基于虚拟现实技术的变电站安全案例式仿真培训方法与流程

本发明涉及电力系统仿真培训领域，尤其涉及一种基于虚拟现实技术的变电站安全案例式仿真培训方法。

背景技术：

变电站仿真培训系统近年来广泛用于变电站运行人员的培训，主要采用桌面式虚拟现实模拟一次设备操作、二维接线图模拟电网操作，人机交互主要采用鼠标键盘等交互方式。

在面向变电站安全的仿真培训方面，电力培训机构主要采用理论培训、师傅带徒弟和桌面式仿真培训系统等方式开展技术技能培训工作，这种方式存在生产培训理论与实操分离，理论学习抽象、单调、枯燥，不便学员理解，在实操过程中，学员对操作规程和要点生疏，容易误操作的问题。

现有技术对变电站安全事故的培训一方面采用桌面式仿真培训系统进行培训，系统的真实感和交互体验感与实际操作存在较大差异；另一方面对安全事故案例的培训多常用固定的课件形式进行培训，培训案例需要开发厂家进行定制，教员无法根据教学的需要自主定义安全事故案例。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实技术的变电站安全案例式仿真培训方法。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种基于虚拟现实技术的变电站安全案例式仿真培训方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1.收集案例素材；

2.选取典型的安全事故案例；

3.形成典型案例表；

所述典型案例表是对所选择的安全事故案例的完整过程描述；

4.案例梳理，梳理出关键事件和关键步骤；

5.形成案例脚本；

6.利用案例制作工具生成案例数据文件；

7.变电站安全事故案例的沉浸式应用交互。

进一步地，在步骤1中，所述案例素材包括事故快报、事故事件通报、事件调查报告书、事故视频和动画和事故调研报告。

进一步地，在步骤2中，所述案例选取的原则如下：

(1)优先选择具有普遍性的常规典型案例；

(2)优先选择专业岗位的重特大典型案例；

(3)优先选择本地区本部门本单位发生的真实性典型案例；

(4)典型案例应具备针对性和代表性；

(5)典型案例应具备时效性和生动性。

进一步地，在步骤3中，所述完整过程描述内容包括事故经过、事故原因和事故分步骤。

进一步地，在步骤4中，所述关键步骤包括：

(1)电网规定的变电操作规范；

(2)操作票、工作票上规定的行为动作；

(3)负责人、监护人、操作人之间的对话；

(4)操作人的安全工器具选取；

(5)到达指定地点。

进一步地，在步骤4中，所述关键事件包括：

(1)电网操作和设备操作的动作效果；

(2)电网变电站设备的状态变位事件；

(3)事故触发效果展示。

进一步地，在步骤5中，所述案例脚本采取表格形式，将整个案例过程分解为过程对象和事件对象；

所述事件对象包括场景和事件现象；

所述过程对象包括场景、行为主体、行为类型、行为客体和行为内容。

进一步地，在步骤6中，所述案例制作工具通过可视化的形式编辑工具生成案例流程图；

所述编辑工具通过鼠标键盘操作，实现案例图元的新建、属性编辑、流程图布局编辑、图元连接、图元删除和流程图文件的加载保存功能。

进一步地，在步骤7中，所述沉浸式应用交互采用硬件设备为htcvive套装，包括虚拟现实头盔和动作捕捉操作手柄；

所述虚拟现实头盔实现三维虚拟设备场景的显示，虚拟现实头盔中显示的三维视景随着使用人员的头部姿态的变化而变化，从而实现沉浸感；

所述操作手柄上装配有位置感应点，可通过空间位置追踪器以光学位置追踪方式获取操作手柄的空间位置并传递给仿真主机。

进一步地，所述操作手柄上安装有多个操作按钮，当对操作按钮进行操作时，可实现定义的交互操作，定义如下：

左手手柄上包括第一触控板、第一菜单按钮、第一系统按钮、第一状态指示灯、第一扳机和第一手柄按钮；

所述第一触控板实现抛物线快速定位；

按下第一菜单按钮后会出现场景导航图，在该模式下，左手手柄会出现选择射线，当对准要定位的热点时，按下第一扳机即可快速定位；

右手手柄上包括第二触控板、第二菜单按钮、第二系统按钮、第二状态指示灯、第二扳机和第二手柄按钮；

