一种电力安全培训实体仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电力安全培训实体仿真系统，该系统包括：多个仿真电力设备，设置有第一与第二多个红外反光球；多个智能摄像机，用于捕获第一与第二多个红外反光球的多张图像，将二维坐标发送到坐标转换单元；坐标转换单元，用于将二维坐标三维坐标值；培训系统主机，用于通过无线收发单元实时采集所述多个仿真电力设备的工作状态，通过第一组三维坐标值监测多个仿真电力设备的异常状态，通过第二组三维坐标值获取操作人员的动作行为信息；根据工作状态、异常状态、动作行为信息向多个仿真电力设备发出场景仿真指令。本发明能够感知操作人员的行为动作，提升仿真培训系统的交互体验能力，增强培训仿真的体验感和沉浸感，提升培训的智能化水平。
【专利说明】一种电力安全培训实体仿真系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统【技术领域】，特别涉及一种电力安全培训实体仿真系统。
【背景技术】
[0002]电力安全生产是涉及职工生命安全的大事，也是影响电力系统安全、稳定运行和电力企业生存发展的关键。由于电力系统的特殊性，对作业人员的操作技能要求越来越高，为此电力企业投入了大量的人力、物力、财力，来提高电力职工队伍的素质和安全生产意识。传统的培训方式主要是举办集中培训班、研讨会等，采取理论讲解、多媒体课件等教学形式，定期组织学员到作业现场进行观摩和实习，提高培训学员的感性认识和动手能力。但这些方式成本高、形象性差，培训效果不明显。现场培训虽然效果良好，但由于很多设备是带电运行，存在危险性和不确定性，在实际运行的设备中进行人员培训具有很大的局性。随着虚拟现实(Virtual Reality,简称为VR)技术的发展,采用VR技术为仿真系统构造虚拟环境，提高了培训场景的真实感。但由于基于计算机软件的仿真培训技术不能模拟真实的电力系统环境，体验感和沉浸感较差。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种电力安全培训实体仿真系统，实现对电力设备操作综合自然环境进行实体仿真，感知操作人员的行为动作，提高培训仿真的体验感。
[0004]本发明实施例提供一种电力安全培训实体仿真系统，包括:
[0005]多个仿真电力设备，设置在培训现场，所述多个仿真电力设备中的每一个仿真电力设备均设置有第一多个红外反光球以及所述培训现场中的工作人员的各个关节位置和工作帽上设置有第二多个红外反光球；
[0006]多个智能摄像机，用于捕获所述第一多个红外反光球与所述第二多个红外反光球的多张图像，并对所述多张图像进行图像预处理，提取所述多张图像中的所述第一多个反光球的中心点的二维坐标与所述第二多个反光球的中心点的二维坐标，将所述二维坐标发送到坐标转换单元；
[0007]坐标转换单元，用于将所述第一多个反光球的中心点的二维坐标转换成所述第一多个红外反光球的第一组三维坐标值，以及将与所述第二多个反光球的中心点的二维坐标转换成所述第二多个红外反光球的第二组三维坐标值；
[0008]培训系统主机，用于通过无线收发单元监测所述多个仿真电力设备的工作状态，通过所述第一组三维坐标值监测所述多个仿真电力设备的异常状态，通过所述第二组三维坐标值获取所述操作人员的动作行为信息；根据所述异常状态、所述动作行为信息向所述多个仿真电力设备发出场景仿真指令；
[0009]所述多个仿真电力设备根据所述场景仿真指令进行场景仿真处理。
[0010]本发明提供的电力安全培训实体仿真系统，培训系统主机实时采集多个仿真电力设备的工作状态，并通过第一组三维坐标值监测多个仿真电力设备，实现了对电力设备操作综合自然环境进行实体仿真，通过第二组三维坐标值获取操作人员的动作行为信息，从而能够感知操作人员的行为动作，提升了仿真培训系统的交互体验能力，增强了培训仿真的体验感和沉浸感，提升了培训的智能化水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为本发明实施例提供的电力安全培训实体仿真系统的框图；
[0013]图2为本发明实施例中的培训现场的示意图；
