CN110706542A - 一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，包括立体头盔、4D踏板、数据手套和主控设备。立体头盔与主控设备连接，并设置有第一数据追踪器，用于接收主控设备发送的操作视频信号并显示操作视频，并向主控设备发送第一数据追踪器采集的第一追踪信号；4D踏板与主控设备信号连接，用于根据主控设备发送的控制信号对受训人员进行坠落或触电培训；数据手套与主控设备信号连接，并设置有第二数据追踪器，用于向主控设备发送第二数据采集追踪器采集的第二追踪信号；主控设备用于接收第一追踪信号和第二追踪信号，并发送控制信号和操作视频信号。通过该系统可以在平时培训中给与受训人员较为真实的现场体验式培训，从而提高了培训效果。

Description

一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统

技术领域

本申请涉及电力技术领域，更具体地说，涉及一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统。

背景技术

对于任何工矿企业来说，安全生产大于天，其不仅关乎企业的正常生产，更关乎宝贵的生命财产安全，因此，任何工矿企业必须为安全生产采取必要的安全措施。

安全措施包括硬件安全措施和安全规章制度，硬件安全措施如消防设备、救护设备等，安全规章制度用于规范生产管理人员的日常生产活动，避免违规违法操作。除此之外，还必须对生产操作人员以及管理人员进行规范培训，以使每个生产管理人员。特别是电网企业这种高危行业，安全生产更是日常管理中的重中之重，必须予以高度重视。

然而，目前电网企业的安全培训中偏重理论学习，脱离实践，尤其是新员工对电网企业的生产过程并不熟悉，仅仅通过理论培训学习，意识不到危害的破坏性和严重性，理论与实践难以结合，严重脱离实践。平时培训中仅仅将书本知识和案例动画搬到课堂之上，老师讲、学生听，说教多、互动少，缺乏获取知识的亲身体验感。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，用于对电网企业的员工进行现场体验式培训，以提高培训效果。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，包括立体头盔、4D踏板、数据手套和主控设备，其中：

所述立体头盔与所述主控设备信号连接，并设置有第一数据追踪器，用于接收所述主控设备发送的操作视频信号，并向佩戴所述立体头盔的受训人员显示操作视频，并向所述主控设备发送所述第一数据追踪器采集的第一追踪信号；

所述4D踏板与所述主控设备信号连接，用于接收所述主控设备发送的控制信号，并根据所述控制信号对所述受训人员进行坠落或触电培训；

所述数据手套与所述主控设备信号连接，并设置有第二数据追踪器，用于向所述主控设备发送所述第二数据采集追踪器采集的第二追踪信号；

所述主控设备用于接收所述第一追踪信号和第二追踪信号，并发送所述控制信号，还用于生成所述操作视频并向所述立体头盔输出所述操作视频信号。

可选的，所述主控设备包括人体触电体感虚拟模块、典型安全事故体感虚拟模块、应急培训体感虚拟模块、技能培训体感虚拟模块、游戏体感虚拟模块和高空作业体感虚拟模块。

可选的，所述人体触电体感虚拟模块包括绝缘手套体感虚拟单元、电弧灼伤体感虚拟单元、带电剪线体感虚拟单元、设备漏电体感虚拟单元、跨步电压体感虚拟单元、线路过载体感虚拟单元、带负荷拉/合闸体感虚拟单元、线路断相体感虚拟单元。

