變電運(yùn)行安全培訓(xùn)虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)研究

趙岱平， 于　傳， 房雪雷

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心， 安徽　合肥　230022；

2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽　合肥　230051)

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變電運(yùn)行安全培訓(xùn)虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)研究

趙岱平1,2， 于傳1,2， 房雪雷1,2

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心， 安徽合肥230022；

2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽合肥230051)

摘要：隨著電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控模式有所變化，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行提出了更高的要求。電力安全培訓(xùn)應(yīng)緊跟電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)新培訓(xùn)模式和手段，更好地服務(wù)電網(wǎng)安全。虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)基于虛擬情景交互體驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，建立系統(tǒng)性、多方位的變電運(yùn)行體驗(yàn)安全培訓(xùn)系統(tǒng)，是電力安全培訓(xùn)的一種新模式、新思路，能夠在變電運(yùn)行安全培訓(xùn)中發(fā)揮很好的作用。

關(guān)鍵詞：變電；安全；虛擬；情景體驗(yàn)

1虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)概述

虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)旨在通過系統(tǒng)性、多方位的培訓(xùn)，牢固樹立作業(yè)員工的安全責(zé)任意識(shí)，避免在生產(chǎn)作業(yè)中因安全意識(shí)淡薄、責(zé)任不到位和心理影響而引發(fā)安全責(zé)任事故，保證電網(wǎng)、設(shè)備和人身安全。虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)通過二次開發(fā)升級(jí)，也可為輸電線路、檢修等變電專業(yè)的工作提供安全培訓(xùn)。

系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：(1)正確性：系統(tǒng)所涉及的任務(wù)行為過程和設(shè)備動(dòng)態(tài)信息必須滿足物理規(guī)律和電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。(2)開放性：系統(tǒng)具備二次開發(fā)接口，通訊和接口必須遵循有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。同時(shí)可方便地?cái)U(kuò)展為變電外工種如輸電線路、檢修等提供安全培訓(xùn)。(3)可維護(hù)性：系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便、用戶操作界面友好，當(dāng)系統(tǒng)工作發(fā)生異常時(shí)，能迅速恢復(fù)，充分做到程序代碼和數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，減少操作維護(hù)人員的工作量和工作繁重程度。[1](4)安全性：充分考慮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全以及嚴(yán)格保證受訓(xùn)人員的人身安全。利用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供的安全保障機(jī)制，確保整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。[1]

2虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)特征

2.1　系統(tǒng)功能

系統(tǒng)以電力系統(tǒng)技術(shù)、電力專業(yè)人員的技能為基礎(chǔ)，重點(diǎn)培訓(xùn)和考核學(xué)員的安全意識(shí)，尤其是自我保護(hù)的生命防護(hù)意識(shí)，及其相應(yīng)的防護(hù)措施；同時(shí)以開放的平臺(tái)，在逐步吸收技術(shù)發(fā)展的前提下，為非技術(shù)技能因素、心理因素與事故發(fā)生率的關(guān)系研究積累第一手資料。

將虛擬交互情景體驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成為變電、輸電線路、檢修等工種安全培訓(xùn)一體化體驗(yàn)平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)虛擬三維技術(shù)、人機(jī)交互與聲、光、電等現(xiàn)代技術(shù)手段結(jié)合，逼真再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，模擬各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)行為人心理的影響，訓(xùn)練學(xué)員在各種心理?xiàng)l件下進(jìn)行作業(yè)操作，提高學(xué)員安全心理與行為的穩(wěn)定性，促使學(xué)員在各種惡劣條件下，保持對(duì)行為后果的清醒判斷力。

在虛擬交互情景體驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)建設(shè)一套變電運(yùn)行體驗(yàn)軟件，以“強(qiáng)調(diào)教育為先、注重預(yù)防為主、加強(qiáng)人文關(guān)懷、建立長(zhǎng)效機(jī)制”為設(shè)計(jì)理念，對(duì)典型變電站建立設(shè)備模型、真人模型、電氣連接拓?fù)淠Ｐ停抡孀冸娬粳F(xiàn)場(chǎng)電氣特性，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、真人精細(xì)動(dòng)作捕捉，模擬各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)變電運(yùn)行行為人心理的影響，累積外界因素、電網(wǎng)內(nèi)部對(duì)設(shè)備的物理、化學(xué)、電能和電動(dòng)力的影響，為變電運(yùn)行人員構(gòu)建一個(gè)多維度、多層次的培訓(xùn)、體驗(yàn)、心理干預(yù)體系。