[0014]图3为本发明实施例中的坐标转换单元的框图；
[0015]图4为本发明实施例中的仿真电力设备的框图；
[0016]图5为本发明实施例中的故障现象模拟单元的组成框图；
[0017]图6为本发明实施例中的故障现象模拟单元的结构图；
[0018]图7为本发明实施例中的烟雾现象模拟单元的结构图；
[0019]图8为本发明实施例中的声音现象模拟单元的结构图；
[0020]图9为本发明实施例中的触电模拟单元的结构图；
[0021]图10为本发明实施例中的培训系统主机的功能模块组成。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]图1为本发明实施例提供的电力安全培训实体仿真系统的框图；如图1所示，电力安全培训实体仿真系统包括:多个仿真电力设备(仿真电力设备111、…、仿真电力设备11N，N为培训现场中的仿真电力设备的个数)，设置在培训现场，仿真电力设备111、仿真电力设备112、...、仿真电力设备IlN中的每一个仿真电力设备均设置有第一多个红外反光球以及培训现场中的工作人员的各个关节位置和工作帽上设置有第二多个红外反光球；
[0024]多个智能摄像机(例如，智能摄像机211、…、智能摄像机21M，M为培训现场设置的智能摄像机的个数)，用于捕获第一多个红外反光球与第二多个红外反光球的多张图像，并对多张图像进行图像预处理，提取多张图像中的第一多个反光球的中心点的二维坐标与第二多个反光球的中心点的二维坐标，将二维坐标发送到坐标转换单元12 ；
[0025]坐标转换单元12，用于将第一多个反光球的中心点的二维坐标转换成第一多个红外反光球的第一组三维坐标值，以及将与第二多个反光球的中心点的二维坐标转换成第二多个红外反光球的第二组三维坐标值；
[0026]培训系统主机13，与仿真电力设备111、仿真电力设备112、…、仿真电力设备IlN之间通过无线收发单元14进行数据传输，用于实时采集仿真电力设备111、仿真电力设备112、…、仿真电力设备IlN的工作状态，并通过坐标转换单元12获取到的第一组三维坐标值监测多个仿真电力设备的异常状态，通过坐标转换单元12获取到的第二组三维坐标值获取操作人员的动作行为信息；根据工作状态、异常状态、动作行为信息向仿真电力设备111、…、仿真电力设备IlN发出场景仿真指令；其中，采集仿真电力设备111、仿真电力设备112、…、仿真电力设备IlN的工作状态可以包括各个设备上的功能模块的开关状态，例如，柜门、按钮、分合开关、拨动控制开关等。
[0027]仿真电力设备111、…、仿真电力设备IlN根据该场景仿真指令进行场景仿真处理。
[0028]本发明提供的电力安全培训实体仿真系统，培训系统主机实时采集多个仿真电力设备的工作状态，并通过第一组三维坐标值监测多个仿真电力设备，实现了对电力设备操作综合自然环境进行实体仿真，通过第二组三维坐标值获取操作人员的动作行为信息，从而能够感知操作人员的行为动作，提升了仿真培训系统的交互体验能力，增强了培训仿真的体验感和沉浸感，提升了培训的智能化水平。
[0029]图2为本发明实施例中的培训现场的示意图；如图2所示，培训现场的四周和顶部适当位置固定设置有多个智能摄像机(例如，智能摄像机211、智能摄像机212、…、智能摄像机21M，M为培训现场设置的智能摄像机的个数，图示为M为8个)，在电力培训设备的各个特征点上固定红外反光球以及在培训现场中的工作人员的各个关节位置(例如，肩、肘、手、跨、膝和踝等)和工作帽上设置有第二多个红外反光球(红外反光球221、红外反光球222、…、红外反光球22Q，Q为培训现场中的工作人员的各个关节位置和工作帽上以及仿真电力设备设置的红外反光球的个数)。智能摄像机211、智能摄像机212、…、智能摄像机21M的位置选择原则是保证培训现场的每个红外反光球都可以被两个以上摄像机同时捕捉。同步信号发生器32用于确保智能摄像机211、智能摄像机212、…、智能摄像机21M采集二维图像的同步。红外反光球221、红外反光球222、…、红外反光球22Q的空间三维坐标通过以太网接口实时送到培训系统主机。
