案例式变电站安全仿真培训系统开发与应用

谭武光，张德刚，江 龙，李泽河，王达达，曹俊豪，王国平

(1.云南电网有限责任公司教育培训评价中心，云南 昆明 510650；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

0 引言

随着我国电网规模的快速增大，变电站作为电网的重要环节，运维人员的安全意识和技术素质对变电站的安全稳定运行起到重要作用。当前变电站运行安全培训存在理论与实操分离现象，理论学习抽象、单调、枯燥，不便学员理解；在实操过程中，学员对操作规程和要点生疏，容易误操作，导致安全事故发生率上升，传统的培训方式已无法满足电网发展的实际需要。因此,迫切需要研发一种高度交互性、情境性和体验性的电力安全培训系统。

沉浸式虚拟现实仿真技术基于各种虚拟现实交互设备，如立体投影、头盔显示器和动作捕捉等设备，为参与者构建一个具有高度沉浸感和自然交互的虚拟环境。近年来，随着沉浸式虚拟现实开发技术的不断成熟，消费级虚拟现实硬件设备不断推出，典型的交互设备有OculusRift虚拟现实头盔、HTCVIVE虚拟现实头盔和MicrosoftKinect体感交互设备等。基于沉浸式虚拟现实技术构建具有高度沉浸感的变电安全仿真培训系统，能更好地增强变电工作场景展示和实操培训效果，成为该领域新的研究热点和发展趋势。

以下设计的案例式变电站安全仿真培训系统，利用当前变电站仿真培训和沉浸式虚拟现实等最新技术成果，并采用三维立体投影、虚拟现实头盔、位置跟踪器、动作捕捉器等虚拟现实交互设备，为电力安全仿真培训提供一种具有高度沉浸感和自然交互性的培训方式。

1 系统总体设计

1.1 软件系统

安全案例制作工具、电网仿真、变电站仿真、3D投影系统、沉浸式虚拟交互系统、培训管理构成了软件系统。上述软件模块的仿真逻辑的时间、控制和交互信息的同步，通过底层的仿真支撑平台实现。图1为系统的软件结构。

图1 系统软件结构

(1)教员通过对电网安全生产中人身伤亡事故、典型生产事故进行分析，归纳操作过程中出现的错误、存在的风险点。利用安全案例制作工具以可视化交互的方式，编辑制作适合培训的、正确规范操作和错误操作相比对的双重模拟案例，让学员体会不同的操作产生的不同后果，增强培训效果。

(2)电网仿真通过潮流计算，按照一定的仿真周期计算出电网设备的遥测数据和遥信数据，并通过网络发送给变电站仿真模块。遥测数据包括电网设备的电流值、电压值、有功功率和无功功率等；电力遥信数据包括断路器与隔离开关状态。同时，电网仿真模块通过网络通信接收变电站仿真模块发送的断路器和隔离开关等变电设备的控制信息进行处理，并更新电网模型的状态。

(3)变电站仿真在变电站设备的机理模型的基础上，采用先进的三维引擎开发，实现对变电站电气设备、辅助设备、环境场景以及虚拟人等的三维建模，并逼真模拟变电站一、二次设备和变电站后台监控系统的运行情况。

(4)三维立体投影通过三维图像拼接转换程序将变电站场景的三维图像转换为多幅图像，并分别输出到多路立体投影机，由立体投影机投射到立体弧幕上，形成三维图像的立体显示。

(5)沉浸式虚拟交互模块实时精准获取动作捕捉器所捕捉到的学员肢体关节点(膝、肘、腰和脖、颈、头等)的空间位置信息，并将肢体关节点空间位置信息映射到虚拟空间的虚拟人。通过计算，转换为虚拟人对应关节的空间旋转，实现虚拟人的空间操作动作。然后，通过计算虚拟人的手部与变电站的三维设备的碰撞数据及虚拟人的手势识别，准确再现学员的操作行为，如按下复位按钮、扭动操作把手等，最终转换为变电站仿真中的操作行为。

(6)培训管理模块的功能包括培训教案设置、培训过程控制与管理、考核结果评价等，可实现对整个培训过程的全程管控。

1.2 硬件系统

本系统的硬件包括仿真工作站、立体弧幕、立体投影机、动作捕捉器、虚拟现实头盔和网络交换机，具体的硬件系统结构如图2所示。

1.2.1仿真工作站

系统配置3台仿真工作站。主工作站用来供操作人进行虚拟操作，并将视频信号传送到融合机，通过6台投影机输出到大型立体弧幕上，从而合成3D图像。主工作站通过数据线连接动作捕捉器，实时获取人体的动作数据并驱动虚拟人与虚拟场景的设备实现交互操作。工作站2连接虚拟头盔或屏幕，供监护人进行虚拟场景的交互。工作站3连接虚拟头盔或屏幕，供负责人进行虚拟场景的交互。

图2 硬件系统结构

1.2.2立体弧幕、立体投影机

系统配置3套立体投影机(6台投影机)，分别通过视频线连接并接收硬件图像融合器输出的3组分屏图像并投射到立体弧幕上。学员可以通过佩戴3D眼镜的方式，沉浸式体验变电站一、二次设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，进行变电站设备虚拟巡视、检查、漫游、操作及事故案例处理。

