)的效果，這就對系統(tǒng)的邏輯控制和操作屬性提出了更高的要求。

1 三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究意義

近年來，天氣原因、設(shè)備故障、操作失誤等引發(fā)的電網(wǎng)事故頻繁發(fā)生。其中，由于人為操作失誤引發(fā)的電網(wǎng)事故占有相當(dāng)大的比例，所以，對操作人員進(jìn)行必要的電力安全培訓(xùn)成為了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，而電力安全培訓(xùn)是提高員工防范意識(shí)、減少操作失誤的有效途徑。電力系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)特性要求其不能通過實(shí)際的電力設(shè)備操作進(jìn)行安全培訓(xùn)。但是，因?yàn)檎n堂教授方式的現(xiàn)場體驗(yàn)感較差等，無法達(dá)到預(yù)期的培訓(xùn)效果。傳統(tǒng)的培訓(xùn)不能通過實(shí)際的設(shè)備演示增強(qiáng)學(xué)員參與的積極性，這種脫離實(shí)際電力設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境的培訓(xùn)必然無法切實(shí)提高作業(yè)人員的分析能力和應(yīng)變能力。因此，建立一個(gè)虛擬環(huán)境來模擬電力系統(tǒng)的運(yùn)行是非常必要的。

三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)將為供電企業(yè)提供一個(gè)虛擬的互動(dòng)式培訓(xùn)平臺(tái)，通過電力系統(tǒng)的交互式體驗(yàn)學(xué)習(xí)，能極大地提高技術(shù)人員的操作水平和理論水平，增強(qiáng)他們的安全操作技能，最大限度地避免電力事故的發(fā)生。

2 三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電力仿真框架

電力安全培訓(xùn)的三維仿真系統(tǒng)要想真實(shí)地反映電氣設(shè)備的外觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，就需要三維仿真系統(tǒng)能夠展現(xiàn)規(guī)模龐大的現(xiàn)實(shí)虛擬場景，所以，在開發(fā)系統(tǒng)的邏輯控制程序時(shí)，就需要將三維仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為電力仿真框架和通用三維仿真引擎兩部分。在現(xiàn)實(shí)的操作過程中，操作人員是通過儀表設(shè)備操作控制電氣設(shè)備的，而在三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，則是通過復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對其的控制，將現(xiàn)實(shí)中的電氣設(shè)備和儀表轉(zhuǎn)化為抽象的虛擬設(shè)備和操作邏輯。為了使各種動(dòng)作狀態(tài)在三維效果中顯示得更加正確、合理，達(dá)到預(yù)定的視覺屬性，往往需要重新組織節(jié)點(diǎn)名稱和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 通用三維仿真引擎

通用三維仿真引擎的功能是達(dá)到圖形渲染、交互控制和網(wǎng)絡(luò)通信的目的。它是由資源管理、場景管理和動(dòng)畫系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成的。通用三維仿真引擎與邏輯操作無關(guān)，它主要是為了實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景的重建和環(huán)境渲染。電力仿真系統(tǒng)與通用三維仿真引擎共同組成了一個(gè)完整的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)要求

3.1 仿真對象和電氣屬性的同步

在三維虛擬環(huán)境下，為了保證虛擬對象和行為的一致性，往往需要借助事件、屬性、對象的三位一體機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。電氣設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)是電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的主要對象，除了顏色、縮放比例等常見的屬性外，還需要對仿真對象的電氣閉合狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)等重要的屬性進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。當(dāng)虛擬操作導(dǎo)致電氣設(shè)備的閉合狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電氣設(shè)備的相關(guān)屬性就會(huì)發(fā)生變化，最終使得電氣設(shè)備的參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)信息傳遞到設(shè)備管理器時(shí)，就可以重新計(jì)算電網(wǎng)的參數(shù)來更新事件的狀態(tài)。

3.2 邏輯控制與復(fù)雜操作的對應(yīng)關(guān)系

電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作過程應(yīng)當(dāng)全面支持操作者的各種開放式操作行為。簡單來講，虛擬的操作邏輯應(yīng)當(dāng)及時(shí)地判斷和反饋操作者的操作行為。開放式的操作控制邏輯與封閉式的操作控制邏輯相比，其應(yīng)變能力和復(fù)雜程度都大幅提高了，在這種操作控制邏輯下，用戶可以根據(jù)自己的操作習(xí)慣靈活操作，避免復(fù)雜的操作流程帶來一定的操作壓力。在錯(cuò)誤的操作下，操作系統(tǒng)也會(huì)及時(shí)給予警告或提示，這樣便可以更好地實(shí)現(xiàn)智能化培訓(xùn)的目的。

3.3 大規(guī)模場景的情境渲染技術(shù)

由于電力安全培訓(xùn)的三維虛擬場景范圍比較大，需要仿真對象根據(jù)培訓(xùn)人員的操作產(chǎn)生動(dòng)態(tài)移動(dòng)，這就要求在具體的邏輯設(shè)計(jì)中，不能把全部的仿真對象放置在同一個(gè)渲染列表中，以免影響操作過程控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將仿真對象分為可渲染對象和可移動(dòng)對象兩種?？射秩镜姆抡鎸ο笠话闶侵笀鼍皩ο蟮哪Ｐ蛿?shù)據(jù)，它只要求有顯示的功能，而可移動(dòng)仿真對象則需要能夠在三維坐標(biāo)中來回移動(dòng)。當(dāng)場景數(shù)量較大時(shí)，可以分別優(yōu)化處理靜態(tài)場景和動(dòng)態(tài)場景。只更新動(dòng)態(tài)場景的空間信息而忽略了靜態(tài)場景的空間信息，不僅能夠提高渲染速率，還可以有效地節(jié)約計(jì)算資源。

3.4 三維交互模式的實(shí)現(xiàn)

三維交互模式的首要功能是當(dāng)用戶輕點(diǎn)三維場景中的某一個(gè)物體時(shí)，系統(tǒng)就可以快速地檢測到該信息的傳送情況，并快速反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)三維交互模式中的人機(jī)交互。三維物體是根據(jù)射線相交的原理實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置發(fā)射一條平行于視線的射線與場景射線相交計(jì)算時(shí)，交點(diǎn)即該物體的位置標(biāo)識(shí)。常用的三角形檢測方式往往會(huì)占用較多的計(jì)算資源，影響定位速率。為了避免這種情況的發(fā)生，可以采取包圍球體的檢測方式與三角形檢測方式混合使用的方法，提高檢測速率。

4 三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)上面的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和主要問題分析，可以初步實(shí)現(xiàn)包含場景編輯器、邏輯編輯器、地圖編輯器在內(nèi)的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。場景編輯器可以實(shí)現(xiàn)三維場景的構(gòu)建功能，邏輯編輯器可以將復(fù)雜的邏輯語言轉(zhuǎn)化為可視性的操作過程，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的響應(yīng)控制功能，而開發(fā)人員則可以通過地圖編輯器實(shí)現(xiàn)三維場景的布置功能，并且可以及時(shí)查看編輯結(jié)果。

5 結(jié)論

通過分析電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)、研究出了滿足實(shí)際需求的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的渲染和較好的人機(jī)交互操作體驗(yàn)。對三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)和研究需要全面設(shè)計(jì)邏輯控制功能，只有這樣，才能保證三維仿真系統(tǒng)在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)較好的用戶體驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期的培訓(xùn)效果。

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〔編輯：白潔〕