沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉俊灼 陳晨 劉洪雙 張冰

摘要：針對現(xiàn)有配網(wǎng)帶電作業(yè)培訓(xùn)存在的若干問題，基于沉浸式立體顯示技術(shù)和操作仿真交互技術(shù)，提出一種沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)方案。其中，沉浸式立體顯示技術(shù)采用了基于遞推算法的延遲補(bǔ)償方法，彌補(bǔ)了虛擬現(xiàn)實頭盔因圖像滯后所帶來眩暈感的缺點，沉浸式仿真交互技術(shù)使用事件驅(qū)動和反向動力學(xué)解析方法，實現(xiàn)了虛擬人物在仿真場景中的自然控制和較為精確的操作再現(xiàn)。實際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)增強(qiáng)了用戶體驗，強(qiáng)化了學(xué)員心理，提高了培訓(xùn)效率和質(zhì)量，具有很強(qiáng)的實用性。

關(guān)鍵詞：沉浸式;配網(wǎng);帶電作業(yè);仿真培訓(xùn);設(shè)計實現(xiàn);分析

1配網(wǎng)帶電作業(yè)中的不安全因素

1.1各項工器具質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

一是帶電作業(yè)人員的安全防護(hù)用具質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。配網(wǎng)帶電作業(yè)期間，如果作業(yè)人員所佩戴的安全防護(hù)用具質(zhì)量不符合規(guī)定要求，會增加帶電作業(yè)安全隱患，提高配網(wǎng)帶電作業(yè)安全事故發(fā)生率。二是絕緣遮蔽罩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。絕緣遮蔽罩主要分為三種形式，分別是導(dǎo)線絕緣遮蔽罩、絕緣子遮蔽罩與橫擔(dān)絕緣遮蔽罩等等，如果絕緣遮蔽罩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，帶電作業(yè)人員在工作當(dāng)中，容易出現(xiàn)遮蔽電氣強(qiáng)度較低問題，進(jìn)而發(fā)生擊穿事故。

1.2配網(wǎng)線路復(fù)雜

配網(wǎng)線路特別復(fù)雜，各項設(shè)備緊密相連，如果設(shè)備出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，會增加配網(wǎng)帶電作業(yè)安全隱患，嚴(yán)重威脅帶電作業(yè)人員的生命安全。不同的配網(wǎng)線路之間存在較大差距，具有非線性特點，再加上對地距離比較近，使得配網(wǎng)帶電作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，特別容易引發(fā)大規(guī)模的安全事件。

1.3安全管理制度不完善

在配網(wǎng)帶電作業(yè)期間，一些帶電作業(yè)人員既負(fù)責(zé)停電檢查工作，又負(fù)責(zé)高壓送電網(wǎng)帶電作業(yè)，作業(yè)人員的工作強(qiáng)度比較大，會降低配網(wǎng)帶電作業(yè)的安全性。因為缺乏良好的安全管理制度，帶電作業(yè)人員需要承擔(dān)多項任務(wù)，一旦出現(xiàn)錯誤，容易引發(fā)安全事故。

2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能

2.1軟件系統(tǒng)

一是驅(qū)動層是為軟件系統(tǒng)提供外部硬件設(shè)備的操作接口，由虛擬現(xiàn)實設(shè)備驅(qū)動、主機(jī)設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動和投影設(shè)備驅(qū)動構(gòu)成。其中，虛擬現(xiàn)實設(shè)備驅(qū)動主要控制虛擬現(xiàn)實頭盔、位置跟蹤設(shè)備、體感交互設(shè)備等工作。主機(jī)設(shè)備驅(qū)動主要控制客戶機(jī)、教員機(jī)、投影主機(jī)等工作;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動主要為構(gòu)建培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)、路由器、防火墻等提供控制支持;投影設(shè)備驅(qū)動主要控制投影機(jī)向幕布投射虛擬場景圖像。二是數(shù)據(jù)層提供了軟件系統(tǒng)所需要的圖形資源及數(shù)據(jù)資源，由三維模型庫、任務(wù)庫、缺陷庫、事故庫、培訓(xùn)管理庫組成。其中，三維模型庫包含配網(wǎng)帶電作業(yè)相關(guān)的環(huán)境、設(shè)備、人物、工器具等三維模型及物理特性和功能特性，這些數(shù)據(jù)按照電壓等級、設(shè)備類型、設(shè)備型號等進(jìn)行組織，用于實現(xiàn)配網(wǎng)場景的沉浸式三維重現(xiàn)。任務(wù)庫包含配網(wǎng)各電壓等級帶電作業(yè)典型項目操作實例，涵蓋絕緣桿、絕緣手套、旁路三種作業(yè)方法，如帶電更換絕緣子、橫擔(dān)、帶電斷、接引流線等，通過對工作過程的步驟分解，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化流程的數(shù)字化、規(guī)范化描述，缺陷庫包含配網(wǎng)各類電氣元件的常見缺陷，如導(dǎo)線斷股、橫擔(dān)銹蝕、金具變形等。事故庫包含觸電、高墜、誤操作、物體打擊、機(jī)械傷害等各類事故現(xiàn)象及相應(yīng)處理措施，培訓(xùn)管理庫對學(xué)員進(jìn)行管理，包括學(xué)員的基本信息、培訓(xùn)記錄、考核成績等內(nèi)容。

