CN107358833A - 变电站运维人员虚拟操作培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站运维人员虚拟操作培训系统，其包含：虚拟视觉组件，用于向作业者实时显示电力作业场景画面；坠落虚拟组件，用于当作业者在电力作业场景中走行踏空时模拟踏空坠落的体感；体感手套组件，包含手势识别模块以及触电模拟模块，用于当作业者违反安全规范时，模拟触电事故；头部敲击模拟组件，用于当作业者违反安全规范时，模拟零件坠落事故；虚拟控制系统，分别通讯连接坠落虚拟组件、虚拟视觉组件、体感手套组件以及头部敲击模拟组件。其优点是：通过将增强现实技术应用于变电站运维人员的培训，有效的提高了培训的真实性、实操性和有效性，可以更加有效的帮助作业人员理解安站的组成和分布。

Description

变电站运维人员虚拟操作培训系统

技术领域

本发明涉及电力系统操作培训领域，具体涉及一种变电站运维人员虚拟操作培训系统。

背景技术

随着科学发展和技术进步，智能工程实现了跨越式发展，对其界面工具一人机交互界面提出了更高的技术要求。增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）应运而生，作为一种新的描述方法，为大规模的工程数据可视化提供了技术支持。

我国研究三维展示和虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）起步较晚，这些技术在电力系统的应用主要还局限于配电GIS领域，主要以接线图、数字图表、设备照片和现场录像等常规多媒体方式作为表现手段，其真实感、临场感和表现为都有待改进。随着虚拟现实、增强现实技术的发展和应用推广，采用VR、AR技术来为电力仿真系统构造虚拟环境，将大大提高电力场景的真实感和沉浸感，为VR、AR技术在电力系统中的应用带来质的飞跃。

在电力行业中，由于电的危险性，每一个生产环节都存在安全隐患；一旦发生事故，昂贵的电力设备损坏，损失惨重。利用AR技术建立的虚拟培训系统，可以降低危险，使各环节联系更加紧密，不仅能节省资金，而且使受训员工能进入每个部分深入了解，学到现实中无法接触的知识。良好的人机交互性，可提高员工的学习兴趣，提高效率。

大数据为电力行业带来了新的发展机遇，同时也提出了新的挑战。随着电力系统信息化建设不断深入，业务系统产生的数据量呈爆发式增长，电力系统不断面临海量数据存储以及业务系统存储升级成本较高、系统响应速度较慢等挑战。国网上海市电力公司于2016年开始大规模建设智能变电站，传统培训方案的效率无法满足现实需求。随着状态检修的推广，对作业人员带电作业的技能水平有更高的要求；电力大数据平台尚缺乏对变电运检精细化管理的支持。目前存在四方面的迫切需求：（1）一二次专业划分导致作业人员缺乏对变电站全貌的快速了解。非本职工作的工种缺乏模拟操作机会，培训效果不佳，导致各工种人员协同作业时较容易出现问题。（2）变电运检日常作业、紧急抢修、定期培训中采用人工排班、人工制定培训方案，未充分从培训者知识结构、身体状态和心理特征等方面分析与培训效果的相关性，实现排班过程的优化控制、信息的快速交互，未与公司中长期检修计划进行匹配和动态调整，不能持续有效改进培训的针对性和作业程序的适应性。（3）在设备故障排查时，实际抢修工作和培训排故考核中，未能充分综合利用数据采集与

监视控制系统（SCADA系统）等实时数据和修试记录等历史数据来指导工作，降低排查效率。缺乏有效融合概率统计分析方法和因果分析方法的方案。（4）在培训和实操过程中，或先查找图纸再作业，或是作业过程中停下来查看图纸再确认。因为查看资料时会占用双手，两者无法并行作业；图纸、技术说明书等资料无法实时快速查询和定位。

运用增强现实技术还能促进设备检修、设备资产管理方式的改变。长期以来我国电网电气设备检修策略主要采用以时间为标准的定期检修，存在着"检修过剩"和"检修不足"的缺陷，造成了检修费用的巨大浪费和设备可靠性的下降；目前，状态检修成为了热点，而状态检修的基础是状态评估，即对故障的部位、发展趋势做出判断，识别故障的早期征兆，而利用增强现实技术恰好能协助值班人员完成上述的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变电站运维人员虚拟操作培训系统，通过将增强现实技术应用于变电站运维人员的培训，有效的提高了培训的实效性。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征是，包含：