可选的，所述应急培训体感虚拟模块包括人身伤害应急体感虚拟单元和突发事件应急体感虚拟单元。

可选的，所述技能培训体感虚拟模块包括安全行为测试体感虚拟单元和模拟设备运行体感虚拟单元。

可选的，所述高空作业体感虚拟模块包括线路行走体感虚拟单元、坠物打击体感虚拟单元、线路倒杆体感虚拟单元、安全带断裂体感虚拟单元、高空坠落体感虚拟单元和脚扣踏板断裂体感虚拟单元。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，包括立体头盔、4D踏板、数据手套和主控设备。立体头盔与主控设备信号连接，并设置有第一数据追踪器，用于接收主控设备发送的操作视频信号，并向佩戴立体头盔的受训人员显示操作视频，并向主控设备发送第一数据追踪器采集的第一追踪信号；4D踏板与主控设备信号连接，用于接收主控设备发送的控制信号，并根据控制信号对受训人员进行坠落或触电培训；数据手套与主控设备信号连接，并设置有第二数据追踪器，用于向主控设备发送第二数据采集追踪器采集的第二追踪信号；主控设备用于接收第一追踪信号和第二追踪信号，并发送控制信号，还用于生成操作视频并向立体头盔输出操作视频信号。通过该系统可以在平时培训中给与受训人员较为真实的现场体验式培训，从而提高了培训效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。

图1为本申请实施例的一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统的框图。

图2为本申请实施例的电力作业体感培训系统的一种主控设备的框图；

图3为本申请实施例的电力作业体感培训系统的另一种主控设备的框图；

图4为本申请实施例的电力作业体感培训系统的又一种主控设备的框图；

图5为本申请实施例的电力作业体感培训系统的又一种主控设备的框图；

图6为本申请实施例的电力作业体感培训系统的又一种主控设备的框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例的一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统的框图。

如图1所示，本实施例提供了的电力作业体感培训系统基于沉浸虚拟技术，通过相应硬件和软件为受训人员提供电力作业培训，该系统包括立体头盔10、4D踏板20、数据手套30和主控设备40。其中，该主控设备通过数据线或者通过无线方式分别于该立体头盔、4D踏板、数据手套信号连接。

该系统的软件系统包括立体显示系统、位置追踪系统、交互控制系统和触觉体验系统。立体显示系统可以显示已建立的电力虚拟作业场景，将培训人员整体的感觉、视觉和触觉置于已建立的电力虚拟作业场景之中，增强体验真实感，使作业人员在虚拟情境中能够身临其境地进行施工作业操作。

位置追踪系统可以精准定位培训人员在电力虚拟作业场景中的位置坐标，将数据手套和头戴式立体显示器所处的位置坐标利用位置追踪传感器输送到主机。交互控制系统是培训人员进行虚拟化实操作业时的输入输出控制系统，利用数据手套和传感器通过沉浸虚拟技术支撑平台数据传递，培训人员在虚拟电力作业场景进行模拟操作，根据操作人员的动作来获取变换操作场景的信息，变换作业场景，同时对作业过程及风险作业事件进行预处置。

触觉体验系统是培训人员在虚拟作业过程中如若发生操作失误、违章作业等模拟事故，在保证培训人员人身安全的前提下，将实际事故的物理后果状态反馈给培训人员，让操作人员能够切身体验操作失误或违章作业所带来的严重后果。

在实施培训时，受训人员正确佩戴该立体头盔和数据手套，并站立在该4D踏板上，根据系统或指挥人员的声音提示进行相应的实训。

该立体头盔上设置有第一数据追踪器，该追踪器用于检测受训人员的头部在相应空间内的位置、方向、姿态等数据，产生相应的第一追踪信号并输出到主控设备中，主控设备根据该第一追踪信号向立体头盔输出操作视频信号，该立体头盔利用该信号向受训人员显示操作视频。即实现上述立体显示系统的功效。

该操作视频通过建立培训内容的3DS MAX软件建模，采用第一人称的观察角度和操作习惯完成。具体来说，首先建立培训内容的二维模型；然后，利用3DS MAX软件将其转化为三维模型，同时保证转化过程的精准度和合理性；最后，将该三维模型导出，转为为FBX格式文件，利用unity软件进行动画设计，生成该操作视频。

该数据手套设置有第二数据追踪器，该第二数据追踪器用于检测数据手套在当前空间内的位置、运动方向、姿态等第二追踪数据，并输出到该主控设备中，实现相应的模拟操作。

该4D踏板用于接收主控设备输出的控制信号，该控制信号用于使站立其上的受训人员得到坠落或者触电培训。例如，定制特效开发环境，实现培训系统对操作场景的模拟，采用环境特效设备模拟刮风和下雨作业环境。当播放人物攀爬铁塔动画时，踏板同步缓慢升高；在高空作业操作失误导致人员坠落，踏板同步高速下降，培训人员体验高空跌落效果；亦或是由于人为违章操作或操作失误导致人身触电，踏板会同步释放电脉冲，培训人员体验到违章操作或操作失误所带来的现实物理触电效果。