[0030]图3为本发明实施例中的坐标转换单元的框图；如图3所示，坐标转换单元12的工作过程主要包括以下步骤:
[0031]I)通过对培训现场所有摄像机内外参数标定，建立三维世界坐标系和摄像机二维坐标系的关系；
[0032]2)在智能摄像机内对图像进行滤波和边缘提取等图像预处理，并精确提取反光球中心坐标；
[0033]3)各个智能摄像机(例如，智能摄像机211、智能摄像机212、…、智能摄像机21M)反光球中心二维坐标通过摄像机接口 31 (以太网、IEEE1394、USB等)送到坐标转换单元12 ;同步信号发生器32用来保证各个摄像机采集二维图像的同步。
[0034]4)在坐标转换单元12内对各个反光球进行识别，并对多幅图像中的反光球进行匹配；
[0035]5)利用立体视觉三维重建原理对反光球在世界坐标系中三维坐标进行重建；
[0036]6)利用改进型卡尔曼滤波预测方法对连续多帧图像中的各个反光球进行跟踪，并记录其运动轨迹；
[0037]7)人工识别操作设备上位置固定的、保持静止的反射球的三维空间坐标；
[0038]8)依据运动部件上反射球的固定的运动轨迹识别出各个反射球(例如，旋转柜门上的反射球的运动轨迹为圆弧)。通过监测操作设备运动部件(如柜门、刀闸等)上已经固定好的反射球的运动轨迹，识别运动部件的位置或状态；
[0039]9)通过记录操作人员工作上各个反射球的动态轨迹识别工作服上各个反射球。其基本原理为利用各个反射球之间空间相互位置关系以及各个反射球之间距离的约束条件识别工作人员所穿着的工作服上各个反射球。
[0040]图4为本发明实施例中的仿真电力设备的框图；图4所示，仿真电力设备111为例进行说明，仿真电力设备111包括:真实电力设备原机41、设备状态监测单元42、故障现象模拟单元43、显示控制单元44、无线收发单元14 ;其中，真实电力设备原机41包括:外壳、面板显示部件(电源指示灯、状态指示灯、数码管、液晶屏等)、手动操作部件(按钮、分合开关、拨动控制开关等)，以及设备内部必要的部件。设备状态监测单元42采用传感技术感知设备手动操作部件的工作状态(例如，柜门、按钮、分合开关、拨动控制开关等)，并通过无线收发单元14发送到培训系统主机。培训系统主机根据设备工作原理和手动操作部分的工作状态，通过无线收发单元14发送显示信息到显示控制单元44，控制面板显示内容。培训系统主机根据设备操作内容对应的专家知识规则，依据操作人员动作行为和设备实时状态信息，控制模拟故障现象的发生。
[0041]进一步地，设备状态监测单元42采用传感技术(光电开关、角度编码器等)感知如图6所示的设备操作部件的工作状态(操作部件状态监测单元)以及柜门的状态(柜门开合状态监测单元)，并通过无线收发单元发送到培训系统主机。
[0042]进一步地，显示控制单元44代替真实设备内的显示控制部分的功能，根据设备运行原理、操作部件的状态以及通过无线收发单元接收的来自培训系统主机的信息，对要显示的内容进行控制，逼真模拟真实设备工作状态。
[0043]进一步地，无线收发单元14主要包括无线收发模块和接口模块。无线收发模块实现与主机之间的无线数据通信，接口模块实现与显示控制单元、设备状态监测单元和各个故障现象模拟单元之间的互联与有线通信。
[0044]图5为本发明实施例中的故障现象模拟单元的组成框图；如图5所示，故障现象模拟单元43包括:柜门自动弹开单元51、着火现象模拟单元52、烟雾现象模拟单元53、声音现象模拟单元54和触电现象模拟单元55 ;其中，柜门自动弹开单元51、着火现象模拟单元52、烟雾现象模拟单元53、声音现象模拟单元54和触电现象模拟单元55可以模拟实际操作时出现的异常状况。
[0045]图6为本发明实施例中的故障现象模拟单元的结构图；如图6所示，
[0046]I)柜门自动弹开单元51包括电机驱动模块61、电机62、直线导轨63、滑块64、连杆机构65。其中，直线导轨63固定在设备的内壁上，当电机驱动模块61接收到培训系统主机发送的柜门弹开指令时，驱动电机62旋转，通过直线导轨63上的丝杆带动滑块64在直线导轨63上移动；连杆机构65的一端与滑块64相连,另一端固定在柜门上；因此，电机旋转运动转化为柜门的开启运动过程，而且通过电机旋转的角度控制柜门打开的程度。