虚拟视觉组件，用于向作业者实时显示电力作业场景画面；

坠落虚拟组件，用于当作业者在电力作业场景中走行踏空时模拟踏空坠落的体感；

体感手套组件，包含手势识别模块以及触电模拟模块，用于当作业者违反安全规范时，模拟触电事故；

头部敲击模拟组件，用于当作业者违反安全规范时，模拟零件坠落事故；

虚拟控制系统，分别通讯连接坠落虚拟组件、虚拟视觉组件、体感手套组件以及头部敲击模拟组件。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中，所述的坠落模拟组件包含：

基座；

升降式平台，设置在基座中，该升降式平台包含平台板以及驱动该平台板升降的升降机构，且该升降机构连接所述虚拟控制系统。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中：

所述的基座包含底板；

所述的升降机构为液压油缸组，该液压油缸组的上端支顶于所述平台板下表面，该液压油缸组的下端固定与所述底板上。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中，所述的升降机构包含：

气动活塞，上端支顶于所述平台板下表面，下端固定于底板上；

排气阀，设置在气动活塞底部；

柱塞充气泵，设置在气动活塞底部。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中，所述的坠落模拟组件包含：

平台板，中心设有坠落开口；

两块翻转板，分别设置在坠落开口两个相对的侧边上；

闭锁装置，连接两块翻转板；

深坑，设置在坠落开口下方，该深坑内设置有缓冲垫。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中：

所述的虚拟视觉组件为VR 眼镜。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中：

所述的体感手套组件包含一对体感手套；每个所述的体感手套分别包含手掌护套以及连接该手掌护套的五个手指护套；每个手指护套分别包含两到三个指节；

所述的手势识别模组包含：三轴加速度计、三轴陀螺仪、若干角度传感器，以及分别连接三轴加速度计、三轴陀螺仪以及若干角度传感器的传感器综合模块；

在手指护套与手掌护套的连接处以及手指护套中各指节的连接处分别设置角度传感器。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中：

所述的触电模拟模块设置在手掌护套内，用于在所述模拟控制系统的控制下向作业者的手掌发出脉冲电压。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中，所述的头部敲击模拟组件包含：

安全头盔；

至少一个振动模拟单元，设置在安全头盔中，并且与模拟控制系统连接。

上述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其中：

在所述安全头盔的顶部、前额部、两侧耳部以及后脑勺部分别内置所述的振动模拟单元。

本发明与现有技术相比具有以下优点：通过将增强现实技术应用于变电站运维人员的培训，有效的提高了培训的真实性、实操性和有效性，可以更加有效的帮助作业人员理解安站的组成和分布。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的实施例一中系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一中升降式平台的结构示意图；

图4为本发明中安全头盔的结构示意图；

图5为本发明中体感手套组件的外观示意图；

图6为本发明中手势识别模组的结构框图；

图7为本发明实施例二中变电站运维人员虚拟操作培训系统的结构示意图；

图8为本发明实施例三中坠落模拟组件的翻转板处于闭合状态时的示意图；

图9为本发明实施例三中坠落模拟组件的翻转板处于开启状态时的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提出了一种变电站运维人员虚拟操作培训系统，包含：虚拟视觉组件3，用于向作业者实时显示电力作业场景画面；坠落虚拟组件2，用于当作业者在电力作业场景中走行踏空时模拟踏空坠落的体感；体感手套组件4，包含手势识别模块以及触电模拟模块，用于当作业者违反安全规范时，模拟触电事故；头部敲击模拟组件5，用于当作业者违反安全规范时，模拟零件坠落事故；虚拟控制系统1，分别通讯连接坠落虚拟组件2、虚拟视觉组件3、体感手套组件4以及头部敲击模拟组件5。所述的虚拟视觉组件3为VR 眼镜，并结合其余的模拟组件进行体感综合模拟。模拟控制系统1可以是一台计算机，其中预置有多种不同电力作业场景的程序，例如线路作业室外场景、主变室室内场景、开关室室内场景等。

如图2、3所示，本发明的一实施例中，所述的坠落模拟组件2包含：基座21；升降式平台22，设置在基座21中，该升降式平台22包含平台板221以及驱动该平台板221升降的升降机构222，且该升降机构222连接所述虚拟控制系统1。本实施例中，还可以包含设置在基座21一侧的台架23、设置在基座21上的扶手25以及设置在基座21另一侧的后备储物箱24，虚拟控制系统1设置在后备储物箱24中。

进一步的，所述的基座21包含底板；所述的升降机构222为液压油缸组，该液压油缸组的上端支顶于所述平台板221下表面，该液压油缸组的下端固定与所述底板上。液压油缸组由若干液压油缸组合而成。

如图7所示，本发明的另一实施例中，所述的升降机构222包含：气动活塞223，上端支顶于所述平台板221下表面，下端固定于底板上；排气阀224，设置在气动活塞223底部，排气阀224优选大口径排气阀；柱塞充气泵225，设置在气动活塞223底部。

