论文《虚拟培训技术在输电工程的发展》-仁创编译转载
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摘要：虚拟培训是结合虚拟现实技术的先进培训方法，可以给受训人员带来真实、沉浸的培训体验，有效提升培训效果，减少企业培训投入，优势巨大，前景广阔。简述了虚拟培训技术的发展历程，分析了虚拟培训的技术特点，并对现阶段最新的软硬件平台进行了介绍;最后，详细介绍了虚拟培训技术在输电工程中的应用，主要涉及输电杆塔的组立，架空输电线路的维护、检修以及输电工程中的多工种协同合作等。通过实际应用证明，虚拟培训方法可以规范施工流程，提升企业的培训能力和效率，降低培训成本。
关键词：虚拟现实;输电线路;仿真培训;建模语言
引言
电力系统的可靠运行是国民经济的重要保障，随着我国经济发展步伐的加快，负荷需求随之增加，电网整体规模日益增大，输电线路里程数不断增加，增加了同塔多回线路数量，线路结构也变得更加复杂。这使得相应的检修工作变得更加困难，对作业人员的技术水平、业务熟练程度等也提出了更高的要求[1]。所以，为满足现阶段电力发展的需要，相关企业均在努力提升输电线路相关设施运行、检修的科技含量，全面升级一线作业人员的培训手段，有效提高相关运行、维护、检修人员的理论素质、技术水平和业务熟练程度[2]。传统的电力企业在进行新员工培训时，普遍采用理论结合现场实操的培训方式[3]。但是理论培训内容晦涩难懂，过程枯燥乏味，存在形象性、直观性、互动性不足的缺点，培训人员难以对培训内容形成深刻记忆，也难以在较短时间内全面掌握培训内容[4-6]。而由于输电线路的运行特点及现场环境条件的限制，使得通过实际操作对作业人员进行培训的难度较大;同时，各省、各地区在实际操作过程中存在较大差异性，难以制定统一的培训标准[7-8]。针对以上问题，研究人员相继提出一系列虚拟培训方式，随着技术的发展，现阶段的虚拟培训平台可以模拟真实情况下架空输电线路的运行、检修问题以及动态模拟输电塔的组立过程，可以给予受训人员真实、直观的视觉、听觉、触觉感受，大大提高培训效果，减少相关企业的培训投入[9-11].
1虚拟培训的技术特点
虚拟培训是依托虚拟现实(virtualreality，VR)技术，由传统的理论与实操培训发展而来，通过建模与虚拟现实设备，实现仿实物或伪实物的实操培训过程。虚拟现实最早于上世纪80年代末由美国人JasonLanier提出[12]，之后，美国便开始了虚拟培训的相关研究。一般来说，一门先进技术的研究与运用基本上都是从军事方面开始的，虚拟培训技术也不例外。1991年，为了减少驾驶事故，美国采用虚拟现实技术进行了军用飞机的虚拟驾驶培训[13]。两年后，美国国家航空航天局开发了哈勃望远镜的虚拟培训系统，经过该系统培训后，研究人员在太空中成功完成了望远镜的修复工作[14]。2007年，在斯坦福大学的实验室中，研究人员可以通过虚拟培训系统实现远程的医疗仿真训练[15]。而国内对于虚拟培训的研究相对较晚，南京航空航天大学为实现在不同位置的协同飞行操作，采用分布式VR技术开发了极具实用价值的虚拟飞行培训系统[16]。军械工程学院为实现雷达装备的开关机、跟踪以及故障维修等训练功能，开发了相应装备的虚拟培训系统，取得了很好地培训效果[17]。在各高校、企业的努力下，虚拟培训技术在零配件拆装培训[18]、车辆动力学模拟、泵车操作培训、码头起重机培训[19]、输电线路在线检修培训[20]、输电塔组立模拟等方面取得了丰硕的成果，部分成果如图1所示。