一種基于VR技術(shù)的變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)

楊晨，尹琦云，黃欣，崔鵬

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

VR(virtual reality)技術(shù)也稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)人的自然技能和設(shè)備設(shè)施信息交互的先進(jìn)技術(shù)，隨著數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)逐步成為信息化建設(shè)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)變電站安全培訓(xùn)存在手段單一，互動(dòng)性差，體驗(yàn)性差等問(wèn)題，無(wú)法針對(duì)帶電設(shè)備變電站火災(zāi)等突發(fā)應(yīng)急事件處置進(jìn)行培訓(xùn)，同時(shí)，因人員個(gè)體的行為和心理具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和波動(dòng)性,如何真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地構(gòu)建培訓(xùn)模擬并開(kāi)展培訓(xùn)成為了變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)的一大挑戰(zhàn)[1]。利用VR技術(shù)模擬電力行業(yè)的真實(shí)設(shè)備環(huán)境、火災(zāi)場(chǎng)景、應(yīng)急情況，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員開(kāi)展智能仿真培訓(xùn)和檢修現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)給予指導(dǎo)，增強(qiáng)作業(yè)人員對(duì)安全規(guī)程的體驗(yàn)效果，提高其應(yīng)急處置水平與安全意識(shí)。此外，利用VR技術(shù)開(kāi)展作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景模擬培訓(xùn)，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量,還可以降低教學(xué)成本[2]，減少變電站人力、物力的投入。

1 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)以真實(shí)變電站工作現(xiàn)場(chǎng)為原型，采用3D Max(3D Studio Max)制作火災(zāi)、高空墜落、設(shè)備環(huán)境VR場(chǎng)景，利用UE4.0（虛幻引擎4.0）開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)[3],開(kāi)展基于3D Max的系統(tǒng)場(chǎng)景建模[4]。具體實(shí)物的材質(zhì)選擇和特效制作使用C++語(yǔ)言編程，方便后期迭代維護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全教育互動(dòng)功能將虛擬人物刻畫(huà)至構(gòu)建好的變電站場(chǎng)景內(nèi)，通過(guò)第一人稱體驗(yàn)?zāi)K，結(jié)合多場(chǎng)景真實(shí)光影特效，向作業(yè)人員提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官刺激,作業(yè)人員通過(guò)頭盔式顯示器、手勢(shì)、體勢(shì)和自然語(yǔ)言等方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,在VR虛擬場(chǎng)景中獲得相關(guān)安全規(guī)程、模擬場(chǎng)景的講解和演示[5]，讓作業(yè)人員身臨其境體驗(yàn)事故的危險(xiǎn)性從而得到教育。

1.2 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

1）根據(jù)功能需求進(jìn)行場(chǎng)景內(nèi)容、場(chǎng)景切換路徑、交互邏輯需求、概要設(shè)計(jì)，輸出策劃文檔。

2）進(jìn)行場(chǎng)景模型紋理圖的采集、制作，通過(guò)PS(photoshop)、Maya(Autodesk Maya)處理紋理，為構(gòu)建場(chǎng)景三維模型提供制作材料。

3）進(jìn)行場(chǎng)景搭建、模型制作、貼圖、著色，制作如圖1所示。

圖1 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)建模

4）對(duì)系統(tǒng)UI(user interface)動(dòng)畫(huà)、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)、模型動(dòng)畫(huà)、人物動(dòng)畫(huà)進(jìn)行制作，骨骼綁定。

5）根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)進(jìn)行錄影棚錄制、音頻制作，配合動(dòng)畫(huà)進(jìn)行單體模塊制作，對(duì)系統(tǒng)配音進(jìn)行切割、錄入、調(diào)試，輸出單體模塊音效文件。

6）對(duì)制作好的模型文件、音效文件、動(dòng)畫(huà)文件、UI文件進(jìn)行整合，對(duì)策劃文檔所需功能模塊、場(chǎng)景內(nèi)容切換進(jìn)行代碼功能實(shí)現(xiàn)[6]。

7）進(jìn)行燈光效果調(diào)試，著色復(fù)錄，系統(tǒng)渲染，封裝打包，導(dǎo)出應(yīng)用程序。

圖2為VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟，實(shí)現(xiàn)步驟歸納如下：

圖2 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

第一步，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、圖片收集和素材收集；

第二步，使用3D Max建模軟件對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行建模；

第三步，導(dǎo)入U(xiǎn)E4.0進(jìn)行模型材質(zhì)制作；

第四步，添加組件為模型功能使用添加機(jī)制；

第五步，搭建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并實(shí)施渲染；

第六步，導(dǎo)出使用文件程序。

1.3 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)操作步驟

如圖3所示，一種基于VR技術(shù)在變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)的系統(tǒng)，由VR變電站火災(zāi)培訓(xùn)軟件和VR穿戴設(shè)備組成。

