电力安全规程仿真系统技术研究与应用

闫瑞杰，李路，张建军，常永庆

（1.山西电力职业技术学院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

电力安全规程仿真系统技术研究与应用

闫瑞杰1，李路2，张建军1，常永庆2

（1.山西电力职业技术学院，太原030021；2.合肥盛柏科技有限公司，合肥230088）

因非技术技能因素引发的电力安全事故越来越受到电力相关企业的高度重视，如何更好地提高工作人员的安全意识，是安全培训的重要课题。电力安全工作规程是电力系统安全工作的经验总结，对预防和避免电力事故至关重要。应用计算机虚拟现实、三维建模、渲染优化、区域检测、网络数据同步等关键技术开发了电力安全工作规程仿真系统，设计了与变电站现场环境相一致、生动逼真的作业虚拟三维场景。经系统应用，提高了作业人员安全生产意识，为电力作业安全培训提供了良好的技术手段。

虚拟现实技术；仿真系统；虚拟三维场景；电力安全；规程

0 引言

电力安全生产是电力企业永恒的主题，因非技术、技能因素引发的电力安全事故越来越受到重视，如何更好地提高工作人员的安全意识和技能水平，是当前安全培训的重要课题。针对电力作业培训的特殊性以及安全性要求，在总结现有作业培训工作的基础上，以电力安全工作规程（简称“安规”）为依据，结合计算机虚拟现实、变电站仿真、网络数据同步等技术，提出了仿真操作与现场培训相结合的培训方式，并开发适用于电力作业的三维交互［1］电力安全规程仿真系统，以变电站仿真作为数据支撑，采用基于三维动画的计算机虚拟现实技术［2］搭建电力作业虚拟三维场景，建立虚拟人物角色，通过人机交互装备控制虚拟人物进行电力作业。

根据标准化的作业过程建立规范的作业流程，将安规条款融入作业流程中，在仿真作业的过程中时刻提醒安全风险，对违反安全规程造成的后果予以警示展现。通过培训应用，使作业人员在直观的培训过程中加强安全生产意识，并将安全意识转化为安全作业的良好习惯，为电力作业安全培训提供良好的技术支撑。对基于计算机虚拟现实三维技术的电力作业虚拟三维场景的建模、渲染优化、区域检测、网络数据同步等相关技术进行研究，主要以提高电力作业环境逼真度为目的，确保作业环境真实、作业流程规范。

1 电力作业虚拟三维场景

1.1 虚拟三维场景建模

采用成熟的面向对象技术［3］、虚拟现实技术对电力作业环境进行三维建模，建模流程如图1所示。

图1 虚拟三维场景建模流程

系统采用3DMAX建立原始的电力设备模型，通过三维设备管理库系统根据电气设备特性对原始模型的物理属性、连接属性、位置属性、状态属性及显示属性等进行定义，定义完成以后加载到设备模型库。

系统通过地形编辑器对变电站虚拟三维场景区域的地理环境进行地形、地貌建模，定义场景范围及非设备静态景物属性。

系统通过场景编辑器在地形数据的基础上，调用三维设备模型库，安装电力设备，建立设备相互连接关系，生成设备的静态拓扑关系，关联仿真实时数据库。

1.2 变电站设备状态与动画驱动处理

采用OpenGL三维动画底层技术［4］，建立1∶1的电力设备模型及环境模型，依据变电站实时仿真数据［5］的支撑，实时读取仿真系统计算数据，依据当前数据与历史数据状态对比实现对虚拟场景设备状态、动画展现的驱动处理，从而实现显示设备状态与动画过程，真实再现变电站工作场景及作业过程，如图2所示。同时，为了增强临场感，系统采用粒子系统技术［6］、粒子生命周期检测算法实现对雨、雪、雾等气候条件以及设备冒烟、冒蒸汽、着火、爆炸、孤光等异常现象的模拟。

