关于引进输配电线路带电作业仿真实训系统可行性报告

关于引进输配电带电作业仿真实训系统可行性报告项目概述本项目立足于XX电网电压等级分布、作业习惯等实际情况，结合近年来公司输配电带电作业工作的实践经验，引入虚拟现实技术，建立公司输配电带电作业仿真实训系统，推动公司输配电带电作业培训常态化，形成带电作业技术的推广和创新平台。基于虚拟现实技术的仿真培训是利用计算机仿真各种物理工程技术，构造一种以训练和教学为目的，在某种程度上再现一个真实系统行为的系统，具有全面、成本低、效率高、无危险等突出优势。因此以虚拟现实为基础的仿真培训技术已广泛应用于医疗、军事等领域的技能培训中。从虚拟现实技术在电力系统培训领域应用来看，国外是从二十世纪七十年代初开始的，开始主要集中在火电厂机组，之后相继扩展到电网调度、变电站的仿真培训。我国从二十世纪八十年代开始将虚拟现实技术应用于电力系统的培训中，但其前期应用几乎全部集中与电网调度及变电的操作培训。从2007年开始，国网电力科学研究院设计开发并不断完善“1000kV特高压交流线路带电作业仿真培训系统”，将虚拟现实技术应用于线路带电作业的操作培训中。2009年，国家电网公司启动了重点项目“国家电网公司带电作业规范化操作方法研究”，致力于建立一套数字化、形象化的规范化带电作业操作方法。虚拟现实技术在电力系统中，特别是在带电作业等技能操作培训中的应用，在规范性、全面性、及时性、安全性等方面提升了培训水平，从而取得很好的培训效果。项目的必要性（一）带电作业的重要性开展带电作业是保证电网的安全稳定、保障输配电线路正常运行、提高供电可靠性的重要手段，也是现代化电网运行维护技术发展的方向之一。我国的带电作业技术经过50多年的不断发展、提高，已成为保证电网安全、可靠运行、减少电能损失以及不间断向用户供电和提高电网经济效益的一个重要的不停电检修手段。其带电作业技术与其它国家相比，无论是在作业方法的多样化、作业工器具的轻巧化、作业项目的操作难度、应用的广泛程度等方面都具有着一定的优势与特色。作业范围从输电线路发展到配电、变电、用电、发电厂和基建安装，作业项目也由检修、改造发展到测试。（二）带电作业培训的重要性人员素质是带电作业工作安全高效开展的先决条件，国网公司非常重视带电作业的培训，相继出台了《国家电网公司带电作业工作管理规定》和《国家电网公司带电作业实训基地资质认证办法》，并且建立了7个带电作业培训中心，以加强带电作业培训工作的管理，提高培训质量。（三）带电作业仿真实训系统的先进性1、具有不依赖场地、全天候培训、安全可靠的突出优势。传统的带电作业现场培训，培训效果容易受天气、场地、设备以及培训水平等因素的影响，培训模式、手段急需改进升级。2、体现了带电作业常态化、标准化、网络化的发展方向。输配电线路带电作业仿真实训系统建成后将覆盖10kV～1000kV输配电线路典型带电作业项目，具有作业方法规范形象、资料全面权威、硬件设备齐全新颖等特点，推动带电作业训练向常态化、形象化、规范化、网络化方向发展，推广普及标准化带电作业流程及方法，全面提升带电作业技术水平。同时仿真培训软件系统采用了“国家电网公司带电作业操作方法规范化研究”成果，有利于加快推进XX电网带电作业规范化、标准化进程，为XX电网带电作业的有序开展提供重要保障。三是拥有地域性强、覆盖性广、功能性强的创新优势。根据省电力公司带电作业工作特点和规律，量身定制XX电网输配电线路带电作业仿真实训成套软硬件产品，从而建立功能完善、覆盖广泛、资料齐全的输配电线路带电作业实训系统，覆盖10kV-1000kV全电压等级的带电作业的典型项目仿真操作实例、项目资料库等，具备带电作业知识考试、带电作业仿真操作考核、协同作业及学员全过程档案管理等功能；设计开发多种硬件单元，通过与软件系统的精密配合，使培训人员可以从视觉、听觉和触觉等方面得到反馈，获得接近真实的培训感受。