李中旗，陈富国，闫亚刚，蔡 杰，杨卫国，朱润东

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467000)

电网的持续稳定和安全运行，在国计民生中起着相当重要的作用。人们生活智能化和科技化的要求促使电力公司打造智能型电网，这对提高我国在国际电力资源配置、能源发展和电网技术等方面的话语权和技术引领作用具有重大的意义[1-3]。

电力系统中有很多元件和设备，其中开关是一种广泛使用且不可或缺的设备，其主要负责电力系统的关合与开断。如果在电网运行过程中，开关设备发生了故障，可能会造成局部停电，甚至是大面积停电。电力系统运行发生故障后，将会对人们日常生活、工业生产、医疗健康等各个方面造成不可忽视的影响，因此提高开关设备的稳定性、安全性和可靠性，是保证电力系统持续安全稳定运行的前提，是保证为全社会进行稳定供电的前提。由此可以看出，对开关设备的检修格外重要。

开关设备检修是一项技术含量高且繁杂的工作，一般情况下，不仅需要检修人员的基础知识和检修技术扎实和纯熟，还需要检修人员具有较好的团队协作能力，因此在检修人员培训过程中需要对这些方面的能力进行着重培训。传统的培训方法通常对单一检修人员或单一检修工种进行理论和技术的培训，很难实现多工种之间的协同配合，无法实现良好的团队协作，因此开发新型高效的培训系统十分必要。

本文基于虚拟现实技术开发了一套多人协作的开关设备检修培训仿真系统，受培训人员可以通过操作虚拟人物在同一场景中实现不同工种的培训，不仅能够实现理论知识和操作技术的培训，也能够实现团队协作的培训。另外，除了实现作业训练外，本系统还设置了作业考核，能够实现对受培训人员各方面能力的综合评价。

1 开关设备检修培训仿真系统的架构

1.1 开关设备检修培训仿真系统的设计

开关设备检修工作团队包括团队负责人和团队检修成员，不同的岗位负责不同的工作，均具有明确的工作内容和地点。在检修过程中，不同岗位的工作人员同时进行检修，完成不同的工作且相互之间需要进行协同作业，因此本文培训系统主要涉及3个部分：第一，不同岗位的检修人员是否抵达了指定的工作地点；第二，检修人员是否按照操作要求进行了标准操作；第三，不同的岗位之间是否完成了协同作业。

图1为多人协同开关检修培训系统的流程，在进行培训时，受培训人员首先选择工种后进入工作场景，然后到达指定的地点，此时需要接受考核，随后操作虚拟人物进行检修工作，检修工作包括个人操作和多人协作。个人操作时需要接受考核，主要是判定受培训人员的操作是否安全、标准；多人协作主要包括团队成员之间的协作和成员与负责人之间的协作，其中成员之间的协作主要涉及到是否按照流程作业以及成员之间的交流，成员之间要有有效的信息传输通道，成员与负责人之间的协作主要涉及工作流程是否符合要求，成员的工作需要得到负责人的允许，成员与负责人之间需要有严格的执行许可流程。多人协作也需要进行严格的作业考核。

图1 开关设备检修培训仿真系统的设计

1.2 开关设备检修培训仿真系统的软件设计

多人协同的开关设备检修培训仿真系统软件架构如图2所示，主要包括教员管理、工作场景、操作训练、作业考核、网络同步和数据库几个模块。教员管理模块负责对工作场景、操作训练和作业考核几个模块的全程管理和监控，主要包括人员管理、过程管理、培训管理和评价管理。工作场景模块对检修的三维场景进行模拟，主要包括常见的平原、高原、丘陵、山地等地形地貌，除此之外还涉及不同天气环境的模拟，如晴天、雷雨、大风等；用到的设备主要包括组合电器、GXL5-1100(L)管道母线、KYN28A-12开关柜、ZFN13-40.5充气柜。操作训练模块主要是对设备拆解、安装、检修的模拟，通过工种选择和场景选择后，可以进入特定场景和特定工种进行操作训练，包括设备的三维结构剖析、红外热像检漏、超声局部放电检测、特高频局部放带电检测、电流互感器的检修与更换、熔断器的检修与更换、避雷器的检修与更换、手车的检修与更换、三工位传动轴更换、电压互感器连接电缆安装。作业考核模块包括对个人操作的追踪和评价，也包括对多人协作的追踪和评价，主要是负责对不同工种操作记录的收集，多人协作信息交流、执行许可以及工作流程的追踪和分析。以上各个模块均通过网络同步模块与数据库之间形成信息共享。网络同步模块是开关设备检修培训系统的基础，基于网络通信实现信息的共享；数据库包含了资源库管理和培训流程管理两个模块，主要涉及场景库、组件库、运行数据、流程数据、历史数据和评价数据等，通过网络同步模块与教员管理、工作场景、操作训练、作业考核模块之间实现信息互通，最终实现培训管理、场景模拟、操作培训和作业考核。

