多人協(xié)同分布式開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)研究

李中旗，陳富國(guó)，閆亞剛，蔡 杰，楊衛(wèi)國(guó)，朱潤(rùn)東

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

電網(wǎng)的持續(xù)穩(wěn)定和安全運(yùn)行，在國(guó)計(jì)民生中起著相當(dāng)重要的作用。人們生活智能化和科技化的要求促使電力公司打造智能型電網(wǎng)，這對(duì)提高我國(guó)在國(guó)際電力資源配置、能源發(fā)展和電網(wǎng)技術(shù)等方面的話語(yǔ)權(quán)和技術(shù)引領(lǐng)作用具有重大的意義[1-3]。

電力系統(tǒng)中有很多元件和設(shè)備，其中開(kāi)關(guān)是一種廣泛使用且不可或缺的設(shè)備，其主要負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)的關(guān)合與開(kāi)斷。如果在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生了故障，可能會(huì)造成局部停電，甚至是大面積停電。電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生故障后，將會(huì)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ?、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康等各個(gè)方面造成不可忽視的影響，因此提高開(kāi)關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，是保證電力系統(tǒng)持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，是保證為全社會(huì)進(jìn)行穩(wěn)定供電的前提。由此可以看出，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的檢修格外重要。

開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修是一項(xiàng)技術(shù)含量高且繁雜的工作，一般情況下，不僅需要檢修人員的基礎(chǔ)知識(shí)和檢修技術(shù)扎實(shí)和純熟，還需要檢修人員具有較好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，因此在檢修人員培訓(xùn)過(guò)程中需要對(duì)這些方面的能力進(jìn)行著重培訓(xùn)。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法通常對(duì)單一檢修人員或單一檢修工種進(jìn)行理論和技術(shù)的培訓(xùn)，很難實(shí)現(xiàn)多工種之間的協(xié)同配合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，因此開(kāi)發(fā)新型高效的培訓(xùn)系統(tǒng)十分必要。

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套多人協(xié)作的開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，受培訓(xùn)人員可以通過(guò)操作虛擬人物在同一場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)不同工種的培訓(xùn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)理論知識(shí)和操作技術(shù)的培訓(xùn)，也能夠?qū)崿F(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的培訓(xùn)。另外，除了實(shí)現(xiàn)作業(yè)訓(xùn)練外，本系統(tǒng)還設(shè)置了作業(yè)考核，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)受培訓(xùn)人員各方面能力的綜合評(píng)價(jià)。

1 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修工作團(tuán)隊(duì)包括團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人和團(tuán)隊(duì)檢修成員，不同的崗位負(fù)責(zé)不同的工作，均具有明確的工作內(nèi)容和地點(diǎn)。在檢修過(guò)程中，不同崗位的工作人員同時(shí)進(jìn)行檢修，完成不同的工作且相互之間需要進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，因此本文培訓(xùn)系統(tǒng)主要涉及3個(gè)部分：第一，不同崗位的檢修人員是否抵達(dá)了指定的工作地點(diǎn)；第二，檢修人員是否按照操作要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)操作；第三，不同的崗位之間是否完成了協(xié)同作業(yè)。

圖1為多人協(xié)同開(kāi)關(guān)檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的流程，在進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，受培訓(xùn)人員首先選擇工種后進(jìn)入工作場(chǎng)景，然后到達(dá)指定的地點(diǎn)，此時(shí)需要接受考核，隨后操作虛擬人物進(jìn)行檢修工作，檢修工作包括個(gè)人操作和多人協(xié)作。個(gè)人操作時(shí)需要接受考核，主要是判定受培訓(xùn)人員的操作是否安全、標(biāo)準(zhǔn)；多人協(xié)作主要包括團(tuán)隊(duì)成員之間的協(xié)作和成員與負(fù)責(zé)人之間的協(xié)作，其中成員之間的協(xié)作主要涉及到是否按照流程作業(yè)以及成員之間的交流，成員之間要有有效的信息傳輸通道，成員與負(fù)責(zé)人之間的協(xié)作主要涉及工作流程是否符合要求，成員的工作需要得到負(fù)責(zé)人的允許，成員與負(fù)責(zé)人之間需要有嚴(yán)格的執(zhí)行許可流程。多人協(xié)作也需要進(jìn)行嚴(yán)格的作業(yè)考核。

