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摘要: 虚拟现实技术目前在各个领域有着快速的发展，但在电力领域，市场上还未出现过针对装接表培训的系统，最重要的原因是物理引擎针对柔性线缆的模拟一直是技术实现的难点之一。所以开发一款能模拟不同线缆的弹性系数，尤其是逼真模拟装接表过程，并对作业人员进行考核管理，建立客观的评价体系的软件尤为重要。
关键词: 柔性线缆; 装接表;考核管理
0 引言[]
随着VR及VR技术的发展，培训行业发生了根本的变化，VR及AR技术在电网领域的应用潜力与价值巨大。在电网运维检修、现场施工作业、复杂装配等方面，可大幅提高运营效率。根据美国电科院（EPRI）相关研究认为，VR、AR技术将使整体工作效率提升25%，设备运行时间延长20%，误操作减少30%，并降低作业风险。本项目内容主要为电力安全标准化作业提供VR仿真的设计平台，另外系统提供了多仿真场景库，可利用本平台特性可进行电力标准化作业场景的设计及扩展。
1 平台的特点
本平台旨在以新技术不断建立和完善电力安全标准化作业培训，降低培训成本和安全风险，使培训做到“随时随地化”，同时新的实训平台摒弃传统培训死板、缺乏吸引力的缺点，引入了游戏的趣味性、粘性的特点，以虚拟现实技术为依托，尤其高仿真的模拟了各种线缆的物理特性；再者，系统具备的业务实训、考核服务，评价反馈机制将为系统内置装接培训和业务技能提供一个可持续的改进机制。
本平台是一个完整的数据生产、发布、浏览系统，从数据的产生到最终的使用，都可以在本平台中找到合适的工具。
编辑数据是最基本的功能，也是编辑器系列程序要做的事情，使用编辑器系列程序可以方便的编辑多种不同类型的工作场景，编辑器系列程序中的模型库程序可以让资源的重复使用率最大化。用户使用模型库上传某个资源文件后，这个文件就可以让其他用户用到自己的场景或是方案中。浏览功能对应的为查看程序，此程序包含了用户的登录，数据的下载，学习训练方案的执行等内容。
发布功能要用到服务器和数据库。服务器系列程序提供数据的存储和下载，资源的存储下载等功能，资源从模型库程序上传而来，在其它客户端需要的时候把资源下载给其它客户端。
多人协作功能提供了多人同时在线的协同操作能力。此功能包含了网络通讯组件、服务器程序、负载均衡组件等不同的模块。
电气器件仿真包含了物理仿真功能、带电状态模拟、开放性的信息交换服务这些功能，让程序具有了动态变化的可能，接入外部数据的可能。
系统基于柔性仿真的构建，具备准确的动力学、碰撞检测、视觉逼真的仿真功能。
2 平台的工作原理及其控制策略
2.1 平台的基本结构
图1 平台架构图
平台研发过程中，平台在逻辑上分层，在功能上分模块，把复杂的功能简单化，把高端的技术平常化，这样在开发中才能有目的的一步一步实现复杂的功能。资源层主要包含数据库数据和更新文件数据，特别对于数据库，应采用通用的大型关系数据库系统。从处理能力和容错的角度考虑，硬件应该采用高可用性系统。集成层主要集成层是各种数据的整合层，通过它把资源数据转换为其它层可以操作资源层：包含数据库数据和更新文件数据，特别对于数据库，应采用通用的大型关系数据库系统。从处理能力和容错的角度考虑，硬件应该采用高可用性系统。的数据格式,用于实现数据的交换，协同等。驱动层是系统的核心层，也称为服务层，它集成了常用电力安全标准化作业的业务处理模块的功能，进而形成专门信息服务组件。在这一层的设计中，尽可能保持应用层和驱动层之间数据交换的简洁和统一，并尽可能进行统一的数据格式定义。服务驱动层是平台的实现关键，主要包含物理仿真模块，脚本编辑模块，协同服务模块等模块组成。
2.2 系统主要功能
为了学员能更好的掌握标准化作业，基于VR的电力安全标准化作业训练系统分为了演示、学习和考核三种模式：
图2 系统功能划分图
（1）演示模式
系统向学员介绍所选维修任务的相关知识，演示该维修任务执行流程和方法。学员主要通过“看”和“听”熟悉相关作业任务，获取相关知识，是被动的知识接受者。辅助显示器用来显示维修任务的相关信息，以模拟演示安全标准化作业的操作流程，包括故障重现以及排故流程。
（2）学习模式
此时系统提供的交互程度较高，需要在系统的帮助下引导学员完成作业任务的学习。系统以适当方式分步给出作业过程的相关知识描述和提示信息，此时的人机交互须体现训练者对作业任务实施的参与性，一个子任务完成之后才能给出下一个子任务，直至整个维修任务顺利完成。如果操作中出现了错误，则系统报错并给予再一次操作的机会，如果再次操作错误，则给出提示，以保证维修学习过程能够继续下去。同时，学员可以通过查询原理图和排故手册等辅助显示器上提供的信息，寻求帮助。