图2 开关设备检修培训仿真系统软件架构

1.3 开关设备检修培训仿真系统的硬件设计

多人协同的开关设备检修培训仿真系统的硬件整体架构如图3所示，主要由客户终端和服务器组成，其中客户终端包括教员终端和受培训人员终端，服务器包括数据库服务器、场景服务器、仿真服务器、管理服务器和网关服务器。教员终端主要用来发送和接受指令，通过管理服务器对整个培训过程进行过程管理、信息收集和作业考核等；受培训人员终端主要是发送指令和接收数据，受培训人员通过终端发送指令，控制虚拟人物进行开关设备的检修操作、信息交换等作业，还可以通过终端接收来自服务器的数据，主要包括教员终端的指令和评价，数据库服务器中的数据以及其他受培训人员由终端发送到服务器的指令。数据库服务器主要用于数据库中的资料管理和培训流程管理，而且数据库服务器向场景服务器、仿真服务器和管理服务器提供访问接口；场景服务器与数据库服务器相连接，主要对工作地点的地理环境、气候环境、设备等场景进行储存和读取；仿真服务器是整个硬件系统的核心部分，负责受培训人员的学习、实训操作、考核与评价；管理服务器实现培训过程的管理、监控，主要面对教员终端；网关服务器主要实现网络同步，在互联网层面实现教员终端与受培训人员终端之间、受培训人员终端与受培训人员终端之间的信息传递与共享。

2 多人协同作业技术的实现

多人协同作业实现的基础是网络同步。网络信息的同步包括两部分，一是客户终端与服务端的信息同步，二是客户终端与客户终端之间的信息同步。第一种信息同步主要是受训人员由终端发送指令到服务端，用以控制虚拟人物；第二种信息同步是不同客户终端之间的信息共享，用以完成多人协作工作。借助网络进行信息同步时需要尽量地减少网络延迟，来保证多人协作过程中不同虚拟角色所处的时间和空间一致。

图3 开关设备检修培训系统的硬件设计

为了尽可能消除信息延迟，本文方案采用了两种预测方法。在进行客户端到服务端的信息同步时，采用行为预测方法，其流程如图4所示。在受训人员通过客户端向服务器发送指令后，可以先根据客户端的状态对服务器的反馈结果进行预测，然后直接以预测结果进行执行，这样便可以有效减少网络延迟。在执行的同时，服务器将预测结果与反馈结果进行对比，若二者相同，则继续执行，服务器不发送任何指令；若不相同，服务器则发送指令，客户端回到执行之前，然后以反馈结果重新执行。由于对开关设备的检修是按照特定的流程进行的，因此客户端预测结果有据可依，预测结果具有规律性和较高的准确性。

图4 行为预测方法

客户端之间的信息同步采用区域预测法，其主要流程如图5所示。当某一角色通过其客户端向服务器发送指令后，首先对其周围其他虚拟角色的人数进行预测，并将结果通过服务器广播至其他虚拟角色的客户端，与他们共享画面与信息。同时，服务器将客户端预测的结果与服务器反馈结果进行对比，若相同，则不发送指令，继续以预测结果执行；若不同则向客户端发送指令，使其回到执行之前，然后以服务器的反馈结果执行。区域预测法基于兴趣域管理进行区域预测[4]，采用轴对齐包围盒进行对象预判[5]，具有规律性和准确性。进行预测时，需要将虚拟场景划分为小的单元格，将虚拟角色的视野定义为半径为R的视野圆(图6(a))。根据式(1)对虚拟角色的轴对齐包围盒进行定义：

图5 区域预测方法

(1)

