电力安全仿真系统技术研究

一、电力作业人员三维虚拟

1虚拟人物行为采用3DMax建模

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。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。

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虚拟人物实时碰撞检测

采用八叉树空间分割算法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。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。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。

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，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。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。

二、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、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。

三、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。

作者：闫瑞杰 李路 张建军 常永庆  单位：山西电力职业技术学院 合肥盛柏科技有限公司