圖3 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)操作步驟

作業(yè)人員進(jìn)入變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)，第一步穿戴VR設(shè)備，進(jìn)入虛擬場(chǎng)景[7]；第二步通過(guò)第一人稱體驗(yàn)火災(zāi)事故、高空墜落、安全問(wèn)答；第三步通過(guò)手柄與系統(tǒng)進(jìn)行交互式操作；第四步接受安全警示教育，進(jìn)行引導(dǎo)教育與反思[8]；第五步結(jié)束，摘下穿戴設(shè)備。

2 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 場(chǎng)景建模和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景對(duì)比

針對(duì)變電站、換流站等開(kāi)展的建模，主要特點(diǎn)和難點(diǎn)在于模型量大、設(shè)備復(fù)雜[9]，渲染所需資源量大。針對(duì)此問(wèn)題，項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用可編程3D建模軟件3D Max、Maya對(duì)真實(shí)工作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行掃描重構(gòu)，劃分戶內(nèi)場(chǎng)景和戶外場(chǎng)景分別進(jìn)行實(shí)物骨骼搭建、場(chǎng)景坐標(biāo)預(yù)設(shè)和燈光渲染[10]，貼圖采用現(xiàn)場(chǎng)照片原材質(zhì)貼圖，真實(shí)還原變電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[11]，分別建立以寧夏電力±660 kV銀川東換流站戶內(nèi)閥廳作業(yè)場(chǎng)景、戶外換流變壓器作業(yè)場(chǎng)景作為主要對(duì)象的可編輯三維對(duì)比模型，如圖4至圖7所示。

圖4 閥廳現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

圖7 換流變壓器建模后貼圖

圖5 閥廳建模后貼圖

圖6 換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

2.2 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1）能夠模擬設(shè)備帶電情況下無(wú)法開(kāi)展的多類培訓(xùn)。

2）安全性高。身處在絕對(duì)安全的環(huán)境下，培訓(xùn)過(guò)程中模擬器始終會(huì)在預(yù)設(shè)虛擬邊界以內(nèi)，比起現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，具有絕對(duì)不會(huì)發(fā)生安全事故的優(yōu)點(diǎn)。

3）成本更低、對(duì)場(chǎng)地要求小，更方便，僅需3 m2的平整場(chǎng)地即可搭建模擬平臺(tái)。

4）可制作實(shí)體場(chǎng)地中無(wú)法搭建的高?，F(xiàn)場(chǎng)，還原真實(shí)的作業(yè)環(huán)境，人員可進(jìn)行實(shí)景漫游，更全面、更直觀地感受作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)[12]。

5）可通過(guò)綜合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、燈光、特效等元素制造出危機(jī)時(shí)刻緊張的氛圍。

6）可通過(guò)人機(jī)交互的設(shè)計(jì)，高度還原事故發(fā)生前后員工的心理狀態(tài)、情緒表達(dá)，通過(guò)應(yīng)急處置關(guān)卡設(shè)計(jì)鍛煉員工在危急時(shí)刻的危機(jī)判斷意識(shí)和應(yīng)急處理能力[13]。

7）發(fā)生事故后利用多鏡頭、多角度，使員工對(duì)整個(gè)事故的起因、后果、造成的影響進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)和理解。

8）可發(fā)揮以上自身優(yōu)勢(shì)，與實(shí)體體驗(yàn)基地做到強(qiáng)有力的互補(bǔ)，全方位的教育，達(dá)到培訓(xùn)人員對(duì)生產(chǎn)安全的全方位認(rèn)知的目的。

3 VR變電站火災(zāi)安全培訓(xùn)系統(tǒng)制作

3.1 VR核心開(kāi)發(fā)工具及算法介紹

1）搭建VR安全培訓(xùn)系統(tǒng)需要直接使用的開(kāi)發(fā) 工 具 有Unreal4.0、Lumberyard、3D Max、Autodesk，鑒于系統(tǒng)渲染后效果的綜合考量，采用UE4.0引擎制作及渲染，3DMax建立環(huán)境模型[14]。UE4.0的底層代碼為完全開(kāi)源，自身?yè)碛械目梢暬幊滔到y(tǒng)，大幅度地提高了編程效率，加快了編程速度和準(zhǔn)確率。利用UE4.0自身的材質(zhì)模塊、人工智能模塊、制作特效模塊等各模塊之間的動(dòng)態(tài)可視化編程能力相互配合，可以高效完成高質(zhì)量的程序輸出。

2）UE4.0自身的animation系統(tǒng)在骨骼綁定、物體動(dòng)作和移動(dòng)物體動(dòng)畫(huà)方面更自然[15]，輸出后的場(chǎng)景效果更加逼真，為變電站多設(shè)備、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)渲染效果提供了強(qiáng)大的支撐。