式中：f(X,Y,Z)为虚拟空间中某一点的坐标；xmin，ymin和zmin为虚拟角色在x轴、y轴和z轴视野的最小坐标；xmax，ymax和zmax为虚拟角色在x轴、y轴和z轴视野的最大坐标。当f(X,Y,Z)处于这一区域内时，则视为处于该虚拟角色的视野中。

随后确认轴对齐包围盒在x轴的投影区间，并判断该区间是否被最小单元格包围。假设虚拟角色A的轴对齐包围盒在x轴的投影为CA，其视野圆半径为R；虚拟角色B的轴对齐包围盒在x轴的投影为CB，投影长度的一半为M。如图6(b)所示，若CB-CA+M≤R，则说明虚拟角色B处于虚拟角色A的视野中，那么由角色B客户端上传的信息将会同步到角色A的客户端；反之，如图6(c)所示，CB-CA+M>R，则说明虚拟角色B不在虚拟角色A的视野中，那么由角色B客户端上传的信息将不会同步到角色A的客户端。

图6 受培训人员视野

3 工程应用

本文设计的多人协同开关设备检修培训仿真系统在平高集团有限公司用于开关设备检修人员的培训，并对系统的网络延迟和作业考核功能进行了测评。测评时服务器及客户端的硬件配置：服务器CPU为IntelE5504，内存为32 GB；客户端CPU为Intel E6700，内存为8 GB。网络带宽为2.0 Mbps。

5次同步延迟测试结果见表1。结果表明无论是客户端到服务器的信息同步，还是客户端到客户端的信息同步，都没有发生非常严重的网络延迟。相对来说，客户端到服务器的信息同步延迟时间较短，5次实验中最长为0.185 9 s，最短为0.124 5 s，平均延迟时间为0.151 6 s，标准差为0.020 8 s说明客户端与服务器之间的信息同步并没有出现较为明显的信息延迟，虽然5次试验中最长延迟时间和最短延迟时间的差距较大(0.061 4 s)，系统信息同步速度不够稳定，但最长延迟时间也仅有0.185 9 s，因此该系统具有较好的信息同步性。与客户端与服务器之间的信息同步相比，客户端与客户端之间的信息同步过程中延迟时间相对较长，最长为0.365 2 s，最短为0.321 1 s，平均延迟时间为0.342 2 s，标准差为0.015 4 s。由于客户端与客户端之间的信息传递需要经过服务器，其信息同步包括客户端与服务器的信息同步和服务器到客户端的信息同步，因此延迟时间更长，约为客户端与服务器之间信息同步延迟时间的2倍。5次试验中最长延迟时间和最短延迟时间的差距为0.044 1 s，系统信息同步速度和稳定性有待提高，不过信息延迟时间依然处于较短水平，说明系统具有较好的同步性。

表1 多人协同检修培训测试结果 s

表2为5次作业考核的评价结果。系统根据受训者在虚拟场景中的操作情况进行自动打分，评价分为5个等级：0～0.6为不合格，0.6～0.7为合格，0.7～0.8为中等，0.8～0.9为良，0.9～1.0为优。评价测试共进行了5次实训操作和虚拟场景操作，实训操作由培训员根据受训人员的表现进行打分，虚拟场景操作由系统进行作业考核打分。5次实训操作评价等级依次为中、中、优、良、优，五次虚拟场景操作考核输出的成绩分别为0.715 1,0.755 2,0.941 3,0.812 2和0.976 4，对应的评价等级分别为中、中、优、良、优。由表2可知，实训操作的评价等级与虚拟场景操作的评价等级完全一致，说明该多人协同开关设备检修培训仿真系统的评价准确度较高，基本上能够满足开关检修人员培训的应用要求。另外可以看出，由系统评价输出的成绩精确度更高，更能够体现出受训人员的完成程度。

表2 多人协同检修评价结果

4 结束语

本文设计了一种多人协同分布式开关设备检修培训仿真系统，与传统培训系统相比，该仿真系统能够同时进行多人和多工种的培训，实现受训人员客户端之间以及受训人员客户端与服务器之间的信息同步，具有实时性；通过网络同步，客户端可以调取数据库中大量的场景信息，受训人员可以进行沉浸式培训，具有客观性和全面性；另外，该系统还能够通过调取数据库中的数据，对培训作业进行考核，考核结果与实训操作考核一致，真实客观。将该系统用于开关设备检修人员的培训，能够完全满足培训要求，且能够缩短培训周期，提高培训效率。