[0047]2)着火现象模拟单元52包括:水雾发生系统66、LED灯光组件67和灯光控制系统68。水雾发生系统66通过超声波雾化原理产生水雾，当LED灯光组件67在灯光控制系统作用下发出不同亮度和不同颜色的光时，产生三维立体仿真火焰，从而可以模拟电力设备内电器着火现象。根据设备内空间结构和容易着火部件的位置，将水雾发生系统66、LED灯光组件67和灯光控制系统68固定在适当位置。
[0048]3)烟雾现象模拟单元53包括:烟雾发生器69和烟雾控制器60。根据设备内空间结构和容易着火部件的位置，将烟雾发生器69和烟雾控制器60固定在适当位置。烟雾发生器69可以将无毒的油转化为灰色烟雾，从而可以模拟电力设备内电器温度过高产生的烟雾。
[0049]此外，电力操作设备实体仿真还可以包括显示组件、开关操作组件、无线收发单元等，本发明实施例在此不再详述。
[0050]图7为本发明实施例中的烟雾现象模拟单元的结构图，如图7所示，当收到培训系统主机的开启信号后(输入信号高电平)，三极管71饱和导通，继电器线圈72通电，继电器开关73闭合，启动烟雾发生器69喷发烟雾。
[0051 ] 图8为本发明实施例中的声音现象模拟单元的结构图，如图8所示，声音现象模拟单元54包括:声音录放模块81、功率放大器82和音箱83，用来模拟设备内部产生的爆炸、打火等声音，可以固定在设备内部空闲位置即可。当设备内无线收发单元收到培训系统主机要求播放某一段录音时，通过串行总线(例如，SPI总线等)控制声音录放模块81的内部已经录制好的模拟声音通过功率放大器82放大后，再通过音箱83对声音进行播放。
[0052]图9为本发明实施例中的触电现象模拟单元的结构图；如图9所示，当设备内的无线收发单元收到培训系统主机要求放电的信号时，发出控制信号使继电器开关91拨向右，电容92上预先充好的电荷通过电阻、电感放电，使操作人产生触电的感觉。
[0053]图10为本发明实施例中的培训系统主机的功能模块组成，如图10所示，培训系统主机主要包括的功能模块为:
[0054]I)培训管理模块101:实现教案信息、培训人员信息和培训考核结果管理等，建立培训系统数据库。
[0055]教案信息包括模型库、动作库和资料库。三维模型库:构建仿真系统中的场景模型、操作设备器件模型、人物模型等三维模型。动作库:当操作人员在培训现场进行行走，操纵仿真实物设备时，需要将操作人员的动作与场景融为一体，建立操作人员行走及各种操作设备动作库。资料库:资料库主要作为仿真培训系统的辅助工具。资料库同样具有资料人工添加和批量导入、编辑的功能。
[0056]培训人员信息和培训考核结果管理包括操作人员姓名、性别、班组、职责、参加考核日期、操作内容和考核结果等。
[0057]2)数据采集与控制模块102:通过有线方式采集场景和操作设备特征的的三维空间坐标以及操作人员特征关节点三维坐标信息；通过无线方式实时采集操作设备状态信息；通过无线方式控制仿真电力设备产生声音、烟雾、着火、漏电以及柜门自动弹开等现象。
[0058]3)标准化教案生成模块103:培训系统通过记录操作熟练的教练员在完成某项具体操作内容时的行走轨迹、与设备之间的安全距离、操作动作及设备状态的改变等，形成标准化操作教案，作为培训时评价依据。
[0059]4)培训模块103:受训人进行某项操作任务的实际培训，通过判断操作过程是否符合此项操作任务的标准化操作教案，对受训人操作的安全性、标准性给出评价。培训模块分为学习模式、实训模式和考试模式。其中学习模式在操作过程中用培训主机连接的扬声器及时提醒受训人员在操作过程中所犯的错误，实训模式在评估结束后进行汇总报错，而考试模式除了汇总报错外，还有根据错误多少与错误权重系数对受训人的规范程度自动打分。
[0060]综上，⑴通过构建电力设备实体仿真操作培训环境，让受训人员亲身练习真实操作内容，由于所有操作设备对象均为真实的物理实体，受训人员可以真实感受操作中的触觉，达到了身临其境的操作效果，在视觉上和触觉上达到很好的结合，增强培训仿真的体验感对和沉浸感，同时与系统的交互方式完全是真实的动作，使交互更加便捷、逼真、精准、灵活。