1.2.3动作捕捉器

动作捕捉器实时获取用户运动关键位置的空间坐标和运动姿态数据，并将数据实时传送给仿真机以更新虚拟人物角色相应的关节旋转角度，从而实现虚拟人物的控制和场景交互操作。

1.2.4虚拟现实头盔

虚拟现实头盔配套的位置跟踪器，通过实时追踪头盔上的位置感应点，实时获取头盔的空间位置和方位，并传送给仿真工作站实时更新头盔内显示的三维影像。

1.2.5网络交换机

网络交换机实现分布式系统的数据交换。

2 关键技术的实现

2.1 安全事故案例制作技术

用户利用该沉浸式变电站安全事故案例制作工具，可以自行构建出变电站典型安全事故案例。典型案例是作业过程中一系列的关键操作步骤和关键事件的集合。本项目采用有向流程图的数据结构表示典型案例对象，采用案例图元表示操作步骤和事件，案例图元直接由有向弧连接，以表示案例图元的时间先后顺序。案例流程图采用可扩展的xml格式进行数据存储和读取。

为了提高案例制作的效率，本项目研究开发出案例流程图编辑工具，以可视化的形式编辑生成案例流程图。该编辑工具通过鼠标、键盘操作，可实现案例图元的新建、属性编辑、流程图布局编辑、图元连接、图元删除和流程图文件的加载保存等功能。具体交互界面如图3所示。

2.2 沉浸式立体显示技术

本项目采用虚拟现实头盔和立体弧幕投影2种沉浸式立体显示技术，既可对培训人员进行个人的沉浸式培训，也可实现培训过程的开放式参观。

虚拟现实头盔内置2块小型显示屏幕，分别用于左右眼的立体显示，可大范围封闭人的视野。系统通过将带显示的三维图像分解为带有视差的2幅左右眼图像，并分别输出到虚拟现实头盔内的左右眼屏幕，实现双眼立体沉浸式显示。该系统软件通过在三维场景中建立2个虚拟相机分别对应左右眼视点，将左右眼对应虚拟相机的三维场景图像同步输出到虚拟现实头盔的左右眼屏幕，实现双眼立体成像。

立体弧幕显示所需图像分辨率大于单个投影机的输出分辨率，因此需要将三维图像通过多台投影机进行图像拼接式投影。本系统开发了三维图像拼接转换程序，该程序输入显卡渲染的三维图像，并根据投影参数将单幅三维图像转换为适合多通道投影输出的多幅3D显示三维图像，然后将多维图像分别输出到不同的投影机并投射到立体弧幕上，从而产生三维立体输出效果。

2.3 基于运动捕捉的虚拟人交互技术

基于运动捕捉的虚拟人交互过程：光学动作捕捉系统获取培训人员的人体运动数据，然后将记录到的运动数据实时映射到虚拟场景中的虚拟人，以驱动虚拟人在虚拟场景中做出和培训人员相一致的肢体动作。该交互技术不是简单的确认或者返回这些选择性操作，而是实时反映培训人员的动作。

动作捕捉系统获取的原始运动数据为具有冗余信息的运动数据。为了能够正确驱动虚拟人的运动，本项目首先对运动数据进行数据除噪和消除冗余，并从大量的运动数据中提取出可以正确反映虚拟人完整运动过程的运动数据。然后将处理好的数据根据虚拟人模型进行映射处理，并最终实现运动数据对虚拟人的驱动。

2.4 变电站生产运行多人协作技术

本项目中变电站的操作流程包括监护员、操作员、负责人，系统支持同时多人分别以监护员、操作员、负责人的角色交互，完全按照变电站实际运行的工作流程，协同完成一个任务。系统实现多人协同的任务模式，在该模式下多个受训人员可分别以不同角色登录进入培训场景，以团队协作的方式共同完成一个多人参与的作业任务。在协同作业过程中，学员按照各自的角色、任务分工在仿真系统上进行仿真实操，用户之间采用文字、语音等通信方式进行沟通交流。

图3 安全事故案例制作工具交互界面示例

系统采用集中式的客户端/服务端模式实现多人协同的通信功能开发，在使用多人协同功能前，所有客户端首先需要同协同服务端模块建立可靠的网络链接。在多人协同功能运行过程中，任何客户端上所发生的交互操作都需要将该交互操作信息通过网络传递给服务端，服务端收到操作信息后进行处理，并将操作信息转发给待协同的其他客户端。处理和转发工作由服务端完成，客户端负责发送操作信息和接受同步信息并更新场景。

3 系统应用

以上研究成果已成功应用于云南电网公司教育培训评价中心，以对相关生产人员进行安全事故案例的仿真培训。用户可以通对电网生产中的人身伤亡事故、典型生产事故进行分析，编辑制作适合培训的、正确规范操作和错误操作相比对的双重模拟案例，并通过沉浸式方式让学员如同身临其境地体会不同的操作所产生的不同后果，加深印象，感受各种作业环境中存在的危险因素，大大增强了对学员的培训效果。图4为系统实际应用示例。

图4 系统实际应用示例

4 结论

案例式变电站安全仿真培训系统采用沉浸式虚拟现实模式来演绎电网变电站生产场景。通过建立变电站一、二次场景模型，将案例进行真实还原和情景再现，通过虚拟现实头盔、动作捕捉系统和3D立体投影系统实现虚拟人与变电站仿真场景进行交互的安全操作和培训。可在不影响电力网络正常运行的情况下,让员工亲身体验如同实际发生的生产事故，感触各种作业环境中存在的危险因素和不规范操作带来的后果。这解决了传统培训模式现场感缺乏和用户体验的不足的缺点，从而增强了培训效果。

不过，本系统在基于沉浸式虚拟现实的多人联合训练场景的逼真度和学员的沉浸体验度上还存在不足。三维虚拟场景下的多人协同培训仿真的逼真度和场景数据同步的实时性还有待提高，这是下一步的研究方向。

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