主控设备用于接收上述的第一追踪数据、第二追踪数据，并输出该控制信号和操作视频信号。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，包括立体头盔、4D踏板、数据手套和主控设备。立体头盔与主控设备信号连接，并设置有第一数据追踪器，用于接收主控设备发送的操作视频信号，并向佩戴立体头盔的受训人员显示操作视频，并向主控设备发送第一数据追踪器采集的第一追踪信号；4D踏板与主控设备信号连接，用于接收主控设备发送的控制信号，并根据控制信号对受训人员进行坠落或触电培训；数据手套与主控设备信号连接，并设置有第二数据追踪器，用于向主控设备发送第二数据采集追踪器采集的第二追踪信号；主控设备用于接收第一追踪信号和第二追踪信号，并发送控制信号，还用于生成操作视频并向立体头盔输出操作视频信号。通过该系统可以在平时培训中给与受训人员较为真实的现场体验式培训，从而提高了培训效果。

在本申请中，该主控设备包括人体触电体感虚拟模块、高空作业体感虚拟模块、应急培训体感虚拟模块、技能培训体感虚拟模块、典型安全事故体感虚拟模块和游戏体感虚拟模块六大功能模块，如图2所示。

人体触电体感虚拟模块包括绝缘手套触电体感虚拟单元、电弧灼伤体感虚拟单元、带电剪线体感虚拟单元、设备漏电体感虚拟单元、跨步电压体感虚拟单元、线路过载体感虚拟单元、带负荷拉/合隔离刀闸体感虚拟单元和线路断相体感虚拟单元，如图3所示。

绝缘手套触电体感虚拟单元用于模拟施工作业人员是否佩带绝缘手套进行施工作业所带来的触电体感，受训人员如若未佩戴绝缘手套，则会体验触电的后果。

电弧灼伤体感虚拟单元用于模拟10kV架空线路中施工作业人员因操作不当使线路产生高压电弧，模拟人体被高压电弧灼烧的情况，让受训人员掌握预防电弧伤害的方法，深刻体会佩戴安全防护用具的重要性。

带电剪线体感虚拟单元用于模仿施工作业人员使用绝缘钳进行带电剪线操作，对比违章操作或操作失误所造成的不同剪线后果，让受训人员掌握正确的带电剪线方式和方法，从而保证自身安全。

设备漏电体感虚拟单元用于对比用电设备在未加漏电保护装置和加装保护装置下的漏电情况，受训人员通过虚拟现实设备对设备外壳带电情况的检测，体验漏电危险。

跨步电压体感虚拟单元用于模拟带电线路接地短路现场，受训人员通过采用正常行走、单脚跳跃或双脚跳跃等不同的行走方式来获取不同的触电体感，引导受训人员掌握正确的逃离带电区域的方法，保证自身生命安全。

线路过载体感虚拟单元用于模拟一根载流量为20A的铜导线，导线长时间流过过载电流，致使导线发热发烫，加速导线老化，引起火灾，让受训人员养成检查线路安全的好习惯。

带负荷拉/合隔离刀闸体感虚拟单元用于模拟施工作业人员违章操作带负荷拉/合隔离刀闸，造成电弧无法熄灭，甚至飞溅，造成烧坏设备，破坏周围的绝缘环境，让受训人员在视觉和触觉上产生强烈的冲击。

线路断相体感虚拟单元用于模拟10kV电力系统发生单相断相故障，演示线路发生断相时击穿线路的绝缘薄弱点，让受训人员深刻认识线路断相对负荷的严重后果。

高空作业体感虚拟模块包括线路行走体感虚拟单元、坠物打击体感虚拟单元、线路倒杆体感虚拟单元、安全带断裂体感虚拟单元、高空坠落体感虚拟单元和脚扣踏板断裂体感虚拟单元六大功能单元，如图4所示。用于模拟发生高处坠落的场景，通过4D踏板同步急速下降，使受训人员在视觉上体验急速下落的视觉冲击和高空坠落时坠落感以及人体撞击地面的撞击感。