按下第二触控板，右手射出一条光线，对准场景中的设备对象会在视野中浮现出对象的提示信息；光线对准设备对象时按下第二扳机，实现设备对象状态的检查确认功能；

按下第二菜单按钮后出现可选的三维工具，右手触碰工具后握下第二手柄按钮，工具会自动被握在手中。

按下第二手柄按钮表示抓握，可实现抓握工具、门把手实现开门、摇动摇把功能；

第二扳机用于操作变电站控件，当第二手柄触碰操作对象时，按下第二扳机按钮即可完成操作。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种虚拟现实技术的变电站安全案例制作方法，利用该方法，用户可以自行构建出变电站典型安全生产案例，用户可以不断弥补和丰富沉浸式变电站仿真安全培训案例，对电网安全生产中的典型的人身伤亡事故、典型生产事故进行分析，分析操作过程中出现的错误操作，存在的风险点，编辑制作适合培训的正确规范的操作和错误操作相比对的双重模拟案例，让学员体会不同的操作所产生的不同后果，加深学习印象感受各种作业环境中存在的危险因素和不规范操作带来的后果，用于提高学员的培训效果。

本发明提出一种虚拟现实技术的变电站安全案例训练的交互方法，利用该方法，使培训者可以很直接地使用肢体动作，与虚拟成像出来的装置或环境进行有效互动和任务操作，让学员能亲身体验实际发生的生产事故，感触各种作业环境中存在的危险因素和不规范操作带来的后果，提高事故分析和处理能力。

附图说明

图1是本发明的技术方案主要步骤示意图。

图2是左手手柄或者右手手柄的正面结构示意图。

图3是左手手柄或者右手手柄的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。

图1是本发明的技术方案主要步骤示意图。

如图1所示，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：案例素材的收集

案例素材为安全事故的信息载体，本发明收集事故快报、事故事件通报、事件调查报告书、事故视频和动画和事故调研报告等。

步骤2：案例选取

电力安全生产中存在大量可供培训人员学习和参考的事故，不同的事故案例对培训人员产生不同的引导和启发。考虑到制作成本，需要从大量安全生产案例从选择最具培训价值的部分典型案例，因此需要挑选出典型事故用于制作可供培训的案例。本发明选择进行制作的案例的选取原则如下：

(1)优先选择具有普遍性的常规典型案例

导致发生这类事故的原因大都是由于作业人员在电气操作中安全意识淡薄、习惯性违章或误操作所造成的危害事故，例如，错接电源线，误拉、合闸等。这类事故发生率很高，占事故的大多数，所以应优先先选择此类案例。

(2)优先选择专业岗位的重特大典型案例

在各种电气装置、设备的运行操作中，由于作业人员技术不熟练，工作能力差，操作不规范等都是造成这类事故的原因。例如，倒闸操作中的断路器、隔离开关的不规范操作及变、配电装置维护不当等。这类事故的发生率虽然不高，可一旦发生则危害性较大，造成的人员和财产损失都特别巨大，对社会影响较大，应引起特别重视，并充分利用这类案例对安全培训者起到轰动和震撼作用。

(3)优先选择本地区本部门本单位发生的真实性典型案例

这类案例具有更直接、更现实的教育意义，是培训者在现场操作中亲身经历或耳闻目睹的实例，选择这些案例，对于安全培训能起到事半功倍的作用，讲本地典型案例，用真人真事，用血的教训提高培训人员的安全意识，起到警钟常鸣。

(4)典型案例应具备针对性和代表性。

针对性是指所选案例应根据培训对象和培训行业的不同有所区别。如所选用的案例不具代表性，培训者就会认为与已无关，漠不关心，就达不到受教育的效果。针对性就是实用性；代表性就是典型性，都是能对每一个培训者都有启发教育意义。

(5)典型案例应具备时效性和生动性

时效性指所选用的案例应充分考虑事故发生的时间段，不要距今太久远。因为电气设备发展迅速，七八十年代的电气设备与现在大不相同，操作方法与要求也有较大区别。同时要考虑案例的生动具体，扣人心弦，这样才能引起培训者的浓厚兴趣，寓教于乐，起到警示、引以为戒的培训和警示作用。

