（1云南电网有限责任公司玉溪供电局 云南玉溪 653100;2昆明昊协科技有限公司 云南昆明 650224）
摘要：针对电力应急管理中不断提升的应用需求，提出利用虚拟现实技术，设计开发电力应急抢修保障体系的建设思路和方法。明确了电力应急抢修保障体系的建设目标以及基本原则，阐述了基于虚拟现实技术的电力应急抢修保障体系的结构及关键技术，讨论了系统的主要功能，最后给出了基于虚拟现实技术的电力应急抢修保障体系的一个应用案例，为虚拟现实技术在电力应急抢修辅助决策及培训中的研究与实践提供理论和技术支撑。
关键词：电力应急抢修保障；电网应急演练；虚拟现实技术
0引言
当前，随着电网规模的不断扩大，电网结构越来越复杂，电源结构多样化，再加上自然灾害频发、外力破坏增多，使得电网安全运行风险增大。国家电网开展了以应急组织、应急物资储备等八项重点工作为主要内容的应急体系建设。防患于未然，是电力部门的关注重点，如何确保在事故来临之时使损失最小，定期执行应急演练是传统并有效地一种防患方式。现存的应急演练存在着形式单一、演练内容随意性大、所需的资源消耗高，难以重复演练，不能对多种救援方案进行比对等问题。另外，由于大型灾害尤其是自然灾害多数为复合型灾害，具有规模大、范围广、情况复杂、损失严重等特点，现存的演练方式无法真实模拟全部灾害场景，难以提供选择最佳解决方案的方法和手段。因此，寻找更好的演练方式是应急管理的当务之急。
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是以计算机技术为核心的现代高科技生成的逼真的视、听、触觉一体化的三维空间，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生等同真实环境的感受和体验的一种新兴展示技术。利用虚拟现实进行灾难事故仿真、模拟各种事故现象，并随着处理和抢修事故现象的情况变化进行调整，实现各类人员调度、抢修、运行的分工协作，共同完成应急处理任务,是高新技术在应急演练中的一种创新实践。
1系统建设的目标
系统的建设目标应遵循国家应急体系建设的总体目标要求，以电力设备应急抢修保障为核心，通过互联化、智能化的方式，建立虚拟环境，掌控电力设备、送变电线路、电厂、变电站及其他电力系统安全和控制所需设施的运行状态，集成办公楼、抢修车辆、测试和维修工具、人员等信息要素，形成动态轨迹管控机制，促进电力应急抢修保障体系各个功能模块高度集成、协调运作，实现电力抢修保障信息“强度整合、高度共享、深度应用”，全面加强监测预警、信息与指挥、应急队伍、物资保障、培训演练、恢复重建等重要应急环节的建设，最终形成具有统一指挥、结构合理、功能齐全、反应敏捷、运转高效、保障有力的电网应急演练体系。
2系统结构设计
基于虚拟现实的电力应急抢修演练系统由三个部分构成，即应急抢修虚拟场景管理子系统、应急抢修人力资源保障子系统和应急抢修演练子系统。应急抢修虚拟场景管理子系统主要完成搭建、优化电力设备及周边环境虚拟现实场景，为应急演练提供贴近真实环境的电力设备运行状态和发生事故时的状态描述，并提供相应的电力设备风险点评估，进而统计、计算出事故的发生、发展过程以及对人和设备的伤害程度，为应急演练预案的编制提供依据。应急抢修人力资源保障子系统是针对在实施应急预案的过程中，参与应急处理的具有各种职能“角色”的人员及物力的有效配置和管理系统，包括运行人员、抢修人员、调度人员、安监人员等，物力包括抢修车辆、测试和维修工具等。通过应急演练人力资源保障子系统，可以掌握应急处理人员和物力的信息，为应急提供必要的人力和物力资源保障。应急抢修演练子系统是在前两个子系统的基础上进行应急抢修演练的推演子系统。提供通过对应急抢修过程的仿真推演，为实战应急抢修提供数据支持。该子系统执行应急预案的条目，人力和物力资源配置，并提供预案的步骤推理以及预案演练结果的评判。
3关键技术介绍
上述三个子系统中，人力资源和应急推演系统均有成熟的技术。由于电力系统结构复杂，如何组织各种电力设备要素和周边环境要素，搭建虚拟场景是应急演练技术需首要解决的关键问题。另外，如何使这些要素能够更贴近真实场景是搭建完虚拟场景后需要解决的优化问题。最后，如何保障人与场景的交互更准确，更迅速，以提升演练效果也是应急抢修演练系统中需要解决的关键技术问题。以下重点讨论。
