基于VR技术的输电线路“机巡”+“人巡”实操仿真在培训中的应用

孙斌, 李维鹏, 余艳稳, 贾永详

(云南电网有限责任公司 带电作业分公司, 云南 昆明 650051)

0 引言

输电线路巡检实操仿真培训具有很多优势，能提高操作人员的技能水平、预防事故以及保证电力系统稳定运行。对输电线路进行常规巡检作业，实时了解和掌握输电线路的当前运行状况、输电线路周边环境情况，是电力作业人员一项繁琐的常规工作。人工巡检是常规情况下应用比较普遍的输电线路巡检方式。通常情况下，输电线路所架设区域，其地形环境呈现多样性、复杂性，在江河或山岭等条件恶劣的地区，输电线路沿线区段没有合适的巡检道路，导致该巡检方式作业环境恶劣、作业人员工作辛苦，而且输电线路的运行情况的实时反馈性较差。

输电线路的电力巡检作业质量对保障整个电力系统可靠运行有重大意义。采取有效的培训方法可以提高巡检人员的技能水平从而保证输电线路安全稳定运行。常规的巡检作业培训是以实际操作为基础逐步展开的，但是电力系统运行的复杂性决定了难以实现作业人员的实操培训，而且常规培训模式并不会对作业人员的培训质量和培训效率的提升有很大帮助[1]。

基于虚拟现实技术的输电线路巡检仿真培训系统具有信息涵盖范围广、能够实现对实际动作的模拟操作、可以进行多个项点的演示和对实际工作环境进行模拟等特点，这些特点是传统培训方法不具有的。通过虚拟现实技术模拟的培训环境可以实现对作业现场环境的有效还原，电力作业人员可以在没有任何危险的条件下完成相应的培训任务，因此可以在一定程度上避免电力事故的发生，并且可以降低培训资源消耗，缩短培训周期。

本文提出一种以虚拟现实(VR)技术为核心，进行输电线路“机巡”+“人巡”实操仿真培训系统，通过计算机对各种物理工况进行模拟实现，以仿真模拟手段复现一个以教学和训练为目的真实系统行为的培训系统，该系统具有资源消耗少、培训效果好、安全性高等优势。

1 实操仿真培训系统构成

输电线路仿真培训系统是通过VR技术支持,在计算机虚拟环境下利用系统数学模型和线路模型建立电力系统的各个组成环节，诸如杆塔、导线以及各种作业工具，并对输电线路的巡视检查、施工作业和运行场景进行模拟仿真，从而为电力企业提供丰富的教学培训和考核的手段，以达到提高培训效果和质量的目的。

1.1 模型搭建及虚拟场景建立

输电线路巡检的仿真操作环境是通过虚拟现实(VR)技术构建的，仿真模拟与实际场景逼近的虚拟模型是实现实操仿真培训系统的必要前提。输电线路巡检虚拟三维场景的构建必须要选择合适的实现手段来进行具体实施，VRML是基于HTML语言的三维模型，它具有文件占用空间资源少，易于通过互联网进行传播等特点。VRML定义了很多种类型的模型构建手段，通过对模拟环境的几何形状、物理外观、接触反应和光线声音相关因素等进行描述，生成逼近真实的模拟仿真场景[2]。通过Java开发环境编写上位机操作软件，实现对虚拟场景的操控。仿真培训系统总体架构框图,如图1所示。

图1 仿真培训系统总体框图

1.2 巡检设备树模型搭建

搭建输电线路虚拟巡检仿真模型是为了将输电线路的架构及其存在的缺陷形象逼真地表现出来。输电线路模拟仿真模型是在对各种不同电压等级的输电线路和各种功能类别的电力作业设备的合理分组的基础上搭建起来的。根据电力系统的不同等级、不同功能角色搭建模型，可以有效提高系统仿真模型与实际环境的接近程度。本文依据各种电力作业工器具类型不同以及输电线路的电压等级的不同进行细致划分,输电线路巡检设备树模型，如图2所示。

图2 输电线路巡检设备树

对输电线路各种对象进行细分，有利于仿真模型数据库的存储、复制和调用，为虚拟场景的建立奠定了坚实基础[3-6]。

1.3 模型建立

模型的建立包括场景模型、工器具库和人物角色搭建。

场景模型包括输电线路和周围虚拟环境模型，输电线由不同电压等级的输电网和杆塔构成，周围虚拟环境包括：巡检输电线路附近的建筑、山川、河流、和树木等模型[7]。

工器具是电力作业人员在电力作业过程中必备专业工具。主要包括：防护工装、安全防护设备、视觉观察设备、绝缘工器具和信息输入终端等。将工器具模型存储在数据库，以便在使用时可以实时调用。

