基于VR的倒閘操作票模擬與培訓(xùn)仿真技術(shù)初探

譚 誠，姜潤東，劉成源，呂忠玲，劉懷東

(1. 國家電網(wǎng)公司東北分部長甸發(fā)電廠，遼寧 丹東 118016；2. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

基于VR的倒閘操作票模擬與培訓(xùn)仿真技術(shù)初探

譚 誠1，姜潤東1，劉成源1，呂忠玲1，劉懷東2

(1. 國家電網(wǎng)公司東北分部長甸發(fā)電廠，遼寧 丹東 118016；2. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

電力系統(tǒng)倒閘的誤操作每年造成不少設(shè)備故障和人身傷害，倒閘操作模擬系統(tǒng)是保證操作票正確性、防止電氣誤操作的"五防"重要措施。利用先進計算機技術(shù)的智能倒閘操作系統(tǒng)研究和應(yīng)用成效卓著，VR技術(shù)用于倒閘操作培訓(xùn)仿真效果尤其突出。將新興的VR(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)用于倒閘操作模擬系統(tǒng)，近乎真實的虛擬環(huán)境使操作人員身臨其境，模擬操作生動形象，更易找出操作票的錯誤。為此開發(fā)了一個倒閘操作票模擬系統(tǒng)，初步采用了VR技術(shù)，展現(xiàn)了VR在倒閘操作模擬與培訓(xùn)方面的應(yīng)用前景。

VR；倒閘操作票；五防；模擬操作；培訓(xùn)仿真

由于運行方式變化、設(shè)備維護或故障維修的需要，經(jīng)常需要進行變電站倒閘操作。操作人員按照操作票流程即斷路器、隔離開關(guān)、接地線、二次壓板等的操作順序進行倒閘操作。然而在人工進行倒閘操作的過程中，由于操作人員主觀或客觀上出現(xiàn)責(zé)任心不強、注意力不集中、操作技術(shù)不過關(guān)或受到外界因素影響等情況，有時會出現(xiàn)誤操作，嚴(yán)重時可造成重大人身財產(chǎn)損失，因此必須采取措施把誤操作的可能性降至最低[1-4]。模擬與培訓(xùn)很重要，目前一種可行的辦法是開發(fā)一種智能倒閘操作模擬系統(tǒng)[5-9]，能開出操作票并且能在模擬系統(tǒng)上演示，對操作過程進行實時仿真，對操作人員進行訓(xùn)練，使實際操作時發(fā)生事故的風(fēng)險大大降低。

1 VR技術(shù)概述

VR(visual reality)是一種基于計算機模擬的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它融合眾多的視、聽、觸信息，以3D模擬的形式展現(xiàn)給使用者。使用者通過空間以及視角的轉(zhuǎn)換，可以觀察到虛擬空間內(nèi)大量的信息。另一方面，通過人機交互技術(shù)以及觸覺反饋技術(shù)，使用者得以在虛擬空間中進行模擬操作。在電氣等重大安全行業(yè)中，員工正式上崗前所經(jīng)歷的培訓(xùn)非常重要，然而非熟練者接受操作培訓(xùn)時引發(fā)的操作錯誤極易釀成重大安全事故，而培訓(xùn)機構(gòu)所提供的模擬界面培訓(xùn)雖避免了失誤所造成的損失，卻往往不夠直觀明晰?；谔摂M現(xiàn)實的VR技術(shù)，使接受培訓(xùn)者仿佛身臨其境，通過在虛擬空間中的操作，以低廉的成本使培訓(xùn)效果大大提高。目前，VR技術(shù)在電力系統(tǒng)中已得到應(yīng)用，主要有：仿真培訓(xùn)、三維配電網(wǎng)、電力營銷、電力仿真試驗[10-12]。

2 基于VR的智能倒閘操作系統(tǒng)