如图8、9所示，另一些实施例中，所述的坠落模拟组件2包含：平台板221，中心设有坠落开口2211；两块翻转板226，分别设置在坠落开口2211两个相对的侧边上；闭锁装置227，连接两块翻转板226；深坑228，设置在坠落开口2211下方，该深坑228内设置有缓冲垫229。

如图5、6所示，所述的体感手套组件4包含一对体感手套；每个所述的体感手套分别包含手掌护套41以及连接该手掌护套41的五个手指护套；每个手指护套分别包含两到三个指节42；所述的手势识别模组包含：三轴加速度计433、三轴陀螺仪432、若干角度传感器431，以及分别连接三轴加速度计433、三轴陀螺仪432以及若干角度传感器431的传感器综合模块434；在手指护套41与手掌护套的连接处以及手指护套中各指节42的连接处分别设置角度传感器431。并且，本实施例中，指节42间的连接处以及指节42与手掌护套41的连接处设置有柔性连接结构。传感器综合模块434可根据各角度传感器431的检测结果确定使用者的手势，同时可根据三轴加速度计433以及三轴陀螺仪432的检测结果确定使用者双手的位置；传感器综合模块434通过通信数据线连接模拟控制系统1。

所述的触电模拟模块6设置在手掌护套41内，用于在所述模拟控制系统1的控制下向作业者的手掌发出脉冲电压。

如图4所示，所述的头部敲击模拟组件5包含：安全头盔51；至少一个振动模拟单元52，设置在安全头盔51中，并且与模拟控制系统1连接。较佳的，在所述安全头盔51的顶部、前额部、两侧耳部以及后脑勺部分别内置所述的振动模拟单元52。

本发明的工作原理如下：

在使用者进行培训过程中，模拟控制系统1可根据体感手套组件4准确地捕捉使用者的双手动作；使得使用者可以准确地对虚拟视觉模拟组件3显示的虚拟场景中显示的电气设备的虚拟模型进行操作；此外，模拟控制系统1还可根据使用者的手势对本实施例的虚拟操作培训系统进行控制，使用者可以通过手势进行选择任务、调节进度、快进、快退等操作。

如图1所示，当使用者违反安全规范时，可能会导致触电事故；本实施例中可通过设置在手掌护套41内部的触电模拟模块6模拟触电事故；当模拟控制系统1判定使用者法生触电事故时，模拟控制系统1通过数据线向触电模拟模块6发送电击信号，使得触电模拟模块6向使用者的手掌发出脉冲电压，以便模拟触电事故。

如图1、2、4所示，当使用者违反安全规范时，可能会导致零件坠落事故；头部敲击模拟组件5用于模拟头部遭受坠落物敲击或者外力敲击的体感，包括安全头盔51以及内置于其内的振动模拟单元52；安全头盔51为电力作业场景中常见的头盔形状，使用时佩戴于体验者的头部，在其内壁面顶部位置处设置有一个振动模拟单元52，整个振动模拟单元52以无线或有线的方式与模拟控制系统1连接通讯，本实施例中具体采用有线方式进行连接，振动模拟单元52可在模拟控制系统1的操作指令下通过振动模拟出不同类型的高空坠落物敲击头部的体感，并且可以模拟出来自于不同方向的外力或坠落物对于安全头盔9的敲击体感。

如图1~4所示，基于虚拟现实的电力安全体感综合模拟系统的工作和使用方法包括如下步骤：

S1、体验者经台阶23步入基座21上，并站立在升降式平台22的平台板221上，之后依次佩戴安全头盔51、体感手套组件4以及VR眼镜3；

S2、使用者可通过体感手套组件4在模拟控制系统1上选择所需模拟的电力作业场景，可以是线路作业室外场景、主变室室内场景、开关室室内场景等；

S3、VR眼镜3实时显示相对应的电力作业场景画面，体验者可在VR眼镜3显示的场景中配合体感手套组件4中观察到自己正在虚拟画面中进行作业；

S4、当体验者在VR眼镜3的虚拟画面中走行踏空时，模拟控制系统1向升降式平台22发送控制指令，从而模拟出体验者踏空坠落的体感；

S5、当体验者在VR眼镜3的虚拟画面中遭受高空坠落物敲击时，模拟控制系统1向安全头盔51中的振动模拟单元52发送控制指令，控制指令涉及敲击方向以及力度，根据敲击方向，安全头盔51中相应位置处的振动模拟单元52产生振动，从而模拟头部受到敲击的体感；