建立一套安全意識(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)通過二維圖片、三維動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)、違章點(diǎn)直觀表述和安全事故案例情景再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)以例說理，通過學(xué)員對(duì)的危險(xiǎn)點(diǎn)、違章點(diǎn)的辨識(shí)，對(duì)真實(shí)事故案例的剖析，牢固樹立風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。

2.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3傳統(tǒng)電力安全培訓(xùn)中存在的主要問題

(1)對(duì)安全教育的重要性認(rèn)識(shí)不夠。由于安全培訓(xùn)不能立竿見影地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，因而導(dǎo)致了某些企業(yè)重經(jīng)濟(jì)效益，輕安全培訓(xùn)的局面，受訓(xùn)人員也往往對(duì)電力安全培訓(xùn)不夠重視，沒有真正參與到安全培訓(xùn)中去。

(2)參與培訓(xùn)的人員構(gòu)成不合理，安全意識(shí)參差不齊。對(duì)管理人員和生產(chǎn)一線員工的安全培訓(xùn)教育存在“一手軟，一手硬”的情況。兩者的安全責(zé)任同樣重大，作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)如果安全意識(shí)強(qiáng)弱不均，將影響到電力安全生產(chǎn)。

(3)安全培訓(xùn)方式單一乏味，內(nèi)容理論多，技能少。在電力安全培訓(xùn)中往往把重點(diǎn)放在了安全法規(guī)的宣傳和案例分析上，忽視了安全操作技能的培養(yǎng)，[2]一線職工在遇到危險(xiǎn)時(shí)不能冷靜處理，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

4基于虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)的變電運(yùn)行安全培訓(xùn)系統(tǒng)

4.1　系統(tǒng)構(gòu)成

依據(jù)虛擬交互情景體驗(yàn)平臺(tái)提供的計(jì)算機(jī)三維技術(shù)、人機(jī)交互手段，通道環(huán)幕立體投影系統(tǒng)和聲、光、電等多媒體手段對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行體驗(yàn)仿真，營(yíng)造逼真變電運(yùn)行體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

主要包括10個(gè)模塊：(1)仿真系統(tǒng)；(2)虛擬情景體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)；(3)行為仿真；(4)運(yùn)動(dòng)捕捉；(5)多角色同步控制；(6)安全體驗(yàn)過程控制；(7)用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用、分析接口；(8)生命體征數(shù)據(jù)采集接口；(9)現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)環(huán)境硬件接口；(10)安全意識(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)。

4.2　軟件系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1仿真模型組態(tài)軟件

采用圖模一體化建模方式，提供完備的設(shè)備庫(kù)和圖符庫(kù)，針對(duì)變電、輸電線路、檢修等多工種培訓(xùn)需求，建立仿真系統(tǒng)一次模型、二次模型，方便用戶修改一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)。

4.2.2變電站仿真一次系統(tǒng)模型

以220kV典型變電站為仿真對(duì)象，建立變電站一次系統(tǒng)模型，采用動(dòng)態(tài)數(shù)字模擬，其原理和物理參數(shù)按實(shí)際資料仿真，靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性與實(shí)際系統(tǒng)相同，其故障和現(xiàn)象與實(shí)際一致，其相互影響和邏輯關(guān)系與實(shí)際相同。[3]

4.2.3變電站仿真二次系統(tǒng)模型

保護(hù)裝置配置與實(shí)際變電站相同，采樣本裝置的PT、CT電流電壓，按照保護(hù)原理計(jì)算，與自己的物理量定值和時(shí)間定值比較，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置功能,能自動(dòng)適應(yīng)保護(hù)裝置間相配合的特性，包括定值配合和時(shí)序配合。

4.2.4變電站虛擬情景體驗(yàn)場(chǎng)景

建立220kV典型變電站作業(yè)場(chǎng)景，建立安全工器具室和施工工器具室，體現(xiàn)在變電站內(nèi)操作屬性和動(dòng)作屬性。建立各種設(shè)備、設(shè)施、工器具缺陷。

4.2.5動(dòng)作行為仿真支撐軟件

基于OpenGL人物骨骼動(dòng)畫技術(shù)，與三維虛擬場(chǎng)景軟件無縫融合[4]，支持真人模型的動(dòng)作行為在三維虛擬場(chǎng)景中展現(xiàn)，體現(xiàn)學(xué)員在虛擬場(chǎng)景中作業(yè)時(shí)的動(dòng)作行為、與其他工作人員的相互配合行為以及在違反安全規(guī)定可能造成的人身傷害后果。