2.2硬件系統(tǒng)

一是學(xué)員機(jī)：接收用戶的輸入并將其發(fā)送給服務(wù)器端。同時也接收來自服務(wù)器端的輸出數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上。二是仿真服務(wù)器：主要執(zhí)行場景顯示模塊、實操訓(xùn)練模塊和考核評價模塊，實現(xiàn)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核，是本系統(tǒng)的核心應(yīng)用所在。三是教員機(jī)：主要執(zhí)行教員管理模塊，面向教員和管理員，提供對培訓(xùn)過程全程監(jiān)視、控制與管理等服務(wù)。四是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：主要存儲、管理數(shù)據(jù)庫，并向其他應(yīng)用提供訪問接口。

3關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

3.1沉浸式立體顯示技術(shù)

沉浸式立體顯示技術(shù)是本系統(tǒng)的顯示基礎(chǔ)。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實頭盔主要是將三維畫面分為兩部分，經(jīng)過相應(yīng)的縮放后顯示在同一顯示屏的兩個區(qū)域內(nèi)，并通過透鏡將不同區(qū)域的內(nèi)容分別投射到用戶雙眼中，利用雙眼視覺差讓畫面產(chǎn)生景深。同時采用包圍式的構(gòu)造設(shè)計，使用戶體驗到完全融入整體虛擬世界的沉浸感。虛擬現(xiàn)實頭盔的圖像顯示過程先是傳感器測得某時刻頭部運(yùn)動的空間位置，然后得到視覺感知的范圍，接著進(jìn)行虛擬場景的生成計算，最后渲染顯示在顯示屏上。

3.2沉浸式仿真交互技術(shù)

配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)需要受訓(xùn)人員控制虛擬角色在作業(yè)場景進(jìn)行大量模擬操作，但由于受當(dāng)前虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備的硬件設(shè)計限制，虛擬人物在場景中的交互并不能靠人的實際動作來同步驅(qū)動，因此，系統(tǒng)提出了一種沉浸式仿真交互技術(shù)，通過使用事件驅(qū)動和反向動力學(xué)解析方法，對學(xué)員的體態(tài)動作實時追蹤，很好地實現(xiàn)了虛擬人的帶電作業(yè)操作模擬和展示，如手部的抓、松、握，放和肘臂的移動、彎曲等。針對手部動作的模擬，通過獲取交互設(shè)備空間定位數(shù)據(jù)，但不直接驅(qū)動虛擬人的動作，而是對受訓(xùn)人員的觸發(fā)事件進(jìn)行分析后，解析成驅(qū)動虛擬人物手的指令。例如拿驗電器準(zhǔn)備驗電，首先獲取交互設(shè)備空間定位數(shù)據(jù);其次是分析觸發(fā)事件，解析成對應(yīng)的行為指令;最后是控制虛擬手部做出相應(yīng)的動作。同時依靠虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)手套技術(shù)的成熟，觸覺反饋功能的加入，通過振動模擬真實的觸摸體驗，可以模擬出物品的形狀，重量，和沖擊時產(chǎn)生的力量，更好的反映出帶電作業(yè)過程中頻率最高的抓取動作的真實性。

4結(jié)論

總而言之，沉浸式配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上增加了沉浸式立體顯示技術(shù)、沉浸式仿真交互技術(shù)，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)缺乏沉浸感、交互性和自然性的不足和缺點。與傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)相比，具有兩方面的創(chuàng)新，一個是沉浸式立體顯示技術(shù)使用基于遞推算法的延遲補(bǔ)償方法，提高了逼真感和沉浸感;另一個是沉浸式操作仿真交互技術(shù)使用事件驅(qū)動和反向動力學(xué)解析方法，實現(xiàn)了虛擬人物在仿真場景中的自然控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳義忠，李思俊.10 kV配網(wǎng)不停電作業(yè)絕緣子遮蔽方法研究[J].電工技術(shù)，2020（04）：125-126.