圖1 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

多人協(xié)同的開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示，主要包括教員管理、工作場(chǎng)景、操作訓(xùn)練、作業(yè)考核、網(wǎng)絡(luò)同步和數(shù)據(jù)庫(kù)幾個(gè)模塊。教員管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)工作場(chǎng)景、操作訓(xùn)練和作業(yè)考核幾個(gè)模塊的全程管理和監(jiān)控，主要包括人員管理、過(guò)程管理、培訓(xùn)管理和評(píng)價(jià)管理。工作場(chǎng)景模塊對(duì)檢修的三維場(chǎng)景進(jìn)行模擬，主要包括常見(jiàn)的平原、高原、丘陵、山地等地形地貌，除此之外還涉及不同天氣環(huán)境的模擬，如晴天、雷雨、大風(fēng)等；用到的設(shè)備主要包括組合電器、GXL5-1100(L)管道母線、KYN28A-12開(kāi)關(guān)柜、ZFN13-40.5充氣柜。操作訓(xùn)練模塊主要是對(duì)設(shè)備拆解、安裝、檢修的模擬，通過(guò)工種選擇和場(chǎng)景選擇后，可以進(jìn)入特定場(chǎng)景和特定工種進(jìn)行操作訓(xùn)練，包括設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)剖析、紅外熱像檢漏、超聲局部放電檢測(cè)、特高頻局部放帶電檢測(cè)、電流互感器的檢修與更換、熔斷器的檢修與更換、避雷器的檢修與更換、手車的檢修與更換、三工位傳動(dòng)軸更換、電壓互感器連接電纜安裝。作業(yè)考核模塊包括對(duì)個(gè)人操作的追蹤和評(píng)價(jià)，也包括對(duì)多人協(xié)作的追蹤和評(píng)價(jià)，主要是負(fù)責(zé)對(duì)不同工種操作記錄的收集，多人協(xié)作信息交流、執(zhí)行許可以及工作流程的追蹤和分析。以上各個(gè)模塊均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)之間形成信息共享。網(wǎng)絡(luò)同步模塊是開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)信息的共享；數(shù)據(jù)庫(kù)包含了資源庫(kù)管理和培訓(xùn)流程管理兩個(gè)模塊，主要涉及場(chǎng)景庫(kù)、組件庫(kù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、流程數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步模塊與教員管理、工作場(chǎng)景、操作訓(xùn)練、作業(yè)考核模塊之間實(shí)現(xiàn)信息互通，最終實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)管理、場(chǎng)景模擬、操作培訓(xùn)和作業(yè)考核。

圖2 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1.3 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

多人協(xié)同的開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)如圖3所示，主要由客戶終端和服務(wù)器組成，其中客戶終端包括教員終端和受培訓(xùn)人員終端，服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、場(chǎng)景服務(wù)器、仿真服務(wù)器、管理服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。教員終端主要用來(lái)發(fā)送和接受指令，通過(guò)管理服務(wù)器對(duì)整個(gè)培訓(xùn)過(guò)程進(jìn)行過(guò)程管理、信息收集和作業(yè)考核等；受培訓(xùn)人員終端主要是發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，受培訓(xùn)人員通過(guò)終端發(fā)送指令，控制虛擬人物進(jìn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備的檢修操作、信息交換等作業(yè)，還可以通過(guò)終端接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，主要包括教員終端的指令和評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)以及其他受培訓(xùn)人員由終端發(fā)送到服務(wù)器的指令。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料管理和培訓(xùn)流程管理，而且數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器向場(chǎng)景服務(wù)器、仿真服務(wù)器和管理服務(wù)器提供訪問(wèn)接口；場(chǎng)景服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相連接，主要對(duì)工作地點(diǎn)的地理環(huán)境、氣候環(huán)境、設(shè)備等場(chǎng)景進(jìn)行儲(chǔ)存和讀?。环抡娣?wù)器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)受培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)操作、考核與評(píng)價(jià)；管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)過(guò)程的管理、監(jiān)控，主要面對(duì)教員終端；網(wǎng)關(guān)服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，在互聯(lián)網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)教員終端與受培訓(xùn)人員終端之間、受培訓(xùn)人員終端與受培訓(xùn)人員終端之間的信息傳遞與共享。

2 多人協(xié)同作業(yè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

多人協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)同步。網(wǎng)絡(luò)信息的同步包括兩部分，一是客戶終端與服務(wù)端的信息同步，二是客戶終端與客戶終端之間的信息同步。第一種信息同步主要是受訓(xùn)人員由終端發(fā)送指令到服務(wù)端，用以控制虛擬人物；第二種信息同步是不同客戶終端之間的信息共享，用以完成多人協(xié)作工作。借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息同步時(shí)需要盡量地減少網(wǎng)絡(luò)延遲，來(lái)保證多人協(xié)作過(guò)程中不同虛擬角色所處的時(shí)間和空間一致。

