基于VR技術(shù)的輸電線(xiàn)路“機(jī)巡”+“人巡”實(shí)操仿真在培訓(xùn)中的應(yīng)用

孫斌, 李維鵬, 余艷穩(wěn), 賈永詳

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 帶電作業(yè)分公司, 云南 昆明 650051)

0 引言

輸電線(xiàn)路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)具有很多優(yōu)勢(shì)，能提高操作人員的技能水平、預(yù)防事故以及保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行常規(guī)巡檢作業(yè)，實(shí)時(shí)了解和掌握輸電線(xiàn)路的當(dāng)前運(yùn)行狀況、輸電線(xiàn)路周邊環(huán)境情況，是電力作業(yè)人員一項(xiàng)繁瑣的常規(guī)工作。人工巡檢是常規(guī)情況下應(yīng)用比較普遍的輸電線(xiàn)路巡檢方式。通常情況下，輸電線(xiàn)路所架設(shè)區(qū)域，其地形環(huán)境呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性，在江河或山嶺等條件惡劣的地區(qū)，輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)區(qū)段沒(méi)有合適的巡檢道路，導(dǎo)致該巡檢方式作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)人員工作辛苦，而且輸電線(xiàn)路的運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)反饋性較差。

輸電線(xiàn)路的電力巡檢作業(yè)質(zhì)量對(duì)保障整個(gè)電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行有重大意義。采取有效的培訓(xùn)方法可以提高巡檢人員的技能水平從而保證輸電線(xiàn)路安全穩(wěn)定運(yùn)行。常規(guī)的巡檢作業(yè)培訓(xùn)是以實(shí)際操作為基礎(chǔ)逐步展開(kāi)的，但是電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性決定了難以實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的實(shí)操培訓(xùn)，而且常規(guī)培訓(xùn)模式并不會(huì)對(duì)作業(yè)人員的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率的提升有很大幫助[1]。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸電線(xiàn)路巡檢仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有信息涵蓋范圍廣、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)際動(dòng)作的模擬操作、可以進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)點(diǎn)的演示和對(duì)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)培訓(xùn)方法不具有的。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的培訓(xùn)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的有效還原，電力作業(yè)人員可以在沒(méi)有任何危險(xiǎn)的條件下完成相應(yīng)的培訓(xùn)任務(wù)，因此可以在一定程度上避免電力事故的發(fā)生，并且可以降低培訓(xùn)資源消耗，縮短培訓(xùn)周期。

本文提出一種以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)為核心，進(jìn)行輸電線(xiàn)路“機(jī)巡”+“人巡”實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)各種物理工況進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)，以仿真模擬手段復(fù)現(xiàn)一個(gè)以教學(xué)和訓(xùn)練為目的真實(shí)系統(tǒng)行為的培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有資源消耗少、培訓(xùn)效果好、安全性高等優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

輸電線(xiàn)路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是通過(guò)VR技術(shù)支持,在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和線(xiàn)路模型建立電力系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)，諸如桿塔、導(dǎo)線(xiàn)以及各種作業(yè)工具，并對(duì)輸電線(xiàn)路的巡視檢查、施工作業(yè)和運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真，從而為電力企業(yè)提供豐富的教學(xué)培訓(xùn)和考核的手段，以達(dá)到提高培訓(xùn)效果和質(zhì)量的目的。

1.1 模型搭建及虛擬場(chǎng)景建立

輸電線(xiàn)路巡檢的仿真操作環(huán)境是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)構(gòu)建的，仿真模擬與實(shí)際場(chǎng)景逼近的虛擬模型是實(shí)現(xiàn)實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的必要前提。輸電線(xiàn)路巡檢虛擬三維場(chǎng)景的構(gòu)建必須要選擇合適的實(shí)現(xiàn)手段來(lái)進(jìn)行具體實(shí)施，VRML是基于HTML語(yǔ)言的三維模型，它具有文件占用空間資源少，易于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳播等特點(diǎn)。VRML定義了很多種類(lèi)型的模型構(gòu)建手段，通過(guò)對(duì)模擬環(huán)境的幾何形狀、物理外觀(guān)、接觸反應(yīng)和光線(xiàn)聲音相關(guān)因素等進(jìn)行描述，生成逼近真實(shí)的模擬仿真場(chǎng)景[2]。通過(guò)Java開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)上位機(jī)操作軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景的操控。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖,如圖1所示。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體框圖