带电作业仿真实训系统不但可以在常规培训中发挥重要的作用，而且可以经常性地开展带电作业技能竞赛，大大提高作业人员的素质；应用到技能鉴定中，体现现场实际和考生水平；更加方便地开发带电作业新项目和新工具，缩短开发期限，减少开发过程的弯路。项目的可行性（一）硬件保障输配电线路带电作业仿真实训系统由三维仿真实训软件与专用硬件平台构成。专用硬件平台由台式仿真训练器、头盔式仿真训练器、全仿真训练器以及多通道环幕立体仿真培训教室组成。自2008年起，环幕投影教室及台式训练器等硬件培训平台也逐步投入使用，硬件平台的应用显著提高了系统的交互功能，为个人及班组提供了沉浸式的学习及操作环境，大幅提升了系统的培训效果。（二）软件保障三维仿真实训软件覆盖10kV～1000kV交流线路典型带电作业项目，包含10kV～1000kV交流线路典型带电作业项目三维虚拟操作方法、项目及工器具资料、技术标准、规程规范、作业指导书等内容，通过文字、语音、视频、动画等方式进行展现。目前利用DirectX软件开发包实现虚拟现实已经非常成熟，Direct3D通过HAL提供的基础结构，为程序员提供了一套统一的接口和方法，用于访问图形硬件。具有对硬件平台要求较低、性能价格比高、使用方便灵活的特点，同时具备实时三维图形多媒体应用所需要的基本功能，并能够方便地进行扩展开发，为虚拟现实技术的广泛应用扫平了技术障碍。目前，仿真培训技术已能够覆盖10kV-1000kV交直流各电压等级，涵盖直流、紧凑型、同塔双回等各种特殊型式的线路，软件系统经过几年时间的应用与积累，作业方法不断细腻并贴近实际，资料不断丰富，软件本身可操作性也不断增强。项目主要内容本项目将基于省电力公司带电作业的成果及经验，通过采购定制的带电作业成套仿真实训软硬件设备，建立切合省电力公司实际需求的带电作业仿真实训系统，系统由软件平台及硬件平台两部分组成，而软硬件平台所应包含的内容详细如下。图4系统结构示意图4.1软件部分输配电带电作业仿真培训软件系统覆盖10kV-1000kV交流等电压等级各典型带电作业项目，具备以下主要功能：（1）资料查询：用户可以通过整理好的带电作业资料库，查询工器具、带电作业流程、安规的详细信息。软件系统中利用带电作业资料及场景数据库实现上述功能。带电作业常用工器具和项目资料的数字化数据库，包括带电作业基本原理、标准、技术规程、工器具资料、作业指导书等内容，并采用文字、语音、视频、动画等多种方式对上述资料内容进行表现。带电作业场景库对带电作业点中可能涉及的各种电力设备（如：导线、杆塔、横担等）和作业点附近的物体（如线路附近的树木、附近居民住宅等），然后根据作业项目的不同将他们组合在不同的场景中。（2）在线学习：采用带电作业三维仿真动画的形式，给用户展示全电压等级下的典型带电作业项目操作流程，让用户可以从各个角度观看和学习每个带电作业项目中的操作细节，并提供三维工器具、工作票、安全规范等资料的详尽说明。（3）视频教学：为培训人员提供专家讲座视频资料和工器具使用资料，让用户系统的学习带电作业中应该掌握的关键技术。充分利用国网电力科学研究院在带电作业领域的领先地位，视频资料全面覆盖带电作业典型作业项目、XX特殊作业项目及注意点，供受训学员学习使用。（4）仿真操作：让用户获得几近真实的带电作业现场操作感受，从而达到现场实践效果。仿真操作基于标准化作业方法，利用三维数字化技术，覆盖所有典型作业项目。能够对作业全流程进行模拟仿真操作，对作业工况进行三维展示，并对重点操作环节进行细致演示。