4.2.6運(yùn)動(dòng)捕捉分析軟件

對(duì)智能空間采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別和感知用戶以及他們的動(dòng)作和目的，理解和預(yù)測(cè)用戶在完成任務(wù)過程中的需要,[5]并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)角色虛擬人進(jìn)行動(dòng)作。

4.2.7生命體征數(shù)據(jù)接口

采集在實(shí)際體驗(yàn)過程中的行為人的生命體征數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2.8體驗(yàn)過程重演模塊

依據(jù)變電站運(yùn)行人員情景體驗(yàn)過程記錄，針對(duì)變電運(yùn)行虛擬人角色，重演學(xué)員變電運(yùn)行體驗(yàn)操作過程。

4.2.9變電站體驗(yàn)過程分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

針對(duì)變電站安全規(guī)程，制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)規(guī)則，通過對(duì)學(xué)員情景體驗(yàn)過程中的生命體征數(shù)據(jù)和情景體驗(yàn)過程中的操作記錄進(jìn)行分析，給予相應(yīng)評(píng)價(jià)。

4.2.10安全意識(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)

以《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(變電部分)》[6]為理論依據(jù)，建設(shè)二維安全圖片庫(kù)和三維安全動(dòng)畫視頻庫(kù)，分別加以分類、篩選、組題，并與理論題庫(kù)中安規(guī)條款和試題進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4.3　主要硬件設(shè)備

(1)頻閃燈：模擬事故發(fā)生時(shí)的電弧。

(2)煙霧機(jī)及煙霧油：模擬煙、霧等效果，并通過添加氣味劑模擬現(xiàn)場(chǎng)氣味。

(3)負(fù)壓風(fēng)機(jī)：將產(chǎn)生的煙霧、氣味盡快從室內(nèi)排出。

(4)硬件控制接口裝置：對(duì)煙霧機(jī)、頻閃燈、抽風(fēng)機(jī)等設(shè)備的控制接口裝置，在教練員臺(tái)中通過軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

(5)便攜式生命體征采集儀：測(cè)量心電、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、脈搏、體溫，顯示心電血氧容積波形。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，安全培訓(xùn)需求的提高，傳統(tǒng)的變電運(yùn)行安全培訓(xùn)已難以滿足培訓(xùn)需要，虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)提供了一條新的培訓(xùn)方式。文章主要介紹了虛擬情景體驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件關(guān)鍵技術(shù)和硬件主要設(shè)備，展示了系統(tǒng)的主要功能，將在電力安全培訓(xùn)中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫方楠.淮北電力通信網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[2] 李秀萍.危險(xiǎn)化學(xué)品取換證培訓(xùn)之我見[J].新疆有色金屬，2010(S1)：150-152..

[3] 鄭新才，劉成偉，秦三營(yíng)，等.電網(wǎng)綜合反事故演練仿真系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009(5)：145-149.

[4] 高文勝.三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5] 彭云，萬臣，郭亞軍.普適計(jì)算及其存在的安全問題[J].武漢生物工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(02).

[6] 國(guó)家電網(wǎng)公司.電力安全工作規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[責(zé)任編輯：王敏]

于傳(1983-)，男，江蘇徐州人，講師，從事電網(wǎng)運(yùn)行分析與培訓(xùn)工作。

房雪雷(1969-)，男，安徽合肥人，講師，從事電網(wǎng)運(yùn)行分析與培訓(xùn)工作。

Virtual Scene Experience System for Substation Running Safety Training

ZHAODai-ping1,2,YUChuan1,2,FANGXue-lei1,2

(1.TrainingCentreofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China;

2.AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

Abstract:With the change of grid running monitoring pattern, the higher require of grid safety running is put forward. Electrical safety training should follow the grid technology development, to innovate training pattern and means so as to service grid security better. Virtual scene experience system is based on virtual scene interaction experience platform development, establishes systematic and all-round substation running experience safety training system, is a new model and a new thought of electrical safety training, and can play a good role in the substation running safety training.

Key words:substation; safety; virtual; scene experience

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9706(2015)04- 0114- 04

作者簡(jiǎn)介：趙岱平(1972-)，男，安徽合肥人，講師，從事電網(wǎng)運(yùn)行分析與培訓(xùn)工作。E-mail：zhaodp126@126.com

收稿日期：2015- 08-21 2015-11-10