示范式带电作业三维仿真培训系统的研发与应用

邵九 傅洪全

（国网江苏省电力有限公司技能培训中心 江苏省苏州市 215004）

1 前言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于供电可靠性的要求越来越高。配电网承担着就地或逐级向各类用户供给和配送电能的任务，是确保供电质量的关键环节。配网带电作业是提高供电可靠性最直接有效的措施，从而得到了高度的重视和广泛的推广。

相较于停电作业任务，带电作业对于现场工作人员的知识技能水平的要求大幅提升，这也使相关专业的培训需求更为迫切。目前电力企业员工的知识技能学习主要有几种模式：作业现场“师带徒”模式，这是最传统、直接的技能培训模式，但作业任务时间紧迫，专门教学时间有限，学习效率较低；培训中心“集中培训”模式，这种模式相对规范、高效，但培训班次有限，受训时长有限，而学员多、培训设施少，且参训人员往往只能在下面观看，会存在视角的局限或障碍物的遮挡，看不清甚至看不到教员的操作过程；工作班组“相互交流”模式，这种利用碎片化时间进行技能培训的形式，没有专门培训设施，加之员工缺乏教学经验，培训效果也不理想；网络大学“自我学习”模式，这在一定程度上解决了员工的理论知识匮乏的问题，却无法提高专业人员最需要提高的现场实际操作技能。这几种模式都会多少受到实训场地和设备经费的限制，而且标准化作业技能培训以及考核困难，这表明原有的培训模式已经无法满足当今培训的需要，在新形势下寻求新的培训方式已经成为带电作业培训发展的必然趋势。

众所周知，人类文明的伟大进步之一就是工具的使用，而人类社会的每次进步也往往归功于工具的革新，当前的形式要求我们寻求变革，对学习培训工具进行大胆创新。三维仿真培训应运而生，它提供了一种全新的培训手段，为解决传统培训存在的问题，使带电作业培训逐渐趋于科学、系统、安全的提供了一条新的途径。为了真正实现“示范性”三维仿真教学，减轻教练员亲自示范的教学负担，减轻对培训场地、实际设备的依赖，力求实现实操技能传承、传授的数字化、规范化、系统化，笔者及同仁努力研发了示范式带电作业三维仿真培训系统，在该系统以配网带电作业“作业级流程”为主线，以“作业流程化、流程标准化、标准可视化”为原则，以提升配网带电作业人员技能水平和现场作业安全系数为目标，采用三维仿真技术，模块化、全角度展示带电作业操作的全过程。

2 系统架构

示范式带电作业三维仿真培训系统，这是一款基于java 开发的符合J2EE 开发规范的B/S 多层架构系统。其中主要有四大功能：基础数据管理、标准库管理、培训班管理、标准化作业仿真培训。基础数据管理模块主要进行编码类、底层数据类、配置类的数据维护；标准库管理模块包含带电作业标准化作业过程的相关内容管理；培训班管理模块实现对培训的开班、结业，培训学员的增删改以及学员成绩的查询等等；标准化作业仿真培训即为主要核心功能模块，包含三种仿真应用模式：自我学习模式、模拟演练模式以及量化考核模式。我们通过仿真培训平台力争做到导学结合，练测一体，达到以测促练、以练促学、以学促用培训目的。

3 技术路线

带电作业三维仿真采用层次建模的方法，对人物、专用工具、场景进行三维模拟，通过逻辑引擎，进行虚拟现实交互操作，可对参训人员的进行项目全过程示范性教学培训，同辅助以工序工艺的重点展示和强调，为带电作业的培训提供了切实有效的方式。

3.1 几何建模

带电作业三维仿真中涉及到的几何模型包含：

（1）场景模型，建立虚拟自然环境和建立虚拟电气环境；

（2）人物模型，建立带电作业中担任不同任务的作业角色模型；

（3）工具或器具模型，建立各种诸如吊车、斗臂车等带电作业现场需要的特种车辆，以及类似于各种绝缘防护装备用具、操作工程中涉及的工具等。

3.2 行为建模

在模拟仿真的作业环境中，以实际操作人员的身份去进行虚拟化的作业，通过三维虚拟交互仿真技术实现带电作业的标准化全过程仿真，将作业过程各个步骤包含的作业场景、作业人员、操作手法、工艺标准等进行立体、拟真、直观地展示和交互，有效地促进标准化作业“最后一公里”的真正落地。

3.3 场景驱动

场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互，并使虚拟场景活动起来。为了实现场景的驱动需要定义虚拟角色如何在三维虚拟场景中进行行动以及虚拟环境如何发生变化。虚拟角色和设备的行为和运动控制过程相互配合实现现实场景的模拟。同时，参训人员通过交互可实现对于场景中设备工具标识查看，设备外部透明等功能选择。

4 功能组成

示范式带电作业三维仿真培训仿真以实用化为目标，实现全面的功能覆盖。自我学习仿真模式下，不仅支持按步骤顺序自动展示仿真作业过程，还可以针对重点难点的任意点播反复学习。此外，训练考核模包含拟真类考核和可自主拟定的客观题库考核。