UE4.0兼容了Windows與Mac平臺(tái)，并且可以在Windows、Mac、Linux、IOS、Android等平臺(tái)上運(yùn)行，具備變電站使用的多平臺(tái)兼容特性。本項(xiàng)目碰撞計(jì)算基于強(qiáng)大的PhysX引擎，逼真地模擬出物體碰撞、布料、重力等物理效果,可以在光影動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、動(dòng)作連貫性、粒子鋸齒化方面獲得最佳計(jì)算結(jié)果，使系統(tǒng)的運(yùn)行體驗(yàn)感有本質(zhì)的提升。項(xiàng)目粒子特效使用最新版Niagara粒子系統(tǒng)制作[16]，制作效果如圖8所示。

圖8 使用Niagara系統(tǒng)制作爆炸粒子

3.2 建模及渲染要點(diǎn)

1）建模中對(duì)于重要性排名靠后的元素可以用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)CPU及顯卡是實(shí)現(xiàn)畫(huà)面表現(xiàn)的核心，模型面數(shù)是影響CPU計(jì)算能力的核心因素，若面數(shù)太多，CPU的計(jì)算量會(huì)劇增且顯卡難以流程運(yùn)行，下載使用難度很大。在制作火災(zāi)爆炸邏輯時(shí)借助可視化藍(lán)圖模塊編輯爆炸粒子的生成邏輯，對(duì)粒子進(jìn)行優(yōu)化管理，減少面數(shù)，避免對(duì)系統(tǒng)造成過(guò)大壓力導(dǎo)致卡頓，藍(lán)圖制作見(jiàn)圖9。

圖9 使用可視化藍(lán)圖制作爆炸邏輯

2）場(chǎng)景模型搭建包含建筑物、人物、器具時(shí)，若此類材質(zhì)整體可復(fù)制，則對(duì)其進(jìn)行組合；如果場(chǎng)景中的模型數(shù)量太多會(huì)給后續(xù)操作帶來(lái)較大麻煩，則需降低運(yùn)行速度，盡量減少場(chǎng)景中模型的數(shù)量[17]。在3DMax搭建制作的模型必須對(duì)其再次進(jìn)行優(yōu)化，否則運(yùn)行的硬件設(shè)備將出現(xiàn)崩潰等漏洞。在建模過(guò)程中極其重要的操作是要?jiǎng)h除視線以外隱藏的面。在刪減的過(guò)程中尤其要保證模型的基本外形不被損壞，采用去中心樹(shù)進(jìn)行哈希游離刪減，保持模型整體性，杜絕不規(guī)則性刪除破壞結(jié)構(gòu)。圖形優(yōu)化場(chǎng)景如圖10所示。

圖10 調(diào)試優(yōu)化場(chǎng)景模型

3）在使用UE4.0與3DMax配合時(shí)，坐標(biāo)需要及時(shí)歸零并調(diào)整一致，無(wú)論是動(dòng)態(tài)模型還是靜態(tài)模型都需要將對(duì)稱軸調(diào)整一致,這是確保場(chǎng)景一致性的關(guān)鍵。

4）場(chǎng)景內(nèi)部物體眾多，同時(shí)將本身有碰撞的模型導(dǎo)入會(huì)造成整體模型場(chǎng)景中模型碰撞混亂，且無(wú)法在引擎內(nèi)部實(shí)現(xiàn)調(diào)整修復(fù)；因此，在模型導(dǎo)入時(shí)采用鏈?zhǔn)椒纸M進(jìn)行提前預(yù)判，并且提前調(diào)整碰撞因數(shù)減少混亂視角出現(xiàn)。

3.3 培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)培訓(xùn)的可用性，本系統(tǒng)將培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)置為高空墜落學(xué)習(xí)類和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)類，通過(guò)虛擬背景，給體驗(yàn)學(xué)習(xí)人員進(jìn)行場(chǎng)景的描述和引導(dǎo)。參考生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工“四措兩案”編制安全引導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容，告知人員停電范圍及工作內(nèi)容，施工危險(xiǎn)源辨識(shí)及控制措施，并在每個(gè)學(xué)習(xí)類下細(xì)分為三大類關(guān)卡：第一類是生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景體驗(yàn)違章造成的慘痛后果，以第一視角人稱讓學(xué)員深刻體驗(yàn)到違章的代價(jià)，起到警示教育的目的。第二類是闖關(guān)問(wèn)答，通過(guò)人員佩戴的可交互式VR設(shè)備，結(jié)合《變電站高空墜落應(yīng)急處置問(wèn)答》[18],《變電站火災(zāi)消防應(yīng)急策略問(wèn)答》[19]，幫助學(xué)員學(xué)習(xí)國(guó)家電網(wǎng)有限公司防止高空墜落措施和防止火災(zāi)事故的各項(xiàng)規(guī)章制度，并針對(duì)銀川東換流站特殊場(chǎng)景讓學(xué)員進(jìn)行消防應(yīng)急情況處置突發(fā)事件技能學(xué)習(xí)。第三類是自由模式，學(xué)員可以通過(guò)穿戴設(shè)備進(jìn)行全場(chǎng)景交互式移動(dòng)和查看，應(yīng)用本功能熟悉設(shè)備，幫助學(xué)員尤其是新員工和外包作業(yè)施工人員認(rèn)識(shí)換流站、變電站。