并且，现阶段虚拟现实技术逐渐向增强现实(augmentedreality，AR)与介导现实(mediatedreality，MR)方向发展。虚拟现实技术改变了传统的人机交互方式，传统的显示输出设备只显示了二维的物体，没有视角的变化，不能给用户真实的感受。VR技术在此基础上深化了原有的交互方式，开创了共享式的人机交互方式，使得用户可以利用其仿造或创造出与真实环境一般无二的虚拟世界，并可以对所创造出的虚拟物体进行全视角观察，让用户有身临其境的感受。VR技术将传统的多种技术深化、集成，是现在及未来，仿真培训技术的一个重要发展方向。在这众多的科学技术中，虚拟现实技术又有其独立的研究内容，主要分为虚拟环境的产生与虚拟环境的感受，在此基础上VR技术具有4个重要特征。1)沉浸性。其基本要求是通过虚拟现实技术所创造的虚拟环境能使受训者感觉置身于真实的实操环境中，犹如身临其境一般。并且，可以使受训人员相信在虚拟环境中的物体也是真实存在的，在实际操作过程中，受训人员可以从头至尾地发挥作用，就像身处客观的现实世界一般。2)交互性。其要求受训者在虚拟环境中能与遇到的各种物体或对象具有相互作用的能力。这种交互方式以三维立体的方式呈现，受训者是交互作用中的主体，可以与虚拟客体间进行多行为的沟通。基于虚拟现实技术向受训者服务的交互机制，受训者的输入指示将在所处的虚拟环境中产生相应的反应，所产生的反应会给受训者视觉和感官上带来新的变化及内容，从而促使受训者根据新的虚拟环境做出新的输入指示，使虚拟环境进行又一次的更新。重复进行上述的交互过程，直至受训者为所处的虚拟环境感到满意或实现、完成培训系统规定的训练目标为止。3)自主性。其要求受训者能以客观世界中自然动作或常规行为完成虚拟环境中的输入需求，使受训者在虚拟环境中也完全具有自主意识上的体现，让其感觉所面对的即为真实的客观世界。除此之外，虚拟环境中的物体及对象也遵循客观世界中的客观规律。4)多感知性。虚拟现实技术在一般的计算机技术所具有的视、听感受之外，还要求具有力觉感受、触觉感受等。理想中的虚拟现实技术期望能提供受训者在客观世界中的所有感知功能。但受限于传感器技术的发展，现阶段的虚拟现实技术只能实现高保真的视觉感受、听觉感受、力觉感受、触觉感受等，但这并不影响受训人员在虚拟环境中的发挥。虚拟现实技术虽然改革了传统的人机交互方式，可以为电气企业培训带来更多的便利，但也不能是简单的生搬硬套，必须要结合企业现有的培训现状及未来的发展需要，对虚拟现实技术进行相应的“本地化”，以更好地为企业培训服务。
2虚拟培训技术的软硬件环境
2.1软件环境
时至今日，电力企业的培训内容仍主要分为理论部分和实际操作部分。早期，两个部分的培训内容相互独立，受训者对培训内容不能深刻理解，培训效果不理想。为了改变这种现状，企业在培训的过程中加入了图片、图像、视频等辅助措施帮助加深受训人员对理论知识的理解，但是该方法却没有与理论知识形成有机的结合，缺乏直观性、不利于受训人员展开联想。为了解决上述问题，相关学者采用VisualC++、OpenGL和MicrosoftOfficeAccess97作为开发工具进行了三维动态模拟演示研究[21]。为了实现对数据库的操作，采用了相较于ODBC(opendatabaseconnectivity)具有更多更强功能的DAO(dataaccessobject)，并且为了便于制定开发标准，系统采用了SQL(Structuredquerylanguage)语言进行编写。但是因为OpenGL不能提供可视化的编程方式，缺乏建立复杂三维立体模型的高级命令和相关函数，导致在三维建模过程中建模方式复杂、不易操作，给开发人员带来了较大的开发工作量。