1.3 渲染性能优化

虚拟三维场景加载的模型采用多边形渐进网格减面算法建立的层次细节模型（即LOD技术），降低了模型的复杂度，基本原理是根据模型的边的权值将公共边删除实现多边形网格减面算法［7］。

图2 程序流程

图3 根据距离选取不同精度的LOD模型

如图3所示，利用视觉原理在虚拟场景中视线远处调用减面后的低层次模型，视觉近处调用未减面的高层次模型，达到高效渲染目的。采用四叉树数据结构划分虚拟三维场景［8］显示区域，如图4所示，每一个正方形为四叉树的一个节点，每一个节点保存了一定的三维场景区域位置信息，实时监测当前摄像机位置，通过三维模型信息将加载范围控制在与摄像机视点距离为R的圆内，摄像机无法观察到的区域内模型，采用消隐处理，从而提高渲染效率。

图4 四叉树节点分割

2 电力作业人员三维虚拟

2.1 虚拟人物行为

采用3DMax建模［9］建立骨骼动画，绘制具有电力行业特点的人物骨骼MDL格式模型动画虚拟人，根据现场作业特点绘制人物动作行为动画。如图5所示，根据人体生理特点将人物定义成20个运动点的集合，定义人物模型模块类及关联，通过点的运动轨迹计算虚拟人物动作行为。针对设备操作点操作方式定义动画帧，通过人机接口如鼠标、键盘、运动捕捉［9］等方式实现对虚拟人进行控制，在变电站虚拟三维场景中进行作业，并表现人物作业行为。

图5 人物骨骼点定义

抽象现场作业所涉及人的作业行为，包括行走、下蹲、攀爬、上阶梯、按按钮、开关柜门、推手车、扛梯、验电、挂接地线等动作，实现动作行为与现场操作相关联，如点击开关柜门，调用虚拟人开柜门操作并打开开关柜门，点击验电点调用虚拟人手持验电器进行验电等。能够体现虚拟人携带、检查、使用安全器具和施工器具过程，如佩戴安全帽、穿工作负责人马甲、佩戴绝缘手套、穿绝缘靴、扛梯行走、手持验电器行走等。体现安全措施不到位造成的人身伤害后果，如带电距离不够造成电击、高空跌落、坠物损伤等。

2.2 虚拟人物实时碰撞检测

采用八叉树空间分割算法［11］划分虚拟三维场景区域及虚拟三维模型，通过当前碰撞源位置查找实际碰撞叶子节点。如图6所示，黑色节点表示含有碰撞源的叶子节点，白色节点表示不含碰撞源的叶子节点。

图6 八叉树结构

针对虚拟三维场景中的虚拟三维模型采用多层次包围盒的实时碰撞检测法，用多层次包围盒干涉检测快速定位碰撞目标，再依据多层次包围盒定位的碰撞目标模型，按照碰撞检测的精度要求，进一步对模型三角形平面相交测试确定碰撞点。在虚拟三维场景中，采用合适的碰撞检测精度，虚拟人物在行动中与虚拟设备的碰撞为实时检测，但碰撞精度要求不高，可以采用低精度的碰撞提高运算效率。虚拟人物对设备的操作，碰撞检测精度要求高，却只是通过用户键盘鼠标触发才执行，不会影响虚拟场景整体渲染效率。能够有效提高碰撞检测速度，同时依据不同的精度需求，达到虚拟场景中碰撞检测精度和效率的平衡。通过虚拟人物对梯子、台阶的碰撞检测，实现虚拟人攀爬、上下楼梯。

2.3 网络同步控制

针对供电作业的安全特点，电力安全作业过程中需要有工作负责人、监护人、操作人等多个角色在线共同参与协作，如图7所示，因此在多角色参与的作业过程中需要解决带宽、网络延迟、网络丢包以及不同计算机性能造成的同步控制问题。