线路行走体感虚拟单元用于模拟施工作业人员在220kV铁塔四分裂导线上行走的场景。通过显示设备模拟高空，利用4D踏板模拟线上行走时线路产生的晃动感，使受训人员掌握在塔间带弧度的输电线路上行走的正确方法，深刻认识到做好防止高空坠落措施的重要性。

坠物打击体感虚拟单元用于模拟高空坠物对已佩戴安全帽的施工作业人员的头部进行打击的场景，让受训人员切身体验高空坠物产生的冲击力，促使受训人员深刻认识施工作业时佩戴安全帽的重要性，作业前主动落实安全防护措施。

线路倒杆体感虚拟单元用于模拟施工作业人员登杆作业时发生线路倒杆事故，杆体下部的变化以及杆上作业人员的同步感受。通过线路倒杆体验，让受训人员深刻认识倒杆事故的危害并掌握倒杆故障的逃生方法，认识到登杆操作前对杆身检查的重要性。

安全带断裂体感虚拟单元用于模拟施工作业人员使用安全带时，突然发生安全带断裂的极端故障，让受训人员深刻认识到：登高作业之前，检查安全带是否合格的必要性以及正确使用安全带的重要性。

高空坠落体感虚拟单元用于模拟施工作业人员从高空坠落的场景，4D踏板同步急速下降，使受训人员感受高空坠落时对地面的撞击力，认识高空坠落事故对人体的伤害的严重程度以及做好高空作业安全措施的重要性。

脚扣踏板断裂体感虚拟单元用于模拟施工作业人员使用脚扣时突然发生踏板断裂的极端事故，让受训人员深刻认识到在登高作业之前检查登高工具是否合格以及正确使用脚扣的重要性。

应急培训体感虚拟模块包括人身伤害应急体感虚拟单元和突发事件应急体感虚拟单元两部分，如图5所示，通过模拟突发事故，让受训人员掌握应对突发事故的技能。

人身伤害应急体感虚拟单元用于模拟施工作业人员在杆塔上受到伤害，采用正确的高空救援方法，防止二次伤害。通过采用急救复苏模拟人进行实训，让受训人员掌握急救复苏的基本技能。

突发事件应急体感虚拟单元用于模拟发生火灾、爆炸等突发事故，让受训人员掌握疏散、逃生等现场应急处置方法。

技能培训体感虚拟模块包括安全行为测试体感虚拟单元和模拟设备运行体感虚拟单元两部分，如图6所示。通过技能培训体感虚拟模块的培训，使受训人员能够以第一人称的角度切身观察设备的外形结构和内部设计原理，进而加强自身安全行为。

安全行为测试体感虚拟单元用于模拟施工作业人员现场实操、多媒体互动等多种形式进行测试，主要包括带电挂(拆)接地线(接地刀闸)、开关柜操作、互感器运维、受限空间作业等安全工器具使用测试、现场实操测试、多媒体互动测试、不规范动作查找测试以及电力安全作业行为评价等多种功能测试，让受训人员能够切身加强自身安全行为的测试。

模拟设备运行体感虚拟单元用于使受训人员以第一人称的角度切身观察设备的外形结构和内部设计原理，深刻认识到设备的内外部结构及工作原理，加深对施工作业任务的理解。

典型安全事故体感虚拟模块用于以第一人称的角度，渲染施工作业的场景，体验安全事故带来的严重后果，起到安全警示的作用。

例如：2018年3月17日，××公司10kV xx线路更换导线时，一名作业人员在杆上作业时开始使用叉车牵引导线，导致倒杆，作业人员受伤。以第一人称的表现形式来渲染画面，让参与者直观看到杆塔的周围环境，重点渲染事故发生前，工作人员所处的危险处境，随后以第一人称的形式渲染受伤后的恐怖后果，参与者在全视角虚拟场景里，有身临其境之感，使工作人员深刻感受到安全的重要性。