本文介紹了一種在傳統(tǒng)倒閘操作系統(tǒng)上應(yīng)用VR技術(shù)的倒閘操作票模擬系統(tǒng)，主要包括VR環(huán)境下的模擬操作系統(tǒng)和培訓(xùn)考核系統(tǒng)。支持操作人員進行交互式的模擬倒閘操作訓(xùn)練與考核，將操作結(jié)果通過仿真動畫的形式可視化地呈現(xiàn)出來，并可對操作人員的操作進行評估，從而提高訓(xùn)練效果，降低實際操作中發(fā)生誤操作的風(fēng)險，避免可能出現(xiàn)的嚴(yán)重后果。將VR技術(shù)運用于倒閘操作票模擬系統(tǒng)可以進一步提升使用者的交互式體驗，以達(dá)到更好的訓(xùn)練效果[13-14]。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能模塊包含如下：

a.3D虛擬操作界面；

b.模型對象編輯模塊(包括虛擬操作臺、虛擬閘對象)；

c.虛擬操作仿真界面(包括虛擬空間內(nèi)行走、視角變換、有效操作)；

d.通信模塊；

e.VR設(shè)備接口模塊 ；

f.操作票表格模塊(操作票格式打印輸出)；

g.數(shù)據(jù)庫模塊(存儲虛擬空間對象、用戶操作、賬號信息)；

h.管理員最高權(quán)限管理模塊。

2.2 硬件組成

包括安裝了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的智能倒閘操作模擬系統(tǒng)的電腦主機、數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備以及可穿戴VR設(shè)備，其中可穿戴用于進入虛擬操作環(huán)境的人機交互設(shè)備由以下部分組成：頭戴顯示器、立體聲耳機、震動手套，以及連接這些設(shè)備的電腦主機。其中，震動手套用來回饋拉閘操作時的觸覺信息。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 基于VR的智能倒閘操作模擬系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 操作流程

智能倒閘操作模擬系統(tǒng)操作流程如圖2所示。

圖2 智能倒閘操作模擬系統(tǒng)操作流程

2.4 模擬功能

模擬功能主要在于建立一個虛擬環(huán)境，該虛擬環(huán)境實質(zhì)上是3D動畫以及聲音、震動等通過VR設(shè)備以視覺、聽覺、觸覺等形式傳遞給操作人員。圖3為變電站3D仿真動畫。

圖3 變電站3D仿真動畫

系統(tǒng)首先讀入和存儲所有開關(guān)元件的開閉狀態(tài)、帶電狀態(tài)、電壓等級等原始信息，操作人員使用VR設(shè)備進入模擬畫面，模擬畫面中能夠看到所有元件以及元件的名稱和狀態(tài)。當(dāng)操作人員進行操作時，將看到元件的詳細(xì)動作過程，包括聲、光以及還有誤操作后的場景，所有操作將以文字方式得以呈現(xiàn)。如進行斷開斷路器操作，操作人員所看到的畫面就會轉(zhuǎn)換到斷路器斷開的動畫過程，同時還會看到表示該斷路器編號或名字的文字浮現(xiàn)于空中，當(dāng)斷路器斷開動作完畢后，斷路器的顏色會發(fā)生變化，變?yōu)椴粠щ姇r設(shè)定的顏色，同時浮現(xiàn)文字表示斷開狀態(tài)。如果操作人員進行了錯誤操作，同樣也會看到誤操作后的畫面，如帶電拉隔離開關(guān)，就會看到一道電弧拉開，同時會聽到滋滋的放電聲以及系統(tǒng)發(fā)出的操作錯誤的警報聲，背景畫面邊緣會出現(xiàn)紅暈一閃一閃，畫面中也會浮現(xiàn)操作錯誤的文字提示，操作人員帶的VR手套也會相應(yīng)發(fā)出一定頻率的震動。這樣從視覺、觸覺、聽覺等多方面刺激操作人員的感官，有很強的代入感，使其充分感覺到誤操作帶來的危險，從而能起到警示作用，進而減少實際操作過程中的失誤。圖4和圖5分別為斷路器內(nèi)部動作圖和帶電拉隔離開關(guān)圖。