1.2 巡檢設(shè)備樹(shù)模型搭建

搭建輸電線(xiàn)路虛擬巡檢仿真模型是為了將輸電線(xiàn)路的架構(gòu)及其存在的缺陷形象逼真地表現(xiàn)出來(lái)。輸電線(xiàn)路模擬仿真模型是在對(duì)各種不同電壓等級(jí)的輸電線(xiàn)路和各種功能類(lèi)別的電力作業(yè)設(shè)備的合理分組的基礎(chǔ)上搭建起來(lái)的。根據(jù)電力系統(tǒng)的不同等級(jí)、不同功能角色搭建模型，可以有效提高系統(tǒng)仿真模型與實(shí)際環(huán)境的接近程度。本文依據(jù)各種電力作業(yè)工器具類(lèi)型不同以及輸電線(xiàn)路的電壓等級(jí)的不同進(jìn)行細(xì)致劃分,輸電線(xiàn)路巡檢設(shè)備樹(shù)模型，如圖2所示。

圖2 輸電線(xiàn)路巡檢設(shè)備樹(shù)

對(duì)輸電線(xiàn)路各種對(duì)象進(jìn)行細(xì)分，有利于仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、復(fù)制和調(diào)用，為虛擬場(chǎng)景的建立奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3-6]。

1.3 模型建立

模型的建立包括場(chǎng)景模型、工器具庫(kù)和人物角色搭建。

場(chǎng)景模型包括輸電線(xiàn)路和周?chē)摂M環(huán)境模型，輸電線(xiàn)由不同電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)和桿塔構(gòu)成，周?chē)摂M環(huán)境包括：巡檢輸電線(xiàn)路附近的建筑、山川、河流、和樹(shù)木等模型[7]。

工器具是電力作業(yè)人員在電力作業(yè)過(guò)程中必備專(zhuān)業(yè)工具。主要包括：防護(hù)工裝、安全防護(hù)設(shè)備、視覺(jué)觀(guān)察設(shè)備、絕緣工器具和信息輸入終端等。將工器具模型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，以便在使用時(shí)可以實(shí)時(shí)調(diào)用。

輸電線(xiàn)路巡檢模擬培訓(xùn)中，根據(jù)不同的實(shí)際工作需求對(duì)人物角色進(jìn)行區(qū)分，包括工作負(fù)責(zé)人、地面工作人員、塔上工作人員。不同的人物模型的區(qū)分通過(guò)角色著裝差異來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

1.4 仿真培訓(xùn)操作

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，受訓(xùn)人員需要以各種不同的人物角色來(lái)實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路巡檢模擬培訓(xùn)，例如可以進(jìn)行輸電線(xiàn)路周邊環(huán)境的巡察，操作虛擬電力作業(yè)工具。模擬仿真培訓(xùn)過(guò)程中，因?yàn)槿宋餆o(wú)法像現(xiàn)實(shí)中那么智能，需要用窮舉法對(duì)實(shí)際作業(yè)動(dòng)作建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并把各種操作動(dòng)作分解，通過(guò)一個(gè)小動(dòng)畫(huà)形式表現(xiàn)出來(lái)[8-10]。受訓(xùn)人員要在仿真培訓(xùn)中模擬對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢并查找其缺陷這一操作，需要分解為4個(gè)小動(dòng)畫(huà)。

(1) 望遠(yuǎn)鏡的選擇；

(2) 調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的位置；

(3) 仔細(xì)查找輸電線(xiàn)路的缺陷；

(4) 結(jié)束缺陷查找。

在模擬實(shí)際操作培訓(xùn)過(guò)程中，需要對(duì)每一步操作進(jìn)行分解和細(xì)化，以達(dá)到與現(xiàn)實(shí)作業(yè)一樣的效果，這樣就可以讓受訓(xùn)人員有一種身臨其境的感覺(jué)，從而提高系統(tǒng)體驗(yàn)的真實(shí)性。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

線(xiàn)路模擬實(shí)際操作培訓(xùn)系統(tǒng)采用客戶(hù)-服務(wù)器模式，受訓(xùn)員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行操作，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的輸電線(xiàn)路巡檢的操作規(guī)程和計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合，通過(guò)虛擬仿真、三維動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)交互進(jìn)行巡檢內(nèi)容的培訓(xùn)[11-12]。

軟件結(jié)構(gòu)主要包括：數(shù)據(jù)庫(kù)資料查詢(xún)、輸電線(xiàn)路巡檢培訓(xùn)、多成員協(xié)同操作、效果考評(píng)、在線(xiàn)監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)資料查詢(xún)可以方便受訓(xùn)人員掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高個(gè)人技能；多成員協(xié)同操作可以增強(qiáng)受訓(xùn)人員間的協(xié)同操作能力；現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)方便培訓(xùn)人員對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，解決培訓(xùn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