游戏体感虚拟模块用于以作业安全体感平台中各类体感项目为游戏元素，将电力安全工作规程、专业技术技能知识要点等融入到游戏元素中，通过角色扮演方式，以个人或团队形式完成各级别工作任务。按照员工门户账号，确立系统唯一账号密码，一人一号，采用积分制度，依照作业安全体感区功能划分，由受训人员进行闯关、积分，并展示个人成绩排名，关卡排名。受训人员每完成一个体感项目并达到考核标准，可以获得相应的电力安全系数分值；每个体感区域设置一个任务(由易到难)，完成区域任务后即可进入下一区域继续游戏。

在利用本系统进行培训时，受训人员正确佩戴装配数据追踪器的立体头盔和数据手套，踩在4D踏板上，根据门户账号登录作业体感培训系统，根据界面提示内容选择专业和选择任务，开始作业安全体感培训。

系统根据选择任务切换操作场景，受训人员以第一视角进入施工作业现场，提前做好安全防护措施，根据所选场景及工作任务排查安全隐患。准备阶段结束后，受训人员在模拟场景中开展施工作业，根据语音提示逐项完成作业内容。若受训人员操作正确，则继续下一步；若受训人员施工作业过程中出现操作失误或违章作业，则受训人员会体验该作业任务发生操作失误或违章作业所造成的事故产生的相应的物理后果。受训人员接受完事故处罚后，通过重新开始作业操作。

培训结束，系统将培训整个操作过程记录到受训人员自身安全培训档案，纳入培训积分管理，作为员工岗位调整、绩效考核以及人才选拔的重要依据。应用“大数据”技术对培训人员错误操作进行统计分析，分析出出错率高的操作，并将展示结果告知培训人员，让其时刻注意出错率高操作，提醒稽查人员在稽查过程中予以重视。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于沉浸虚拟技术的电力作业体感培训系统，其特征在于，包括立体头盔、4D踏板、数据手套和主控设备，其中：

所述立体头盔与所述主控设备信号连接，并设置有第一数据追踪器，用于接收所述主控设备发送的操作视频信号，并向佩戴所述立体头盔的受训人员显示操作视频，并向所述主控设备发送所述第一数据追踪器采集的第一追踪信号；

所述4D踏板与所述主控设备信号连接，用于接收所述主控设备发送的控制信号，并根据所述控制信号对所述受训人员进行坠落或触电培训；

所述数据手套与所述主控设备信号连接，并设置有第二数据追踪器，用于向所述主控设备发送所述第二数据采集追踪器采集的第二追踪信号；

所述主控设备用于接收所述第一追踪信号和第二追踪信号，并发送所述控制信号，还用于生成所述操作视频并向所述立体头盔输出所述操作视频信号。

2.如权利要求1所述的电力作业体感培训系统，其特征在于，所述主控设备包括人体触电体感虚拟模块、典型安全事故体感虚拟模块、应急培训体感虚拟模块、技能培训体感虚拟模块、游戏体感虚拟模块和高空作业体感虚拟模块。

3.如权利要求2所述的电力作业体感培训系统，其特征在于，所述人体触电体感虚拟模块包括绝缘手套体感虚拟单元、电弧灼伤体感虚拟单元、带电剪线体感虚拟单元、设备漏电体感虚拟单元、跨步电压体感虚拟单元、线路过载体感虚拟单元、带负荷拉/合闸体感虚拟单元、线路断相体感虚拟单元。

4.如权利要求2所述的电力作业体感培训系统，其特征在于，所述应急培训体感虚拟模块包括人身伤害应急体感虚拟单元和突发事件应急体感虚拟单元。

5.如权利要求2所述的电力作业体感培训系统，其特征在于，所述技能培训体感虚拟模块包括安全行为测试体感虚拟单元和模拟设备运行体感虚拟单元。

6.如权利要求2所述的电力作业体感培训系统，其特征在于，所述高空作业体感虚拟模块包括线路行走体感虚拟单元、坠物打击体感虚拟单元、线路倒杆体感虚拟单元、安全带断裂体感虚拟单元、高空坠落体感虚拟单元和脚扣踏板断裂体感虚拟单元。

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