S6、当体验者在VR眼镜3的虚拟场景中操作错误，导致触电事故时，模拟控制系统1发出语音提示，同时模拟控制系统1控制触电模拟模块6向使用者的双手发出脉冲电压，以便模拟触电体感；此时，VR眼镜3的虚拟画面中也相应会出现按压电器设备操作面板的并产生工作人员触电的画面；

S7、当然，根据模拟操作系统1内的其它预置电力作业场景，结合VR眼镜3的使用，体验者也可以根据画面，对电力作业场景中的各类设备和场所进行认知学习。

本实施例的有益技术效果为：将VR技术应用于培训系统，提高了培训系统的真实性、实操性和有效性，可以更加有效地帮助作业人员理解全站的组成和分布。

在第一实施例中，控制指令涉及下降速度以及高度，液压油缸组在接到指令后急速下降以模拟出踏空坠落的体感。

如图7所示，另一些实施例中，当于坠落模拟组件2的升降机构222为气动活塞223时，气动活塞223的上端支顶于平台板221下表面、下端安装固定于所述基座21内的底板上；大口径排气阀224以及柱塞充气泵225均由模拟控制系统1控制；当柱塞充气泵225向气动活塞223充气时，气动活塞223将平台板221向上顶撑，并保持不动；当使用者触发坠落事件时，模拟控制系统1将各气动活塞223底部的大口径排气阀224打开，打开后各气动活塞223内的气压迅速下降，站立在平台板221上方的使用者随着平台板221迅速向下跌落；本实施例采用气动活塞223代替液压油缸的，其优点在于气动活塞223可以快速排出其内部的压缩空气，大大增加了平台板221以及使用者的坠落速度，使得坠落模拟过程更加具有真实性。

另一些实施例中，如图8、9所示，采用坠落开口2211设计可以更加逼真的演示坠落过程，在正常使用过程中，坠落开口2211的两个翻转板226处于图8所示的闭合状态；使用者站在两个翻转板226的上表面，闭锁装置227处于闭合状态；当使用者触发坠落事件，模拟控制系统1控制闭锁装置227开启，两个翻转板226在自重以及使用人员的重力作用下同时向下翻转，变成图9所示的开启状态，使用人员坠入深坑228。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于，包含：

虚拟视觉组件，用于向作业者实时显示电力作业场景画面；

坠落虚拟组件，用于当作业者在电力作业场景中走行踏空时模拟踏空坠落的体感；

体感手套组件，包含手势识别模块以及触电模拟模块，用于当作业者违反安全规范时，模拟触电事故；

头部敲击模拟组件，用于当作业者违反安全规范时，模拟零件坠落事故；

虚拟控制系统，分别通讯连接坠落虚拟组件、虚拟视觉组件、体感手套组件以及头部敲击模拟组件。

2.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于，所述的坠落模拟组件包含：

基座；

升降式平台，设置在基座中，该升降式平台包含平台板以及驱动该平台板升降的升降机构，且该升降机构连接所述虚拟控制系统。

3.如权利要求2所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于：

所述的基座包含底板；

所述的升降机构为液压油缸组，该液压油缸组的上端支顶于所述平台板下表面，该液压油缸组的下端固定与所述底板上。

4.如权利要求2所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于，所述的升降机构包含：

气动活塞，上端支顶于所述平台板下表面，下端固定于底板上；

排气阀，设置在气动活塞底部；

柱塞充气泵，设置在气动活塞底部。

5.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于，所述的坠落模拟组件包含：

平台板，中心设有坠落开口；

两块翻转板，分别设置在坠落开口两个相对的侧边上；

闭锁装置，连接两块翻转板；

深坑，设置在坠落开口下方，该深坑内设置有缓冲垫。

6.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于：

所述的虚拟视觉组件为VR 眼镜。

7.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于：

所述的体感手套组件包含一对体感手套；每个所述的体感手套分别包含手掌护套以及连接该手掌护套的五个手指护套；每个手指护套分别包含两到三个指节；

所述的手势识别模组包含：三轴加速度计、三轴陀螺仪、若干角度传感器，以及分别连接三轴加速度计、三轴陀螺仪以及若干角度传感器的传感器综合模块；

在手指护套与手掌护套的连接处以及手指护套中各指节的连接处分别设置角度传感器。

8.如权利要求7所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于：

所述的触电模拟模块设置在手掌护套内，用于在所述模拟控制系统的控制下向作业者的手掌发出脉冲电压。

9.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于，所述的头部敲击模拟组件包含：

安全头盔；

至少一个振动模拟单元，设置在安全头盔中，并且与模拟控制系统连接。

10.如权利要求1所述的变电站运维人员虚拟操作培训系统，其特征在于：

在所述安全头盔的顶部、前额部、两侧耳部以及后脑勺部分别内置所述的振动模拟单元。