在学习模式下系统给实训人员的文本提示，在随机产生实训任务和分支结构的参数以后，实训人员完全凭借对操作对象和操作任务的熟悉程度对维修流程进行独立操作。如果操作过程与维修流程图中相应的维修路径相一致所选择的考题答案正确，则操作得到满分。如果用户选择的流程、工具、考题答案不正确，系统以文字信息告诉维修人员错误的分析及原因，以便揭示某些产生错误的关键原因，使实训人员对维修对象加深了解，在实际操作中避免同类错误的发生，对于较大的非安全操作，系统需要通过手感震动、系统暂停、视觉冲击等现象给实训人员加深印象，避免再次犯错。
（3）考核模式
当受训人员经过一段时间的训练，基本掌握了训练内容以后，可以进行考核，以判定其知识水平。考核模式下可编辑考核内容，记录考核信息，能够给出考核结果及分析报告。最后的考核成绩依据错误操作的严重性矩阵对成绩进行调整后给出
2.3 柔性仿真的的设计
本项目的难点之一是解决线缆的物理仿真问题，柔性仿真功能用于仿真电缆、软管、短丝等，能够被拉伸、弯曲、扭转，可以与其他物理化对象发生碰撞，仿真过程中节点间细分程度与系统的执行效率成反比。
图3 柔性仿真算法流程图
为柔性绳索规划路径是柔性绳索实现的重要步骤，通过OSG创建初始节点并渲染出初始柔性形状后，需要对应初始节点创建出柔性绳索节点，并进行三维位置姿态数据到物理引擎位置姿态数据的转换，如果创建刚体固定节点还需要进行世界坐标系到本体坐标系的转换操作，需要进行OSG引擎的坐标变换计算。从工业仿真的角度来说，实现柔性仿真需要高精度的计算，这里涉及到柔性体柔软度的计算、与其他刚体发生碰撞时的碰撞力和在碰撞力作用下的形态变化。在柔软度的计算方面，涉及到半径、分辨率、杨氏模量（扭转、拉伸和弯曲）等属性，为了保证计算的精确，前期需要对这些物理属性进行深入研究，作出具体材质对照表，才能为柔性体精确赋值；在碰撞计算方面，每一个绳索都是由很多刚体和约束组成，用户通过鼠标、手柄拖动绳索节点，拖动速度不同，给予绳索的力也不同，因此要对外力进行控制，碰撞时还要处理柔性绳索与其他刚体碰撞时张力的获取和渲染，碰撞时可能发生碰撞渗透问题，如果渗透发生，需要获取绳索中与其他刚体发生碰撞的段，计算渗透深度，分离绳索与刚体，解决碰撞渗透问题是实现物理仿真良好效果的关键
柔性仿真解决器分为直接（线性）解决器和迭代解决器，其中迭代解决器采用的是高斯-塞德尔迭代算法，算法公式：
2.4 设计思路
1）可用性设计
对于一个用户友好的系统来说，出色的界面和易于上手的特性很重要，针对这两个要求平台按照人体工程学原理设计界面，按照可引导性原则设计操作过程。
在界面设计上，从结构设计，交互设计，视觉设计这三个方面来让界面达到易于使用的目的。设计原则遵循易用性原则，规范性原则，合理性原则，美观与协调性原则等，并且在颜色和风格上符合电力系统的常用色调。
易于上手这个特性需要在使用过程中增加对用户的引导性方面的内容，比如对设备的使用的引导，对于平台功能使用方面的引导，在平台提供的功能基础上，再增加教学引导等脚本功能，就能让用户不知不觉中学会了平台的使用，达到想要的易于上手的目的。
2）安全性设计
基于虚拟现实的培训作业的一个重要目的是有效避免因误操作而引起的人员伤员。为了达成此目的，在培训过程中就要随时对错误操作进行警告，从微小的错误到引起死亡的操作都要一一给出强烈的声、光或是其它形式的警告，这些警告用于加强学员对误操作的印象。
3 结语
基于虚拟现实技术的维护训练方式灵活多变，成本低，且不受时间地点设备等环境因素的影响，已经被越来越多的机构所接受。以虚拟现实为依托，整合电力全寿命周期的标准化作业将会迎来更为广阔的市场。
参考文献：
1.赵伟、谭睿璞、李勇.复杂虚拟环境下的实时碰撞检测算法[J].系统仿真学报，2010，22（1）；
2.曾凡文.电力系统操作仿真与培训考核系统研究.现代电子技术，2000（7）
论文作者:姜涛,江再玉,赵婧,张文
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：作业论文; 柔性论文; 系统论文; 操作论文; 功能论文; 平台论文; 数据论文; 《电力设备》2017年第29期论文;