圖4 斷路器內(nèi)部動作

圖5 帶電拉隔離開關(guān)

2.5 培訓(xùn)考核功能

培訓(xùn)考核功能建立在模擬功能基礎(chǔ)上，即普通的培訓(xùn)考核內(nèi)容中具體實施的每一步操作會出現(xiàn)相應(yīng)的模擬操作畫面，考核內(nèi)容不同，所呈現(xiàn)出來的也是不同元件動作畫面的組合，此模塊用于對操作人員的培訓(xùn)和考核。第一步是教練員出題，指定操作任務(wù)，由操作人員進行模擬操作，通過系統(tǒng)檢查和記錄操作的正確性。有時根據(jù)情況的需要，則會按評分標(biāo)準(zhǔn)進行考核，給出考核成績。進入考核的操作步驟：①打開測評考核界面后，導(dǎo)入帶電狀態(tài)以及變電站3D仿真畫面；②點擊開始測評，測試開始后，操作人員進行一系列操作，所有動作均是正常動作畫面，無報錯提示，系統(tǒng)會記錄所有操作；③點擊結(jié)束測評，系統(tǒng)會給出違規(guī)操作的步驟和評分，并且將相應(yīng)錯誤操作元件的動畫展示一遍以加深操作人員印象；④點擊開操作票，自動生成操作記錄表格，記錄所有操作過程，保存記錄表格。這種基于VR的培訓(xùn)考核功能目的也還是希望能夠加深操作人員的印象，考核完后不僅是給出考核的分?jǐn)?shù)，也給出錯誤操作的步驟，并演示錯誤操作的動作畫面以加深考核人員的印象，以便實際操作過程中能夠避免這些錯誤。

3 結(jié)束語

VR技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)行業(yè)已有一些的案例，但總的來說目前的VR技術(shù)依然較初級。對于倒閘操作票模擬系統(tǒng)來講，由于針對不同的母線會生成不同的操作票和虛擬的電氣設(shè)備，每一個變電站的倒閘操作便需要重新搭建3D模型，這便成為VR技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的一大障礙。在目前的電力市場中，電能供應(yīng)的可靠性已上升為主要矛盾之一，減少倒閘失誤可以從一定程度上規(guī)避電力安全事故，避免重大的人身和財產(chǎn)損失，這無疑是符合電力市場的客觀需求和發(fā)展規(guī)律的。而VR技術(shù)應(yīng)用于倒閘操作的模擬培訓(xùn)是一種低成本、高效率、安全可靠的培訓(xùn)方式。同時，在科技發(fā)展迅速的現(xiàn)代，VR等新興技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的嘗試，無疑對電力系統(tǒng)向自動化、智能化、可靠化發(fā)展起到推動作用。

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Study on Simulation and Training Technology of Switching Operation Ticket Based on VR

TAN Cheng1，JIANG Rundong1，LIU Chengyuan1，Lü Zhongling1，LIU Huaidong2

(1.Changdian Power Plant of Northeast Branch of State Grid Corporation,Dandong, Liaoning 118016，China;2. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072，China)

Faulty switching operations in power system have caused equipment failure and human injured. Switching operation simulation system is an important measure of ensuring the operation ticket validity and following the principle of "Five Prevention".Intelligent switching operation systems based on advanced computer technology are making remarkable effects. In this paper, the VR (Virtual Reality) technology is combined with simulation system which creates a virtual environment almost real. It allows the operator to complete the operation ticket vividly and makes simulation operations more visual so that mistakes are easy to find out. Application of VR in switching operation training simulation is outcome. This paper exploits an initial simulation system of the switching operation ticket combined with VR and it shows a good applying foreground.

VR；switching operation ticket；five-prevention；simulation operation；training simulation

TM743

A

1004-7913(2017)02-0057-03

譚 誠(1970)，男，學(xué)士，高級工程師，主要從事發(fā)電廠電氣運行與通信工作。

2016-12-08)