3.1利用网隔划分搭建虚拟场景
虚拟场景中主要处理的对象是电力设备，包括现实中的电力设备、变送电的线路、电厂、变电站等，以及变压器、母线、线路开关设备、断路器及其他电力系统安全和控制所需的设施。其布局可以看成是以输线网和变电站为主要构成的电力网络。输线网可以看成是以输电杆塔为中心的纵向分布结构；变电站可以看成是以变压器为中心，母线为纬线，以间隔为经线的分布结构。按照电力系统这两种分布特点，虚拟场景的搭建可按照下述方法搭建：
（1）根据电气连接特性与空间布局约束所具有的隐含对应关系，将输线网分割为各条输电线路，每条输电线路又可以继续分割为杆塔、电线和绝缘子等设备。
（2）按照各设备之间应满足电网要求的安全距离，在变电站中以母线的电气连接方式为依据，将设备分割为属于母线和旁母。各母线上又分布着间隔单位。将母线上的间隔单元继续分割为变压器进线间隔、电压互感器及避雷器间隔、母联间隔、出线间隔等，并可在此基础上继续风格。
另外，除了模型本体（电力设备）外,还应包含以模型为中心的、以电气安全距离为半径的圆形区域些周边附属要素即满足演练要求的周边环境。即如抢修车辆、测试和维修工具、人员，及地形、树木、天空、道路、桥梁、标识牌及围墙、办公楼、居民楼、行人等。另外还要建立火灾、爆炸等事故现象。这种搭建方式本质上是将整个场景抽象为一个根节点，以基本的电力系统为叶子节点，空间均匀分割的多叉树稀疏矩阵。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.2利用软件加速增强虚拟场景真实性
电网的设备通常都具有其特定的功能和性能，因此虚拟场景中的每一个叶子节点都有自身的物理属性、空间属性、运动属性和电气特性。通过虚拟场景技术搭建的虚拟现实场景只是模拟出真实物体的形状，不能模拟出真实物体的属性和特性，需要通过创建具体的数学模型进行仿真，模拟设备的具体功能特性，以此增强仿真系统的真实性。图形渲染是增强真实性的重要方式。图形渲染与软件和硬件相关。软件处理方式是以减少进入渲染的数据为原则，去除不可见部分，并在预处理过程中根据渲染的工作原理及特性对数据进行合理的组织和重排。针对模型中的大规模虚拟场景的实时渲染问题，需要设计高效可见性剔除方法和多分辨率快速渲染方法。其中，可见性剔除方法针对场景组织问题，对大规模场景采用多叉树组织场景图结构；多分辨率快速渲染方法针对模型复杂度问题，基于细节层次思想利用权重函数算法，对组成模型的基本元素计算综合权重确定简化顺序，从而实现渐进的、动态的、可无损重建的模型简化方法，用以完成虚拟现实场景中模型复杂度的有效约简。通过这两种渲染方式就可以完成电力设备的细节属性设计，增强真实感。针对虚拟现实场景的优化模型还有多种，如针对数据的快速处理方法除了基于算法本身的改进，还有基于并行计算的方法等。这些算法分别从多个角度优化场景绘制，可以改进真实性、提高渲染速度。
3.3利用碰撞检测保障人机互动效果
当创建了虚拟场景之后，电力工作人员就能够进入到虚拟场景中进行演练。由于不同的场景、不同的工种的操作存在差异，在设置具体场景的过程中应为不同工种的人员创建不同的动作脚本，然后由真人在虚拟的环境中完成自身角色承担的任务或者工作，这就构成了一种人机的互动。互动中的关键技术包括三维拾取、场景漫游和碰撞检测。层次包围盒法是应用最为广泛的碰撞检测算法，它检测精度较高,通用性比较强，能适合于复杂物体的各种碰撞的场合。常用的包围盒类型有包围球、轴向包围盒、方向包围盒等。以包围球算法和AABB包围盒算法混合的检测碰撞为例：首先，利用包围球算法快速检测出已发生或可能已发生碰撞的电力设备模型,并剔除对于当前任务周边明显没有碰撞的模型，缩小人机交互检测空间；再在已判定可能出现碰撞的模型的基础上，利用轴向包围盒进行详细的检测，这样就能同时满足检测速度和精确度的要求。通过这样的设计方式，使人机交互更及时，让整个演练过程能够在扮演者之间及扮演者和系统之间互动的过程中顺利的进行下去，并得出最合理的用户体验结果。