（5）在线考试：采用理论和仿真操作两种考试方式，从理论和现场实践双重角度去考察用户学习情况和作业水平。其中考试内容以《国家电网公司电力安全工作规程（电力线路部分）》、《带电作业管理制度》、《带电作业操作导则》及各电压等级带电作业技术导则等国家标准和行业标准为基础，考试题目以客观题为主，按照具体项目、重要程度、难度等分类管理，供在线考试使用。可提供试卷自动生成、自动判分、考试结果分析等功能。（6）辅助决策：管理发布考试成绩，并分析历次的考试记录对受训人员进行评价，为生产管理者签发带电作业票提供依据，并可在实际生产操作前进行模拟预演。（7）协同作业：让受训人员不仅仅是单独练习，协同作业功能允许不同训练器上、不同地域的受训人员共同进行某个多人作业项目，培养相互配合、协作的能力，建立团队协作意识。4.2硬件部分硬件部分主要由台式仿真训练器、头盔式仿真训练器、全仿真训练器、多通道立体环幕仿真训练教室组成，详细功能如下：4.2.1、台式仿真训练器图5台式仿真训练器样机台式仿真训练器主要包括立体显示屏、触摸屏、操作手柄、指纹识别器、网络连接器等部分。可进行单人仿真训练，同时，该设备预留网络接口，可以进行联网多人协同训练、网络监控等功能。该训练器可以在屏幕上实现立体显示效果，具有很强的沉浸感，采用指纹识别系统的登录方式和手柄式的操作方式，提供无键盘输入环境。台式训练器作为最基本的训练硬件单元，能够实现上述所有软件功能，并可连接网络，进行远程培训及网络比武。4.2.2、头盔式仿真训练器图6头盔式仿真训练器样机头盔式仿真训练器由头盔式数字立体显示器、位置追踪器系统、数据手套、外置显示器、网络连接器组成。该训练器是带电作业常规训练设备，可供学员单独训练使用，亦有联网协同训练等功能。该设备通过将工作帽集成显示器功能，头部的运动实时反映到视觉效果中，结合数据手套，用户应可以切身感受到沉浸在场景中的真实感，并可以直接通过手去操作工具，将培训的沉浸感从视觉提升到身体直接感受上。头盔式仿真训练器主要用于配电带电作业项目、单人操作多人协同、组建网络培训中心等。4.2.3、全仿真训练器图7全仿真训练器样机全仿真训练器由电传数控运动模拟平台、数字中心控制器、模拟斗、环形屏幕显示系统、数据手套及动作捕捉系统、位置追踪系统、视频监控设备组成。该训练器集中央控制台集成运动控制、动作捕捉与识别、数字控制等高级技术于一体，可供2人以上进行协同作业训练。该训练器能模拟绝缘斗臂车的操作和运动，及斗臂车上的带电作业操作，可从视觉、平衡感、触觉等方面为受训者提供最逼真的训练环境。全仿真训练器主要用于配电带电作业项目，可供1—2人同时进行。4.2.4、多通道立体环幕仿真训练教室图6仿真训练教室样机多通道立体环幕仿真培训教室由：工业投影机、六自由度一体化吊架、立体眼镜、环形宽投影屏幕、立体视景集成系统、环绕音响等设备组成。该培训教室通过大面积的环形幕，配合立体视景投影系统，实现强烈的仿真沉浸体验，适合大规模的培训课程，以及标准化作业方法的展示与讲授，30-50人可以同时在环幕前进行作业课程的训练。多通道立体环幕仿真培训教室包含多种多媒体课件：（1）理论教学三维课件：培训中心可以通过整理好的带电作业资料库，利用三维显示技术向学员展示工作票、带电作业流程、安规等详细的理论知识。（2）工器具使用课件：提供工器具三维展示以及详尽的使用说明，对于各种型号的工器具逻辑分类，方便教学。（3）典型作业项目课件：采用带电作业三维仿真动画的形式，给用户展示各电压等级下的典型带电作业项目操作流程，让用户可以从各个角度观看和学习每个带电作业项目中的操作细节。