基于VR技术的电力安全执规仿真系统开发

吴元忠

（福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000）

0 引 言

电力系统的专业技能实训内容涵盖面广泛，包括专业基础理论知识、国家电网公司出台的相关培训规范和安全作业规范、现场的作业培训等。而现场作业技能实训是专业人才培养过程中的重要环节之一。现场实训（运、检、操）无论是各级变电站的开关柜操作还是户外高空作业，都处在高压环境下，风险系数高，安全隐患大。同时，实训设备投入成本高，且学生不可能同时在现场完成操作训练，实训效率低。

利用虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术建立虚拟现实与系统仿真的培训和学习现场[1]，虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，在虚拟学习场景中增加真实现场体验，从而加速和巩固学生学习的过程。

1 单相触电危害

从生理学角度，触电伤害的直接生理原因是流过人体的电流超过人体的安全容许电流，避免电流引起人体心室颤动而造成致命伤害。电流直接作用于心脏或者通过中枢神经系统的反射作用，均可能引起室颤电流。据研究，人体室颤电流约为50 mA。超过该电流值，人体就会遭受致命伤害。同时，同样电压的交流电，其危险性比直流电更大。

2 中性点接地系统的单相触电

在中性点接地系统中发生单相触电时，三相线与人体、大地形成导电回路，如图1所示。

图1 中性点接地系统的单相触电电流回路示意图

由于线路与人体、大地形成导电回路，人体的触电电流计算比较简单。假设人体与大地接触良好，土壤电阻可以忽略不计。由于人体电阻比中性点工作接地电阻大得多，加在人体的电压几乎等于电网相电压，这时流过人体的电流为：

其中， 为线电压， 为人体电阻， 为中性点接地电阻。具体地，通过一个380/220 V三相四线制系统发生单相触电案例，计算触电时流过人体的电流约219 mA。

3 中性点不接地系统的触电

以线路较长、触电位置距离电源较远为例可以看成，由输电线路、人体和线路对地阻抗（主要是对地容抗）形成导电回路，如图2所示。图3、图4分别为相应的中性点不接地系统长线路单相触电等值电路图和戴维宁等效电路图。

图2 中性点不接地系统长线路单相触电示意图

图3 中性点不接地系统长线路单相触电等值电路

图4 戴维宁等效电路

则触电电流 的大小为：

其中， 为相电压， 为人体电阻， 为系统每相对地阻抗。具体地，通过一个380/220 V三相三线制系统发生单相触电案例，设定系统对地阻抗 =10 000 Ω，最终计算单相触电时流过人体的电流约63 mA。

从计算结果看，不接地系统的触电电流的确比接地系统的触电电流要低很多，但这电流依然是致命的，且这是在低压系统中，而在高压系统中由于受到各种因素的影响（线路较短，触电位置距离电源较近的触电电流，经测算达120 mA），触电电流将更大。

4 开关柜操作及事故还原VR教程的技术实现

4.1 VR教程技术平台的总体架构

VR技术过程和实现分为三个环节：数据层、业务层和表现层，如图5所示。电力开关柜安全操作与事故重现VR教程的制作，按照VR技术实现的要求和流程构建。

4.2 电力安全执VR教程的实现

电力开关柜操作与事故还原的VR教程的实现，按照VR技术的三层构架展开。在每一个技术层面，需要多层的数据依次进行处理和建模。

4.2.1 数据采集

电力专家撰写脚本流程。电力专家依据电力安全操作规范和实际工作票流程，利用设备自身的电气特性和操作现场的各种具体细节，结合现场操作体验编写文字脚本，确保文字脚本实现内容的规范性和专业性。其次，确定用于指导实训的提示语音、图形信息、字幕文本等，具体展现视觉和听觉直接信息。培训教程体验需要大量的人体动作和设备操作动态形式，如开门、关门、开关等操作方式，在脚本中需确定VR中需要的具体动作方式。图6为实训场景。图7为人物VR模型。

图6 实训场景

图7 人物VR模型

现场采集脚本相关的设备图片信息搭建虚拟模型。对脚本中设计的开关设备、开关柜、各种工具、推车、空间结构定位等场景具体的现实物体和场所进行拍照取景，通过3DMAX等建模工具，实现相应的虚拟设备和场景模型。

采用HTC Vive跟踪技术，称之为Lighthouse。Vive的头动跟踪和手柄跟踪都非常精确，其精确程度已经让人真的产生了“这就是现实”的错觉。

采用UNITY3D的AAA级别渲染技术，搭建整体的VR场景、功能场景、逻辑过程，如灯光的明暗、阴影、棱角等多项功能进行融合。

深度学习模型。为了更好地分析LOT数据、用电数据及专家标签，构建基于DEEP LEARNING的训练模型。后续输入对应的LOT数据或者用电数据，模型可以给出专家级别的分类结果。