图7 人物角色

虚拟三维场景中多角色协同作业对实时性要求很高，因此采用时间移动，移动过程中采用客户端预测和客户端修正的方法保持客户端与服务器、客户端与客户端之间的同步，通过对网络延时的预测和处理实现角色移动的同步，有效地解决了因同步问题造成的多台机器显示画面不一致的问题。

3 系统应用

电力安全规程仿真系统主要功能以变电站虚拟三维场景全景为主，系统不仅模拟了继电保护、五防系统和综合自动化系统等各部分的功能，还实现了通过学员控制不同虚拟人物角色在虚拟三维场景中进行电力作业过程操作的人机交互功能，展现逼真的安全作业情景。

例如有受培训人员A和受培训人员B在两台不同的客户端分别以工作负责人和工作监护人的角色进入三维场景，监护人可以跟随、监护工作负责人进行安全工器具拿取、检查、验电（如图8（a）所示）、分合开关和挂接地线等操作，两台客户端同步虚拟人物的位置及动作，实现多人配合完成电力作业过程。在碰撞检测开启的前提下，受培训人员控制的虚拟人只能行走在正常路径上前往作业地点，不能穿过实体建筑（如墙、柱子、设备等）。在符合安规的标准作业流程下，受训人员在操作过程中会有风险提醒（如注意带电距离、误入带电间隔等），且根据环境条件设置的不同风险提示会有所不同。当受培训人员在违反安规条款进行操作造成错误操作后果的，系统会根据实际情况在场景中给出声、光、电的展示，以达到警示和提醒的作用。例如受培训人员A误入带电间隔，进行带电挂接地线操作，此时受培训人员A控制的虚拟人会发出一声惨叫，带电位置与人物之间出现弧光，虚拟人物应声倒地，身上着火，造成设备损坏、人身伤害、伤亡等严重后果，进而引发电力安全生产事故，如图8（b）所示。

图8 验电及误操作

通过仿真系统学员可以加深对安规的认识，有利于应用技能水平的提高，尤其是加深了学员对安规的理解，有利于提高学员对变电站内设备故障判断和处理能力，取得了良好的培训效果，提高了电网安全稳定运行的水平。系统可以随着现场技术的发展而及时更新升级，从而满足不断提高的培训需求。

4 结语

电力安全规程仿真系统作为一种新型的电力生产安全作业培训方式，为提高电力运行人员的整体素质，保证电网的安全、稳定、经济、可靠运行发挥了积极作用。系统的成功应用，可提高员工的安全风险意识、技术素养、运行技术技能水平，杜绝系统内人为不按规程错误操作所引发的事故，提高运行人员在发生事故时的快速决断能力，具有推广应用价值。

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Simulation System of Electric Power Industry Safety Regulations

YAN Ruijie1，LI Lu2，ZHANG Jianjun1，CHANG Yongqing2
（1.Shanxi Vocational and Technical College of Electric Power，Taiyuan 030021，China；2.Hefei Shengbai Technology co.，LTD，Hefei 230088，China）

Electric safety accidents due to non-technical skills attracted great attention of power-related enterprises.One of the main goals of safety training is how to boost the safety awareness of working staff.Based on technologies such as computer virtual reality，3D modeling，rendering optimization，region detection，network data synchronization，a simulation system of electric power industry safety regulations is developed，in which virtual 3D scene and substation site environment simulation are realized.Practical applications testify that this system helps to enhance safety awareness of working staff.The system can be used as a technical method for safety training of electric power enterprises.

virtual reality technology；simulation system；virtual 3D scene；electric power security；regulation

TM743；TP311.52

A

1007－9904（2015）04－0004－04

2015-01-07

闫瑞杰（1978），男，讲师，主要从事自动控制、智能仪表和通信方面的教学与研究；

国网山西省电力公司2013年科技项目（52057013500B）

李路（1987），男，主要从事电力仿真系统和通信技术研究与开发。