輸電線(xiàn)路巡檢實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：場(chǎng)景數(shù)據(jù)和培訓(xùn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)、培訓(xùn)員機(jī)和受訓(xùn)員機(jī)。培訓(xùn)員機(jī)對(duì)受訓(xùn)員機(jī)進(jìn)行考核，考核結(jié)果存到已建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)中，受訓(xùn)員機(jī)根據(jù)培訓(xùn)員機(jī)進(jìn)行場(chǎng)景選擇，具體數(shù)據(jù)交互,如圖4所示。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

輸電線(xiàn)路巡檢平臺(tái)以電力企業(yè)已有的局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，由知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器和培訓(xùn)人、受訓(xùn)人工作站組成。培訓(xùn)人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)巡檢資料和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行管理，受訓(xùn)人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體的巡檢培訓(xùn)作業(yè)。

圖4 各角色間數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)

巡檢平臺(tái)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新，以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)培訓(xùn)發(fā)展的需要[13]。輸電線(xiàn)路巡檢平臺(tái)結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 輸電線(xiàn)路巡檢平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由圖5可知，培訓(xùn)人根據(jù)受訓(xùn)人的培訓(xùn)需要，從巡檢資料數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相應(yīng)的培訓(xùn)內(nèi)容，通過(guò)Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)受訓(xùn)人進(jìn)行在線(xiàn)培訓(xùn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

在進(jìn)行線(xiàn)路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)過(guò)程當(dāng)中，作為核心技術(shù)的引擎是決定系統(tǒng)性能的決定性因素。引擎是一系列預(yù)先規(guī)定好的,與系統(tǒng)初始化、人員控制、圖像處理、三維建模和碰撞檢測(cè)等有關(guān)的函數(shù)，有實(shí)現(xiàn)程序員的開(kāi)發(fā)工具包的功能，程序員只需要調(diào)用引擎中的相關(guān)函數(shù)即可完成開(kāi)發(fā)工作。所以在培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，通過(guò)對(duì)三維圖形引擎的結(jié)構(gòu)和功能的有效借鑒，可以開(kāi)發(fā)一種用于輸電線(xiàn)路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的“引擎”。

3.1 光照模型

電力系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境多變，因此電力作業(yè)人員觀(guān)察物體的反射效果會(huì)因光照強(qiáng)度差異而有所區(qū)別，為確保線(xiàn)路巡檢虛擬環(huán)境最大程度上逼近實(shí)際環(huán)境，實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)的引擎采用統(tǒng)一光照模型，采用凹凸映射貼圖使引擎計(jì)算出理想的光照效果，因此需要對(duì)引擎的處理性能進(jìn)行提升。

本文所提及的培訓(xùn)系統(tǒng)的引擎采用的算法是基于Blinn-Phong局部光照方法，如式(1)。

I=kaIa+∑Ii[kd(N*Li)+ks(N*Hi)n]

(1)

式中：ka——光反射參量；

kd——漫反射參量；

ks——鏡面反射參量；

Ia——環(huán)境光強(qiáng)參量；

Ii——入射光強(qiáng)參量；

n——鏡面高光參量；

N——任意一點(diǎn)的法矢量；

Li——該點(diǎn)到光源矢量；

Hi——半角矢量。

上述矢量均為進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的單位矢量。

本文采用的光照模型算法的處理過(guò)程包括光照處理和幾何處理兩部分，首先采用虛擬場(chǎng)景的幾何數(shù)據(jù)完成幾何處理，然后用利用Blinn-Phong模型在預(yù)處理過(guò)程中降低紋理處理和載入時(shí)間。

3.2 引擎系統(tǒng)

引擎系統(tǒng)的作用主要是用來(lái)保證虛擬真實(shí)環(huán)境的準(zhǔn)確性，通過(guò)碰撞檢測(cè)模擬物體在不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。碰撞檢測(cè)系統(tǒng)要求極高的實(shí)時(shí)性，在進(jìn)行引擎系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，高效的碰撞檢測(cè)算法對(duì)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很有效果。

頂點(diǎn)坐標(biāo)向量U的表達(dá),如式(2)。

(2)

協(xié)方差方差矩陣C的解,如式(3)。

1≤j,k≤3

(3)

矩陣C包括P、Q、R三個(gè)向量，這三個(gè)向量是兩兩正交的單位向量，因此對(duì)矩陣C求解就能確定包圍體的3個(gè)軸向坐標(biāo)。較多的實(shí)體碰撞會(huì)導(dǎo)致碰撞檢測(cè)效率降低，進(jìn)而影響系統(tǒng)的執(zhí)行效率，本文采用一種基于動(dòng)態(tài)列表的改進(jìn)算法，該算法可以明顯優(yōu)化現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)算法。