圖3 開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了盡可能消除信息延遲，本文方案采用了兩種預(yù)測(cè)方法。在進(jìn)行客戶端到服務(wù)端的信息同步時(shí)，采用行為預(yù)測(cè)方法，其流程如圖4所示。在受訓(xùn)人員通過(guò)客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令后，可以先根據(jù)客戶端的狀態(tài)對(duì)服務(wù)器的反饋結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后直接以預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行執(zhí)行，這樣便可以有效減少網(wǎng)絡(luò)延遲。在執(zhí)行的同時(shí)，服務(wù)器將預(yù)測(cè)結(jié)果與反饋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若二者相同，則繼續(xù)執(zhí)行，服務(wù)器不發(fā)送任何指令；若不相同，服務(wù)器則發(fā)送指令，客戶端回到執(zhí)行之前，然后以反饋結(jié)果重新執(zhí)行。由于對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的檢修是按照特定的流程進(jìn)行的，因此客戶端預(yù)測(cè)結(jié)果有據(jù)可依，預(yù)測(cè)結(jié)果具有規(guī)律性和較高的準(zhǔn)確性。

圖4 行為預(yù)測(cè)方法

客戶端之間的信息同步采用區(qū)域預(yù)測(cè)法，其主要流程如圖5所示。當(dāng)某一角色通過(guò)其客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令后，首先對(duì)其周圍其他虛擬角色的人數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將結(jié)果通過(guò)服務(wù)器廣播至其他虛擬角色的客戶端，與他們共享畫(huà)面與信息。同時(shí)，服務(wù)器將客戶端預(yù)測(cè)的結(jié)果與服務(wù)器反饋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若相同，則不發(fā)送指令，繼續(xù)以預(yù)測(cè)結(jié)果執(zhí)行；若不同則向客戶端發(fā)送指令，使其回到執(zhí)行之前，然后以服務(wù)器的反饋結(jié)果執(zhí)行。區(qū)域預(yù)測(cè)法基于興趣域管理進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)[4]，采用軸對(duì)齊包圍盒進(jìn)行對(duì)象預(yù)判[5]，具有規(guī)律性和準(zhǔn)確性。進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要將虛擬場(chǎng)景劃分為小的單元格，將虛擬角色的視野定義為半徑為R的視野圓(圖6(a))。根據(jù)式(1)對(duì)虛擬角色的軸對(duì)齊包圍盒進(jìn)行定義：

圖5 區(qū)域預(yù)測(cè)方法

(1)

式中：f(X,Y,Z)為虛擬空間中某一點(diǎn)的坐標(biāo)；xmin，ymin和zmin為虛擬角色在x軸、y軸和z軸視野的最小坐標(biāo)；xmax，ymax和zmax為虛擬角色在x軸、y軸和z軸視野的最大坐標(biāo)。當(dāng)f(X,Y,Z)處于這一區(qū)域內(nèi)時(shí)，則視為處于該虛擬角色的視野中。

隨后確認(rèn)軸對(duì)齊包圍盒在x軸的投影區(qū)間，并判斷該區(qū)間是否被最小單元格包圍。假設(shè)虛擬角色A的軸對(duì)齊包圍盒在x軸的投影為CA，其視野圓半徑為R；虛擬角色B的軸對(duì)齊包圍盒在x軸的投影為CB，投影長(zhǎng)度的一半為M。如圖6(b)所示，若CB-CA+M≤R，則說(shuō)明虛擬角色B處于虛擬角色A的視野中，那么由角色B客戶端上傳的信息將會(huì)同步到角色A的客戶端；反之，如圖6(c)所示，CB-CA+M>R，則說(shuō)明虛擬角色B不在虛擬角色A的視野中，那么由角色B客戶端上傳的信息將不會(huì)同步到角色A的客戶端。

圖6 受培訓(xùn)人員視野

3 工程應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的多人協(xié)同開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在平高集團(tuán)有限公司用于開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修人員的培訓(xùn)，并對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲和作業(yè)考核功能進(jìn)行了測(cè)評(píng)。測(cè)評(píng)時(shí)服務(wù)器及客戶端的硬件配置：服務(wù)器CPU為IntelE5504，內(nèi)存為32 GB；客戶端CPU為Intel E6700，內(nèi)存為8 GB。網(wǎng)絡(luò)帶寬為2.0 Mbps。