输电线路巡检模拟培训中，根据不同的实际工作需求对人物角色进行区分，包括工作负责人、地面工作人员、塔上工作人员。不同的人物模型的区分通过角色着装差异来实现，如图3所示。

1.4 仿真培训操作

在虚拟现实环境中，受训人员需要以各种不同的人物角色来实现输电线路巡检模拟培训，例如可以进行输电线路周边环境的巡察，操作虚拟电力作业工具。模拟仿真培训过程中，因为人物无法像现实中那么智能，需要用穷举法对实际作业动作建立一个数据库，并把各种操作动作分解，通过一个小动画形式表现出来[8-10]。受训人员要在仿真培训中模拟对输电线路进行巡检并查找其缺陷这一操作，需要分解为4个小动画。

(1) 望远镜的选择；

(2) 调整望远镜的位置；

(3) 仔细查找输电线路的缺陷；

(4) 结束缺陷查找。

在模拟实际操作培训过程中，需要对每一步操作进行分解和细化，以达到与现实作业一样的效果，这样就可以让受训人员有一种身临其境的感觉，从而提高系统体验的真实性。

2 系统整体架构

2.1 软件结构

线路模拟实际操作培训系统采用客户-服务器模式，受训员可以通过计算机界面进行操作，通过计算机技术、网络技术、虚拟现实技术将现实中的输电线路巡检的操作规程和计算机软硬件相结合，通过虚拟仿真、三维动态和实时交互进行巡检内容的培训[11-12]。

软件结构主要包括：数据库资料查询、输电线路巡检培训、多成员协同操作、效果考评、在线监控、现场教学。其中，数据库资料查询可以方便受训人员掌握专业知识，提高个人技能；多成员协同操作可以增强受训人员间的协同操作能力；现场教学方便培训人员对受训人员进行现场指导，解决培训过程中遇到的问题。

2.2 数据结构

输电线路巡检实操培训系统包括3个部分：场景数据和培训资料数据库、培训员机和受训员机。培训员机对受训员机进行考核，考核结果存到已建立好的数据库中，受训员机根据培训员机进行场景选择，具体数据交互,如图4所示。

2.3 硬件结构

输电线路巡检平台以电力企业已有的局域网为基础，由知识数据库、Web服务器和培训人、受训人工作站组成。培训人通过网络对巡检资料和教学内容进行管理，受训人通过网络进行具体的巡检培训作业。

图4 各角色间数据交互结构

巡检平台的知识数据库需要根据实际情况进行更新，以满足电力系统培训发展的需要[13]。输电线路巡检平台结构,如图5所示。

图5 输电线路巡检平台结构

由图5可知，培训人根据受训人的培训需要，从巡检资料数据库调取相应的培训内容，通过Web服务器实现局域网互联，可同时对多个受训人进行在线培训。

3 系统软件设计关键技术

在进行线路巡检实操仿真培训系统开发实现过程当中，作为核心技术的引擎是决定系统性能的决定性因素。引擎是一系列预先规定好的,与系统初始化、人员控制、图像处理、三维建模和碰撞检测等有关的函数，有实现程序员的开发工具包的功能，程序员只需要调用引擎中的相关函数即可完成开发工作。所以在培训系统开发中，通过对三维图形引擎的结构和功能的有效借鉴，可以开发一种用于输电线路仿真培训系统的“引擎”。

3.1 光照模型

电力系统的输电线路的运行环境复杂，环境多变，因此电力作业人员观察物体的反射效果会因光照强度差异而有所区别，为确保线路巡检虚拟环境最大程度上逼近实际环境，实操培训系统的引擎采用统一光照模型，采用凹凸映射贴图使引擎计算出理想的光照效果，因此需要对引擎的处理性能进行提升。

本文所提及的培训系统的引擎采用的算法是基于Blinn-Phong局部光照方法，如式(1)。

I=kaIa+∑Ii[kd(N*Li)+ks(N*Hi)n]

(1)