4应急保障体系功能
应急保障体系的功能主要是为参与演练的人员通过计算机和网络就可以学习演练各种应急事故的处理抢修。系统采用C/S模式时包括服务器端和客户端两个部分，服务器端实现的主要功能是驱动演练进程。首先建立一个演练项目，每个项目会有几类角色供参加演练的人员选择，也可以由演练指挥人员为参与人员指派角色。当所有人在客户端准备完毕，开始演练，按预案步骤驱动演练的进程。在演练结束后能够根据参与人员的操作和答题情况进行评分。客户端实现的主要功能是为参加演练的人员使用客户端通过网络登录到服务端，然后选择一个角色加入准备演练的项目中；参与人员可以扮演任意角色，既可根据预案执行，也可以旁观者身份出现；系统支持多人多角色协同完成任务；系统提供流程信息，使参与人员了解当前的流程执行状况；系统根据预案和脚本在执行过程中对参与人员提出问题，根据参与人员的回答做出不同的选择；系统具有通信功能，参与人员可以利用其进行文字和语音沟通。
5实施案例
以某110KV变电站发生“变电站失压”事故应急处理为例：
（1）运行值班人员发现开关零序过流Ⅱ、Ⅲ段保护动作均重合不成功，造成110kV变电站失压，通知调度人员；
（2）调度人员立即启动应急预案，通知抢修部门巡检；
（3）巡检人员发现故障点，进行现场勘查，根据预案填写事故应急抢修单，准备抢修材料，组织参与抢修的全体人员学习工作票；
（4）运行人员配合断开线路，拉开断路器、两侧刀闸，设置遮拦、警示牌等，在主变保护屏，旁路控制屏挂帘，防止误操作；运行人员完成工作后签字；
（5）抢修人员学习应急抢修单后进行抢修，调度人员同时通过110kV其它变电站与事故变电站联络的10kV配网线路转供损失负荷；
（6）抢修完毕后要清理现场，抢修人员办理手续；
（7）调度人员总结提炼整个抢修过程，形成应急处理预案，组织相关人员对预案进行评价后，将相应的组织实施处理过程和场景存入预案库，为后期演练提供参照；
（8）安监部门人员组织相关人员对演练内容进行学习培训，并针对演练推理出的可能出现的新情况进行预处理。
这个案例中涉及到的虚拟场景主要是包括主控室在内的110KV变电站，涉及到的人员有值班人员、调度人员、巡检人员、抢修人员、安监人员等。相关角色都可以由参加演练的人员扮演，也可以由系统来扮演，单机或者多人都可以进行，该虚拟应急演练系统很好地展示了应急处理的整个过程。
6结束语
本文从虚拟现实技术在电力应急保障系统中的研究与实践出发，分析讨论了电力应急保障体系的设计目标和原则、系统的总体业务功能和关键技术。各级电力工作人员可以通过这一系统体验突发事件处置流程，增强危机管理意识，明确应急管理责任，提高应急决策、指挥和媒体沟通能力，丰富突发事件处置的经验和体验，提高沟通、协调、社会动员及善后恢复等应急能力。这一体系为各应急处置部门检验应急预案有效性和可执行性提供了重要保障，并可通过对突发事件处置进行推演和预测，总结和固化应急处置流程，大幅度提升应急处置部门的应急能力和应急水平。下一步将通过电网应急演练实践工作，不断对电网基于虚拟现实技术的应急保障体系框架进行补充和完善，结合多智能体技术和物联网技术，对电网应急演练模拟系统进行深化应用。
参考文献
[1]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社.2009.
[2] 章坚民,陈昊,陈建等.智能电网态势图建模及态势感知可视化的概念设计[J].电力系统自动化,2014,09:168-176.
[3]刘友波,刘俊勇,杨嘉湜等.基于故障演化的电网阶段脆弱性及其可视化预警[J].电网技术,2011,01:46-52.
第一作者简介：郭伟，云南电网有限责任公司玉溪供电局，副总工程师，主要从事生产设备管理和生产安监工作。
论文作者:郭伟,杭斌,张志荣,杨思坚,徐敏,徐振,韩兆武
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/19
标签：人员论文; 虚拟现实论文; 场景论文; 电网论文; 电力论文; 子系统论文; 变电站论文; 《电力设备》2016年第22期论文;