5次同步延遲測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明無(wú)論是客戶端到服務(wù)器的信息同步，還是客戶端到客戶端的信息同步，都沒(méi)有發(fā)生非常嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)延遲。相對(duì)來(lái)說(shuō)，客戶端到服務(wù)器的信息同步延遲時(shí)間較短，5次實(shí)驗(yàn)中最長(zhǎng)為0.185 9 s，最短為0.124 5 s，平均延遲時(shí)間為0.151 6 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.020 8 s說(shuō)明客戶端與服務(wù)器之間的信息同步并沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的信息延遲，雖然5次試驗(yàn)中最長(zhǎng)延遲時(shí)間和最短延遲時(shí)間的差距較大(0.061 4 s)，系統(tǒng)信息同步速度不夠穩(wěn)定，但最長(zhǎng)延遲時(shí)間也僅有0.185 9 s，因此該系統(tǒng)具有較好的信息同步性。與客戶端與服務(wù)器之間的信息同步相比，客戶端與客戶端之間的信息同步過(guò)程中延遲時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，最長(zhǎng)為0.365 2 s，最短為0.321 1 s，平均延遲時(shí)間為0.342 2 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.015 4 s。由于客戶端與客戶端之間的信息傳遞需要經(jīng)過(guò)服務(wù)器，其信息同步包括客戶端與服務(wù)器的信息同步和服務(wù)器到客戶端的信息同步，因此延遲時(shí)間更長(zhǎng)，約為客戶端與服務(wù)器之間信息同步延遲時(shí)間的2倍。5次試驗(yàn)中最長(zhǎng)延遲時(shí)間和最短延遲時(shí)間的差距為0.044 1 s，系統(tǒng)信息同步速度和穩(wěn)定性有待提高，不過(guò)信息延遲時(shí)間依然處于較短水平，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的同步性。

表1 多人協(xié)同檢修培訓(xùn)測(cè)試結(jié)果 s

表2為5次作業(yè)考核的評(píng)價(jià)結(jié)果。系統(tǒng)根據(jù)受訓(xùn)者在虛擬場(chǎng)景中的操作情況進(jìn)行自動(dòng)打分，評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)：0～0.6為不合格，0.6～0.7為合格，0.7～0.8為中等，0.8～0.9為良，0.9～1.0為優(yōu)。評(píng)價(jià)測(cè)試共進(jìn)行了5次實(shí)訓(xùn)操作和虛擬場(chǎng)景操作，實(shí)訓(xùn)操作由培訓(xùn)員根據(jù)受訓(xùn)人員的表現(xiàn)進(jìn)行打分，虛擬場(chǎng)景操作由系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)考核打分。5次實(shí)訓(xùn)操作評(píng)價(jià)等級(jí)依次為中、中、優(yōu)、良、優(yōu)，五次虛擬場(chǎng)景操作考核輸出的成績(jī)分別為0.715 1,0.755 2,0.941 3,0.812 2和0.976 4，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)分別為中、中、優(yōu)、良、優(yōu)。由表2可知，實(shí)訓(xùn)操作的評(píng)價(jià)等級(jí)與虛擬場(chǎng)景操作的評(píng)價(jià)等級(jí)完全一致，說(shuō)明該多人協(xié)同開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度較高，基本上能夠滿足開(kāi)關(guān)檢修人員培訓(xùn)的應(yīng)用要求。另外可以看出，由系統(tǒng)評(píng)價(jià)輸出的成績(jī)精確度更高，更能夠體現(xiàn)出受訓(xùn)人員的完成程度。

表2 多人協(xié)同檢修評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種多人協(xié)同分布式開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，與傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)相比，該仿真系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行多人和多工種的培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員客戶端之間以及受訓(xùn)人員客戶端與服務(wù)器之間的信息同步，具有實(shí)時(shí)性；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步，客戶端可以調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中大量的場(chǎng)景信息，受訓(xùn)人員可以進(jìn)行沉浸式培訓(xùn)，具有客觀性和全面性；另外，該系統(tǒng)還能夠通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，對(duì)培訓(xùn)作業(yè)進(jìn)行考核，考核結(jié)果與實(shí)訓(xùn)操作考核一致，真實(shí)客觀。將該系統(tǒng)用于開(kāi)關(guān)設(shè)備檢修人員的培訓(xùn)，能夠完全滿足培訓(xùn)要求，且能夠縮短培訓(xùn)周期，提高培訓(xùn)效率。