[0061](2)在操作设备内，利用发声模块、烟雾发生模块、冷光烟火发生模块、高压静电发生模块、以及柜门自动开启模块实现设备各种错误操作产生的声音、烟雾、着火、漏电以及柜门自动弹开等现象。操作简单、安全，通过多次反馈刺激方法可以极大地提高培训效果。
[0062](3)紧密结合电网安全生产的需求，根据标准化作业流程和安全生产规程，可生成一系列培训教案，可以灵活选择所需的培训教案对培训人员进行培训学习与考核评价，构建一个逼真、实用、灵活、培训费用低、培训效率高的安全实训物理环境。
[0063]本领域普通技术人员可以理解:实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0064]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种电力安全培训实体仿真系统，其特征在于，所述系统包括: 多个仿真电力设备，设置在培训现场，所述多个仿真电力设备中的每一个仿真电力设备均设置有第一多个红外反光球以及所述培训现场中的工作人员的各个关节位置和工作帽上设置有第二多个红外反光球； 多个智能摄像机，用于捕获所述第一多个红外反光球与所述第二多个红外反光球的多张图像，并对所述多张图像进行图像预处理，提取所述多张图像中的所述第一多个反光球的中心点的二维坐标与所述第二多个反光球的中心点的二维坐标，将所述二维坐标发送到坐标转换单元； 坐标转换单元，用于将所述第一多个反光球的中心点的二维坐标转换成所述第一多个红外反光球的第一组三维坐标值，以及将与所述第二多个反光球的中心点的二维坐标转换成所述第二多个红外反光球的第二组三维坐标值； 培训系统主机，用于通过无线收发单元实时采集所述多个仿真电力设备的工作状态，通过所述第一组三维坐标值监测所述多个仿真电力设备的异常状态，通过所述第二组三维坐标值获取所述操作人员的动作行为信息；根据所述异常状态、所述动作行为信息向所述多个仿真电力设备发出场景仿真指令； 所述多个仿真电力设备根据所述场景仿真指令进行场景仿真处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所所述培训现场中的每个红外反光球都可以被所述多个智能摄像机中的两个以上的智能摄像机同时捕捉。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一多个红外反光球与所述第二多个红外反光球获取到的第一组三维坐标值与所述第二组三维坐标值通过以太网接口实时送到所述培训系统主机。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述坐标转换单元对所述二维坐标所表示的反光球进行识别，并对所述多个智能摄像机提取的多幅图像中的反光球进行匹配，利用立体视觉三维重建原理对反光球在世界坐标系中三维坐标进行重建，得到所述第一组三维坐标值与所述第二组三维坐标值；所述培训系统主机利用改进型卡尔曼滤波预测方法对所述智能摄像机捕获到的连续多帧图像中的各个反光球进行跟踪，并记录相对应的反光球的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述培训系统主机根据设置在所述培训现场的运动部件上反射球的固定的运动轨迹识别出各个反射球，通过监测设置在所述培训现场的操作设备运动部件上已经固定好的反射球的运动轨迹，识别运动部件的位置或状态。
6.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述培训系统主机根据操作设备上的所述工作状态、所述第一组三维坐标值和所述第二组三位坐标值将所述第一多个红外反光球与所述第二多个红外反光求在时间、空间上的冗余信息或者互补信息进行组合，获得所述工作人员动作行为的一致性解释和描述。
【文档编号】G09B9/00GK104464431SQ201410775992
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】刘国忠, 王兰香, 周磊, 杨怀选, 王军, 孟浩 申请人:北京科东电力控制系统有限责任公司, 北京信息科技大学