上述的软件系统和硬件系统进行组合，形成输配电线路带电作业仿真培训系统，集合多台台式仿真训练器、头盔式仿真训练器、全仿真训练器、多通道立体环幕仿真培训教室于一体，通过局域网将各个培训单元的数据实时集中上传保存至服务器，由仿真培训中心统一管理和调度，开展协同作业训练。4.3、主要技术特点省电力公司输配电线路带电作业仿真实训系统的主要技术特点在于：（1）软硬件平台的兼容基于虚拟现实技术，实现软件系统和硬件系统的兼容，使受训人员获得高度仿真的操作体验。本系统具有3I特性——沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)，受训人员能根据虚拟环境提供的视觉、听觉和触觉反馈，得到接近真实的虚拟培训感受，既培养了受训人员的实际操作能力，又解决了传统实地培训中存在的诸如受训人员与设备的安全问题、环境因素对培训的不利影响、居高不下的成本等问题。（2）海量权威数据库XX省电力公司在带电作业施工和培训方面积累了较好的研究基础，为项目建设提供系统、规范的带电作业资料。海量权威数据库集国内带电作业多年研究精华，邀请国内带电作业权威专家，采用最新多媒体手段，全面覆盖带电作业相关作业项目及注意点。主要内容包括工器具三维数据库、场景三位数据库、项目操作资料库、专家讲座培训数据库等，利用文字、语音、视频、动画等手段对资料进行整合、展示与管理。（3）网络一体化数据平台网络一体化数据平台是基于局域网的连接服务，能够满足同一局域网的受训人员进行协同作业。平台通过网络协议转换技术，将不同设备联系到一起，给用户提供实时交流与沟通。（4）可定制的作业项目系统采用模块化结构，具有高兼容性和高拓展性，在系统设计层面为带电作业的发展预留升级空间，也可根据作业项目、作业习惯的差异，灵活修改、定制培训项目。（5）使用维护成本低廉系统设计之初己充分考虑到了大规模使用时的运行成本，在保证培训效果的前提下，对于经常使用的工器具均有相对低廉的解决方案。例如，仿真培训教室采用被动式投影方式，在投影端采用高级投影设备后，学员只需要普通的立体眼镜就可以达到较好显示效果，既保证培训质量也降低了使用维护成本。预期目标本项目将根据XX省电力公司输配电线路带电作业实际需要及实践经验，通过采购定制的XX电网输配电线路带电作业仿真实训成套软硬件设备，建成功能完善、覆盖广泛、资料齐全的输配电线路带电作业实训系统。系统软件平台覆盖10kV-1000kV各电压等级典型带电作业操作项目，包含虚拟操作方法、工器具资料数据库、规程规范、作业指导书等内容；系统硬件平台包括台式仿真训练器（30台）、头盔式仿真训练器（30台）、全仿真训练器（1台）与多通道立体环幕仿真培训教室（1台）组成，软硬件平台结合后能够完成在线学习、考试、资料查询、仿真操作、协同作业等各项功能。整个带电作业仿真实训系统完成后能够实现个人及班组的10kV-1000kV交流线路各典型带电作业项目的仿真培训。项目完成后，将建成XX电网输配电线路带电作业仿真实训系统，包含成套的软硬件带电作业仿真培训设备，满足如下要求：软件平台：覆盖10kV-1000kV交流线路各典型带电作业项目，包含各种带电作业工器具、作业方法及原理、规程规范、作业指导书等各种资料，具备仿真操作、资料查询、培训管理、协同作业、网络比武等各项功能。硬件平台：（1）开发台式仿真训练器30台，安装带电作业三维仿真培训软件系统，可进行覆盖10kV-1000kV各电压等级输配电带电作业项目的个人培训和协同作业培训，同时具备网络化比武竞赛功能；（2）头盔式仿真训练系统30套，可进行配电（10kv-35kv）带电作业项目的个人培训和协同作业培训，同时具备网络化比武竞赛功能；（3）全仿真训练系统1套，可进行配电（10kv-35kv