步骤3：形成典型案例表

典型案例表是根据案例素材根据案例选择原则所选择的安全事故案例的完整过程描述，内容包括事故经过、事故原因和事故分步骤描述，具体格式如下：

步骤4：案例梳理

一个典型案例中包括大量的事件和操作步骤，将所有事件和步骤都进行制作会导致案例用于培训是过于繁琐，为了提高培训效率，在案例制作中梳理出关键事件和步骤加以重点制作。

本发明中关键步骤包括以下步骤：

(1)电网规定的变电操作规范

(2)操作票、工作票上规定的行为动作

(3)负责人、监护人、操作人之间的对话

(4)操作人的安全工器具选取

(5)到达指定地点

关键事件包括如下几点：

(1)电网操作和设备操作的动作效果

(2)电网变电站设备的状态变位事件

(3)事故触发效果展示

步骤5：形成案例脚本

案例脚本为根据案例典型变电站的实际设备结构，对典型案例进行过程改编以适应典型变电场景结构。案例脚本采取表格形式，将整个案例过程分解为若干条过程和事件对象。事件记录包括场景和事件现象两个字段信息，而过程对象包括场景、行为主体、行为类型、行为客体和行为内容等字段信息。具体脚本格式如下：

步骤6：利用案例制作工具生成案例数据文件。

6.1.案例制作工具的编辑功能设计

案例制作工具实现可视化的形式编辑生成案例流程图，该编辑工具通过鼠标键盘操作可实现案例图元的新建、属性编辑、流程图布局编辑、图元连接、图元删除和流程图文件的加载保存等功能。

新建案例流程图

加载案例流程图

绘制流程图元

绘制事件图元

生成连接弧

选中图元

编辑图元属性

删除图元

移动图元

6.2案例流程图的图元类的数据结构

案例流程图类：

图元基类：

组图元类‐图元基类的子类,用于分组容纳多个子图元：

行为图元类‐图元基类的子类，描述角色的行为：

事件图元类‐‐图元基类的子类，描述场景中发生的事件：

连接弧图元类‐‐图元基类的子类，用于描述图元之间的连接关系：

6.3案例流程图的数据文件格式

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步骤7：变电站安全事故案例的沉浸式应用交互。

7.1典型案例库应用模式设计

典型案例库完整记录了一个完整的事故案例所发生的三维变电站事件和电网事件，可用于正确的变电站操作，也可用于错误的操作，可用于变电站安全事故的学习、练习和考核等阶段。本发明中应用的方式如下

(1)典型案例的学习和体验功能。

典型案例可提供案例的可控制播放功能，学员可通过培训客户端完整的交互式浏览整个案例的全过程；学员也可以沉浸式体验的方式，以跟随视点的方式观察整个典型案例的过程，通过体验事故的震撼效果提高对安全教育的理解。

(2)典型案例的练习功能。

学员可通过扮演案例中某个角色的方式，以单人模式或多人模式进行案例对应的培训任务的练习，系统可根据案例中的流程信息对学员进行操作指导和提示。

(3)典型案例的考核功能。

教员可对学员指定某个典型案例进行考核，学员在操作中，如果违反了安全规程或正确的操作流程，则扣除对应的分数，最终根据学员的整体操作流程对学员进行考核和评价。

7.2沉浸式交互设计

本发明采用硬件设备为htcvive套装，包括虚拟现实头盔和动作捕捉操作手柄。虚拟现实头盔可实现三维虚拟设备场景的显示，虚拟现实头盔中显示的三维视景随着使用人员的头部姿态的变化而变化，从而实现沉浸感。操作手柄用于捕捉使用者的双手空间位置和操作控制信息，操作手柄上装配有位置感应点，可通过空间位置追踪器以光学位置追踪方式获取操作手柄的空间位置并传递给仿真主机；如图2和图3所示，操作手柄上安装有多个操作按钮，当对操作按钮进行操作时，可实现定义的交互操作，定义如下：

1)左手手柄的功能设计

触控板实现抛物线快速定位

菜单按钮按下后会出现场景导航图，在该模式下，左手手柄会出现选择射线，当对准要定位的热点时，按下扳机即可快速定位。

2)右手手柄的功能设计

触控板：按下实现右手射出一条光线，对准场景中的设备对象会在视野中浮现出对象的提示信息；光线对准设备对象时按下扳机，实现设备对象状态的检查确认功能。

菜单按钮：按下后在眼前出现可选的三维工具，右手触碰工具后握下手柄按钮，工具会自动被握在手中。

手柄按钮：按下表示抓握，可实现抓握工具、门把手实现开门、摇动摇把等功能。

扳机：用于操作变电站控件，当手柄触碰操作对象时，按下扳机按钮即可完成操作。其中操作复位按钮时按下扳机按钮立刻完成；而操作左右拧的操作把手时，按下扳机后保持按下状态，然后向左右旋转一定角度实现向左至位或向右至位；操作上下退的空开时，按下扳机后保持按下状态，然后手柄向上下方向运动一定距离实现状态切换。