随着互联网技术的发展，无数的内容在网络上进行传播，但是HTML语言只能实现平面内容的展示。所以，为了满足三维内容显示的需要，VRML(virtualrealitymodelinglanguage)语言应运而生，其弥补了HTML语言交互性差的弱点，具有占用空间少、文件内存较小、易于在互联网上传播的特点[22]。VRML可以对物体的外观材质、形状视听感官，接触感应进行描述，完成了对客观世界建模形式的定义。所以，有学者采用VRML语言进行了虚拟培训平台的相关研究[23]。其采用3DStudioMax三维制作软件对基础零件、结构部件、机构等进行了三维实体建模，然后将三维场景和搭建完成的模型导入到Quest3D中，实现复杂的交互逻辑功能，并很好地实现场景中的交互性[24]。
2.2硬件支撑
为了提高作业人员整体的专业技能水平，保证在作业过程中的规范化操作。在早期，研究人员通过SGI工作站采用OpenGL开发技术，将输电线路杆塔的组立过程以三维动画的形式得以展现。但是，受限于当时的技术水平，使得动画画质不高、细节不够精细、操作过程简单，受训人员不能与计算机进行交互。随着图形计算卡的飞速发展，使得现在的普通计算机都可以进行大量精细化的绘图计算。但是，传统的平面显示器作为主要的输出设备，只可以将静态的图片及动态的图像信息传递给受训人员，限制了受训人员的想象力，使得培训效果不佳。随着虚拟现实技术的发展，头盔式显示器给受训人员带来了广视角的画面显示，并且通过陀螺仪、重力感应器等众多传感器的辅助，使得显示画面可以根据视角发生变化。头盔式显示器极大的提升了受训人员的沉浸式体验，可以使受训人员全身心地置身于虚拟环境中，有效提高受训人员在培训过程中的专注度，集中学习的注意力。但是，头盔式显示器也有其固有的缺点，为了保证高速的数据传输，现阶段的头盔式显示器均需要电缆连接，使得受训人员的移动范围受限;同时，在进行培训操作时，还需要配备额外的看守人员，以免受训人员由于过于专注而发生意外。此外，头盔式显示器因为画面刷新率和视野变换延迟等原因可能会使受训人员产生一定程度的眩晕感，影响使用体验。当受训人员通过头盔式显示器进入虚拟世界后，受训人员可以通过虚拟环境自主的产生反应，而虚拟培训系统需要根据受训人员的输入指示，对虚拟环境产生相应的变化，从而完成人机交互过程[25]。在虚拟培训中，这样的交互过程将占主导地位。鼠标、键盘作为传统人机交互的输入设备，并不适用于虚拟培训的发展，因为其会在虚拟环境中产生强烈的割裂感、打破受训人员的沉浸式体验，并且也会限制受训人员的活动[26]。所以，在虚拟培训中，需要相应的输入设备，可以捕获受训人员的动作[27]。现阶段可以满足虚拟培训需要的输入设备主要有如图2所示的VR手柄、VR手套、Leapmotion、OculusTouch、Kinect等[28]。
3虚拟培训在输电线路中的应用
随着我国西电东送策略的实施及直流输电技术的飞速发展，电力网络迅速扩展，而作为输电走廊的支撑，输电杆塔的建造也迎来了突破。在输电杆塔的建造过程中，杆塔组立过程的精准控制直接关系整个项目的验收，其工作量占据了工程总量的1/3[21]。在长时期的建设过程中，杆塔组立的精确度主要依靠熟练工人的施工经验。但是，这不能有效保证整个项目的建设进度及验收质量要求;同时，可能因为相关经验缺乏科学性，在杆塔组立过程中可能会造成人力、物力及时间成本上的浪费。甚至，可能因为施工人员的错误判断，造成施工事故。吴晓光等人[29]采用OpenGL开发工具对杆塔组立过程进行了三维动态模拟演示，其流程如图3所示。