百度语音组件。使用百度语音组件将文字脚本通过百度语音API转为语音。这个组件可以按照角色需要采用男声或女生展现语音。

4.2.2 功能模块搭建

体感控制。采用HTC Vive头盔开发的配套设备，在操作手柄中利用了Valve的Lighthouse位置定位和跟踪技术，并使用无线进行数据通讯。体验者通过手柄的感知进行按钮开关操作，通过内部传感器感应和控制操作对象，产生如同真实世界里的体感。

渲染场景模型。系统的开发渲染技术贯穿其中，从场景细致的空间结构分割到设备局部的指示灯显示和闪烁效果，都通过渲染场景模型增加真实体感。

语音控制。系统利用百度语音API，多数场景下以第三人称进行配音。百度语音可以灵活切换各种方言版本和男女声版本的语音，通过控制指令识别配音要求，从而实现自动配音。

程序脚本解析与控制。系统采用pandabehaviour对顶层业务脚本（电力专家的脚本）进行编写控制，将文字脚本转化为机器语言能识别的脚本。

4.3 系统表现

在系统表现层，主要体现用户终端的操作控制，并根据实际需求进行功能切换。为了实现用户使用的便捷，增强系统的人性化设置，本系统的表现层主要加强了以下模块：

（1）设置用户入门培训的入口界面，初次使用该软件的用户可以在系统提示下练习VR工具操作技巧；

（2）设置不同课件的菜单界面，用于选择切换不同的课件和学习内容；

（3）设置工作票界面，用于指示当前操作票；

（4）拥有完整的室内开关柜场景和精细建模后的设备、工器具及其VR交互。

5 VR教程系统的功能与特点

VR教程系统主要包含开关柜操作和事故还原教程。具体地，包括事故现场还原、事故原因与理论论证分析、进线柜开关操作三大部分主体内容。结合教学培训的特点和操作使用的方便，将教程系统分成6个阶段，即：事故现场还原、事故原因分析、触电过程理论论证、系统使用入门培训、开关由运行转检修操作过程和开关由冷备用转运行操作过程。VR教程系统以安全警示教育为目的，内容设置针对性强，构成全面，内容实现独具特色。本VR教程实现的内容主要有如下特色。

5.1 系统操作的入门培训模块

本系统提供了VR教程的入门培训环节，帮助首次使用VR教程的人员掌握VR设备和软件操作的基本要领，如练习左右手柄的控制对象、手柄功能按钮操作、体验声音与视觉的同步，如何实现移动和动作控制、方位感知、进度控制等，如图8、图9所示。这个入门培训模块指导初次接触电力技能培训VR教程系统的学员正确使用本培训教程，为设备的操作奠定必要的操作基础，从而提高后续的学习效率。

图8 入门培训中的位置移动指导

图9 入门培训中的手柄操纵指导

5.2 全真还原典型的开关柜操作触电死亡事故作为安全警示教育范例

作为安全教育的典型事故案例，国网保定电网“3.23事故”是近年电力系统开关柜操作事故的典型案例。因此，以此案例为脚本制作VR事故体验教程，将具有安全警示典范作用。VR再现对事故的场景还原，是严格按照事故发生的真实过程进行设计，是事故过程的全真还原。事故重现过程完整，细节详尽，并对事故发生全过程中的每一步行为的规范性进行了详细解说和评述，对关键执行动作重复呈现强调，使体验者真实感受到安规对于安全作业的重要性。

5.3 延伸开发以进线柜为执行对象、以操作票为导向的典型开关柜操作VR教程

关柜的操作使用操作票作[2]为执行动作导向，严格按照安全执行规范进行作业练习，使虚拟操作训练与真实现场作业一致。同时，每一步操作完成后，随即出现下一步执行动作提示，如图10、图11所示。

图10 操作票动作执行导向过程

图11 操作票

5.4 开发事故原因分析与触电理论论证VR教程，深入挖掘触电死亡事故的深层物理原因

对事故造成的原因进行多方面分析，并对触电过程做深入的理论论证，是本项目主要的特色内容之一。具体地，从三个层面分析事故原因，包括自潜在原因、间接原因和直接原因。造成触电事故的原因有多方面，其中直接原因和间接原因容易理解，但却容易被忽略。该教程系统以VR形式从多个方面分析触电事故发生的原因，结合事故发生时的镜头回放强调安规，加深了学员的学习感受。

6 结 论

VR技术应用于电力行业已有一些实践，但VR技术总体应用依然较为初级。借鉴于虚拟现实技术，它已在影视、游戏等行业中成功应用[3]。结合电力系统专业技能实训与学习的特点，使VR技术在电力专业技能实训中发挥了巨大的应用价值。综上所述，VR技术应用于电力安全执规的模拟实训，是一种低成本、高效率、安全可靠的实训方式。

参考文献：

[1] 冯文胜.VR技术助力南方电力职业培训创新实践[J].中国电力教育，2017，（2）：32-35.

[2] 谭诚.基于VR的倒闸操作票模拟与培训仿真技术初探[J].东北电力技术，2017，38（2）：57-59.

[3] 张婷婷.VR在交互影视与游戏领域的应用综述[J].上海大学学报，2017，23（3）：342-344.