式中：ka——光反射参量；

kd——漫反射参量；

ks——镜面反射参量；

Ia——环境光强参量；

Ii——入射光强参量；

n——镜面高光参量；

N——任意一点的法矢量；

Li——该点到光源矢量；

Hi——半角矢量。

上述矢量均为进行标准化处理后的单位矢量。

本文采用的光照模型算法的处理过程包括光照处理和几何处理两部分，首先采用虚拟场景的几何数据完成几何处理，然后用利用Blinn-Phong模型在预处理过程中降低纹理处理和载入时间。

3.2 引擎系统

引擎系统的作用主要是用来保证虚拟真实环境的准确性，通过碰撞检测模拟物体在不同环境下的运动状态。碰撞检测系统要求极高的实时性，在进行引擎系统设计过程中，高效的碰撞检测算法对提高系统的实时性很有效果。

顶点坐标向量U的表达,如式(2)。

(2)

协方差方差矩阵C的解,如式(3)。

1≤j,k≤3

(3)

矩阵C包括P、Q、R三个向量，这三个向量是两两正交的单位向量，因此对矩阵C求解就能确定包围体的3个轴向坐标。较多的实体碰撞会导致碰撞检测效率降低，进而影响系统的执行效率，本文采用一种基于动态列表的改进算法，该算法可以明显优化现有的碰撞检测算法。

为了把场景中实体投影到X、Y、Z坐标轴上，该算法可以降低矩阵的维度，并生成3张用来存放包围体在各轴投影端点的动态排序列表，然后根据此表计算相邻的实体位置，最终确定相交的包围体，实体位置的计算方程,如式(4)。

MpA(t)=pAs+vAst+aAst2,s∈{x,y,z}

(4)

式中，pAs表示实体的位置；vAs表示速度；aAs表示加速度；MpAs表示实体A在不同时间的位置。实体A、B发生位置相同的碰撞时表达式,如式(5)。

MpAs(Ti,j)-MpBs(Ti,j)=0

(5)

动态排序列表可以生成一张相邻元素碰撞时间的优先级队列，这样相邻元素之间就可以进行数据交互，通过求解实体的运动状态，可以预测是否发生碰撞，如式(6)、式(7)。

pAs+vAsTi,j=pBs+vBsTi,j

(6)

(7)

式中，Δps=pAs-pBs,Δvs=vAs-vBs。

碰撞时间Ti,j求解方程,如式(8)、式(9)。

Δps+ΔvsTi,j+Δas(Ti,j)2=0

(8)

(9)

式中，Δas=aAs-aBs。

4 实操仿真培训实例

4.1 系统功能

输电线路实操仿真培训具有现场漫游的功能，让受训人员从不同的角度了解作业现场，可以规范电力操作人员的工器具操作流程。具有实际操作、维护检修的功能，同时能对具体案例进行复现模拟和教学，有利于培训人员和受训人员之间的互动交流，培训结束后系统可以对学员进行考核，学员也可以通过该系统提供的功能进行自我评价[14]。系统交互界面示例,如图6所示。

图6 实操仿真培训交互界面示例

系统引擎采用Blinn-Phong局部光照算法，并采用较多凹凸映射贴图，在几何框架的属性定义中对色彩纹理贴图、法向量贴图、镜面反射和高光贴图进行指定，引擎通过运算得出正确的光照效果。

4.2 虚拟线路巡检培训实例

使用本系统时，首先培训员登录系统，然后根据培训具体内容建立场景，最后受训员进入对应的主机培训任务，以对应的人物角色来实现输电线路巡检模拟培训，并对本次培训进行评估和记录。虚拟线路巡检示意图,如图7所示。

图7 虚拟线路巡检示意图

虚拟线路巡检培训克服了传统培训效果差和对条件要求高的缺点，具有明显的实用性和经济性。虚拟输电线路巡检培训能让受训人员高效、熟练地掌握线路巡检技能，并迅速查出线路缺陷。

5 总结

基于VR技术的输电线路“机巡”+“人巡”实操仿真培训系统以教学和培训为目的，可满足输电线路巡检人员的培训需求。该系统通过模拟仿真来再现一个真实的场景模式，培训人员可以对受训人员的受训过程在线监测，在实操仿真培训的过程中实时反馈信息。该仿真培训系统能够让学员的培训过程不受时间和地点的约束，具有很强的灵活性，从而打破了传统培训对空间和时间的限制，有利于降低成本并且提高效率，输电线路巡检实操仿真培训能够有效提升电力企业从业人员业务培训水平和电力作业质量，为电力系统的稳定运行提供了有力保障。