张欣等人[30]为了对运行人员进行高压直流输电系统操作培训，采用了与实际后台操作系统一致的HMI后台软件，其功能框图如图4所示，培训用户端通过局域网与后台仿真模拟系统进行通信，有效地提高了虚拟培训系统的集成度，减少了软件的编制工作。陆建春等人[31]在传统的仿真数学建模技术上，采用浏览器/服务器客户机结构，运用C#语言，提出了一种输电线路施工虚拟培训系统的设计方法。在该方法的基础上，还设计了考试管理功能，通过分值对受训人员的培训效果进行评估，并根据考试结果展开分层次的管理，进行扶强补弱。为了利于施工人员精确掌握施工进度，缩短建设工期，肖峰等人[32]采用MAYA、UNITY3D、3DMAX等软件建立了虚拟的大跨越高塔组立环境，并对组立过程进行了实时的受力分析，最终建立了输电线路大跨越高塔组立模拟系统，其框架如图5所示。图5大跨越高塔组立模拟系由于架空输电线路的运作特点，在实施运检培训时，受训者基本上很难在现场进行实际操作训练，无法将理论知识与实际经验进行有机结合，严重影响培训效果。黄宵宁[33]报道了一种空间沉浸、高度仿真、实时交互的运检技能虚拟培训平台。王国胜等人[34]采用VRML建模语言和Quest3D平台结合硬件设备建立了一套输电线路巡视仿真培训系统，其工作流程如图6所示。马骁旭等人[35]为了改善传统培训方法的缺陷，提升培训效果，同时为了保证受训人员的安全，针对输电线路中运行与检修难题，设计了一套三维仿真培训系统。陆新秋等人[36]在上述研究的基础上，以《安全操作规程》及国家与行业标准作为基准在培训系统中设立了相应的在线考试模块，进一步提高了对受训人员的培训要求。上述研究很好地提升了在架空输电线路中运行与检修方面的培训效果，但在实际工程中，因为检修过程涉及多个工种，上述的培训系统不能进行多工种协同参与。黄小强等人[37]为弥补上述方案的不足，在受训人员控制虚拟人物时，可以根据培训需要，分别设定虚拟人物扮演不同的工种角色;并且采用可以进行行为预测和区域推测的多人联机协作交互技术，使得多个受训人员可以在同一虚拟环境中共同开展、完成培训任务。此外，还采用了多代理的多人协作评价技术，即在完成培训任务后，可以对多工种受训人员进行相应的业务评价，其工作流程如图7所示。该虚拟培训方案最终在广东电网公司教育评价中心得以运用，并受到了受训人员的高度评价。
4结论
稳定可靠的电力供应是国民经济高速发展的重要支撑，架空输电线路及杆塔的建设、维护、检修是保障电网正常运行的基础。而在建设、维护、检修过程中都需要大量知识过硬、技能熟练、操作规范的作业人员，在传统的传帮带、师带徒的培训学习中，因为个体差异，使得受训人员的专业水平参差不齐、操作不够规范，容易造成事故。为了解决上述问题，规范培训流程，虚拟培训应运而生。现阶段通过VR技术，虚拟培训可以将受训人员，沉浸式的带入到与真实世界毫无二致的虚拟世界中，大大提升了受训人员的专注度，使受训人员可以深刻理解理论知识、掌握学习重点、熟悉操作步骤、规范施工流程，并且通过在线考试的方式，可以使受训人员查漏补缺，减少知识盲点。对企业而言，虚拟培训极大的提升了培训效果，减少了培训投入，整体提升了受训人员的专业技能水平。但是，现阶段的虚拟培训并没有跟上虚拟现实技术的发展步伐，增强现实技术应用较少、介导现实技术还没有开始应用。希望相关企业加大相应的研发投入，相信在科研人员的努力下，虚拟培训技术会迎来更加迅猛的发展，能更好地为企业培训服务。
作者：吴云 张川 彭慧 吴莉 李勇 唐红涛 单位：国网宜昌供电公司宜昌 三峡大学电气与新能源学院
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