通過(guò)以上內(nèi)容關(guān)卡設(shè)置，豐富人員對(duì)于電力生產(chǎn)安全知識(shí)的學(xué)習(xí)手段，提升人員安全生產(chǎn)意識(shí)，增強(qiáng)人員生產(chǎn)業(yè)務(wù)水平，進(jìn)而服務(wù)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.4 員工培訓(xùn)學(xué)習(xí)后的評(píng)價(jià)

本研究對(duì)從業(yè)員工通過(guò)分組對(duì)照、發(fā)放問(wèn)卷的方式進(jìn)行體驗(yàn)后反饋統(tǒng)計(jì)[20]。主要針對(duì)使用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的人員的學(xué)習(xí)情況、使用效果、眩暈情況進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[21]。用以反映本系統(tǒng)使用后的實(shí)際效果，如圖11所示。

圖11 VR培訓(xùn)情況數(shù)據(jù)

從樣本庫(kù)內(nèi)隨機(jī)挑選300名參與培訓(xùn)的員工實(shí)施問(wèn)卷調(diào)查，包括選擇題及問(wèn)答題，其中選擇題占比90%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，有71%的員工表示此類培訓(xùn)方式非常有益，26%的員工表示此類培訓(xùn)方式比較有益，3%的員工表示此類培訓(xùn)方式與其他培訓(xùn)方式差異不大。在硬件的佩戴使用過(guò)程及使用后眩暈情況方面，27%員工表示完全沒(méi)有眩暈，52%的員工表示眩暈感程度可以接受，21%的員工表示眩暈感較為強(qiáng)烈。對(duì)體驗(yàn)后眩暈感較為強(qiáng)烈的員工進(jìn)行了再次問(wèn)卷調(diào)查，其中75%的體驗(yàn)員工是在空腹血糖水平較低的情況下產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的眩暈感，讓其少量進(jìn)食后進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，再次測(cè)試，眩暈感明顯降低。在體驗(yàn)式培訓(xùn)間隔7天后，對(duì)300名參與培訓(xùn)的員工再次進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，根據(jù)反饋結(jié)果，其中74%員工認(rèn)為采用VR培訓(xùn)受到的警示教育影響非常大，21%員工認(rèn)為受到的警示教育影響較大，5%員工認(rèn)為警示教育影響較小。根據(jù)培訓(xùn)員工采用VR技術(shù)培訓(xùn)效果的反饋意見(jiàn)說(shuō)明采用VR技術(shù)培訓(xùn)的效果比傳統(tǒng)培訓(xùn)的效果更直觀，員工體驗(yàn)更深刻。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將變電站等場(chǎng)景通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行1:1還原，在豐富培訓(xùn)內(nèi)容的同時(shí)大幅降低成本，以某次100人次培訓(xùn)為例，可直接節(jié)約時(shí)間成本400 h，維護(hù)費(fèi)用低至1 000元以內(nèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本系統(tǒng)針對(duì)目前變電站在安全培訓(xùn)方面存在的手段單一、直觀性差、針對(duì)性弱的問(wèn)題，結(jié)合VR、UE4.0與3DMax等技術(shù)將變電站等場(chǎng)景通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行1:1還原，采用PDCA工作法，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、培訓(xùn)模塊設(shè)置、仿真模型搭建、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析等方式，模擬變電站真實(shí)設(shè)備環(huán)境、事故現(xiàn)場(chǎng)、災(zāi)難情景，使培訓(xùn)人員更直觀了解操作程序、安全規(guī)范、應(yīng)急處置方式，在崗前培訓(xùn)、技能考核、成績(jī)?cè)u(píng)分、事故演練、警示教育方面發(fā)揮重要作用。系統(tǒng)培訓(xùn)使新員工、施工作業(yè)人員、各級(jí)安全管理人員等能夠快速充分了解電力安全生產(chǎn)的重要性，增強(qiáng)規(guī)范操作意識(shí)，從而達(dá)到良好的警示、教育目的。