為了把場(chǎng)景中實(shí)體投影到X、Y、Z坐標(biāo)軸上，該算法可以降低矩陣的維度，并生成3張用來(lái)存放包圍體在各軸投影端點(diǎn)的動(dòng)態(tài)排序列表，然后根據(jù)此表計(jì)算相鄰的實(shí)體位置，最終確定相交的包圍體，實(shí)體位置的計(jì)算方程,如式(4)。

MpA(t)=pAs+vAst+aAst2,s∈{x,y,z}

(4)

式中，pAs表示實(shí)體的位置；vAs表示速度；aAs表示加速度；MpAs表示實(shí)體A在不同時(shí)間的位置。實(shí)體A、B發(fā)生位置相同的碰撞時(shí)表達(dá)式,如式(5)。

MpAs(Ti,j)-MpBs(Ti,j)=0

(5)

動(dòng)態(tài)排序列表可以生成一張相鄰元素碰撞時(shí)間的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，這樣相鄰元素之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)求解實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)是否發(fā)生碰撞，如式(6)、式(7)。

pAs+vAsTi,j=pBs+vBsTi,j

(6)

(7)

式中，Δps=pAs-pBs,Δvs=vAs-vBs。

碰撞時(shí)間Ti,j求解方程,如式(8)、式(9)。

Δps+ΔvsTi,j+Δas(Ti,j)2=0

(8)

(9)

式中，Δas=aAs-aBs。

4 實(shí)操仿真培訓(xùn)實(shí)例

4.1 系統(tǒng)功能

輸電線(xiàn)路實(shí)操仿真培訓(xùn)具有現(xiàn)場(chǎng)漫游的功能，讓受訓(xùn)人員從不同的角度了解作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以規(guī)范電力操作人員的工器具操作流程。具有實(shí)際操作、維護(hù)檢修的功能，同時(shí)能對(duì)具體案例進(jìn)行復(fù)現(xiàn)模擬和教學(xué)，有利于培訓(xùn)人員和受訓(xùn)人員之間的互動(dòng)交流，培訓(xùn)結(jié)束后系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)員進(jìn)行考核，學(xué)員也可以通過(guò)該系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行自我評(píng)價(jià)[14]。系統(tǒng)交互界面示例,如圖6所示。

圖6 實(shí)操仿真培訓(xùn)交互界面示例

系統(tǒng)引擎采用Blinn-Phong局部光照算法，并采用較多凹凸映射貼圖，在幾何框架的屬性定義中對(duì)色彩紋理貼圖、法向量貼圖、鏡面反射和高光貼圖進(jìn)行指定，引擎通過(guò)運(yùn)算得出正確的光照效果。

4.2 虛擬線(xiàn)路巡檢培訓(xùn)實(shí)例

使用本系統(tǒng)時(shí)，首先培訓(xùn)員登錄系統(tǒng)，然后根據(jù)培訓(xùn)具體內(nèi)容建立場(chǎng)景，最后受訓(xùn)員進(jìn)入對(duì)應(yīng)的主機(jī)培訓(xùn)任務(wù)，以對(duì)應(yīng)的人物角色來(lái)實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路巡檢模擬培訓(xùn)，并對(duì)本次培訓(xùn)進(jìn)行評(píng)估和記錄。虛擬線(xiàn)路巡檢示意圖,如圖7所示。

圖7 虛擬線(xiàn)路巡檢示意圖

虛擬線(xiàn)路巡檢培訓(xùn)克服了傳統(tǒng)培訓(xùn)效果差和對(duì)條件要求高的缺點(diǎn)，具有明顯的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。虛擬輸電線(xiàn)路巡檢培訓(xùn)能讓受訓(xùn)人員高效、熟練地掌握線(xiàn)路巡檢技能，并迅速查出線(xiàn)路缺陷。

5 總結(jié)

基于VR技術(shù)的輸電線(xiàn)路“機(jī)巡”+“人巡”實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以教學(xué)和培訓(xùn)為目的，可滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路巡檢人員的培訓(xùn)需求。該系統(tǒng)通過(guò)模擬仿真來(lái)再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景模式，培訓(xùn)人員可以對(duì)受訓(xùn)人員的受訓(xùn)過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在實(shí)操仿真培訓(xùn)的過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋信息。該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠讓學(xué)員的培訓(xùn)過(guò)程不受時(shí)間和地點(diǎn)的約束，具有很強(qiáng)的靈活性，從而打破了傳統(tǒng)培訓(xùn)對(duì)空間和時(shí)間的限制，有利于降低成本并且提高效率，輸電線(xiàn)路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)能夠有效提升電力企業(yè)從業(yè)人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)水平和電力作業(yè)質(zhì)量，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。