系统中带电作业仿真的基础管理，包括标准库的管理都是开放式的设计。教员可以自行添加修改所有作业任务的工序步骤的配置，包括解说词的字幕、配音。特别在每一个步骤系统都支持文本、图片、视频格式的辅助资料嵌入。这给教员提供了更大的发挥空间，让他们可以针对不同的情况对培训素材进行调整，同时也是对培训资料的积累和传承。

4.1 自我学习模式

参训人员可在系统中完整观看每一项带电作业任务执行的三维仿真，每个带电作业仿真任务所展示的都是一个从现场复勘开始、申请工作票、召开站班会，到作业步骤一步步展开，一直到清洁作业现场、终结工作票全过程展现，相当于教练员的全程示范，与此同时系统还将对作业中的每一工序、危险点、工艺要求和动作要领进行讲解。

仿真界面包含基础功能按钮，语音解说以及与之相配合的字幕显示，界面右上角显示全面的工艺标准、安全距离保持、危险点及预防措施的文字提示。在任意一个仿真执行过程中都可以暂停，让参训人员有时间去认真阅读相关信息或者研究操作姿势，仿真执行提供优化的默认角度，此外还可以通过按钮切换到自由视角，系统支持在仿真执行过程中实时切换视角，这样参训人员就可以以任意角度，任意视距进行培训学习。这一设计也打破了传统实拍视频对于视角视距的限制，实现了实操技巧无死角培训展示。

在我们的带电作业仿真系统中，仿真角色接近带电部位的时候，根据带电部位位置，系统会画出危险范围，也就是安全距离范围。地电位作业法一定要与疑似带电体保持0.7m 以上的安全距离。这也是在培训中时刻培养参训人员要警示危险，时刻保持有带电意识。验电的仿真培训，系统会通过仿真角色演示验电的起始位置，标准顺序，注意事项等等。通过学习，参训人员对验电就会有一个清晰完整的认识。此外，系统还详尽的展示了作业过程中涉及的工器具的使用方法。我们的三维仿真系统不是简单的示意，而是示范性的教学演示，是条文条例、使用说明等的具象化展现，对于实操具有很好的指导意义。

4.2 模拟演练模式

系统提供三维模拟作业现场，参训人员可针对训练任务，进行工序、工器具使用练习，危险点、工艺要求问答，通过模拟演练，可辅助参训人员全面掌握带电作业的工序、工艺、危险点和工器具的使用。这也是在自我学习之后对自己掌握情况的自我检测。

在模拟演练模式下，左侧工序步骤不予显示，这也是对参训人员的掌控情况的一种校验点之一。对于实操类题目在操作错误5 次或操作时长超过300 秒后，系统将会自动播放正确答案；对于知识点类的客观题目，参训人员可随时查看正确答案，及时了解自己的掌握情况。

4.3 量化考核模式

主要是为教员对参训人员的带电作业技能进行量化考核服务。带电作业技能考核中的实操考核，往往由于场地等限制无法进行，这一困难通过三维仿真可以很好的得到解决。

教员可以通过系统方便快捷的设置考试的时间、考试时长、题型比重等，可在配网带电作业任务的不同工序，设置考点，以统一或随机的方式生成考卷。考核结束后系统会自动判卷，教员可以直观的了解学员的答题状况，通过操作详情进行试卷分析，可以结合平时培训情况进行成绩修正、发布。所有的过程都是可视化操作方便快捷，可大幅减轻教员在出题批阅方面的负担。

参训人员在规定的时间登陆系统进行相应的任务考核，在三维场景下通过选择工器具和操作对象，展示自己对工序的掌握情况，通过在线答题，展示对危险点和工艺要求的掌握情况。两者相互结合互为补充，可以更为准确的检测其对于知识点的掌握情况。

5 结语

示范式带电作业三维仿真培训系统提供了带电作业中详细且规范的操作流程。在教学实训前，参训人员通过仿真平台不断的进行学习和训练，最终可以实现全面的，完全的掌握操作技能知识点，摆脱对于实际设备的依赖且无风险性。

我们的带电作业三维仿真系统展示的是示范性教学，比常见的示意性教学，传授更多知识、技能点，通过动作和工具表达每一步工序该所需完成的任务，详细描述工器具使用方法，动作要领、完整的工艺要求及危险点，不仅传授“作业常识”，还传授“作业技能”。学员可仿照系统进行实操作业，学员实操演练前，基本不需要教员示范。

以往三维仿真系统是封闭式的，系统制作完成后，传达的知识点、技能点，用户不能再扩充，本系统的开放性设计，可使系统交付投运后，用户可随时增加教学内容，这样可使系统具有更长久的生命力和更宽泛的适用性。

以往三维仿真系统的考试题目是固定不变的、有限的，教员不可自主命题，先参加考试的学员会泄露试题给后参加考试的学员，严重限制了技能考核的客观性和公正性。本系统支持教员自主添加题目扩充题库，支持随机生成考题，使考核更有说服力。

通过实际部署应用我们发现，示范式带电作业三维仿真系统规范性、系统性的操作能够从源头上杜绝较多的习惯性误操作，规避较多的风险。参训人员仿照系统示范进行实操作业，上杆实操前对于整个任务已经有了清晰系统的认知，使培训效果大幅提升事半功倍。