本發明涉及電力系統仿真培訓領域，尤其涉及一種基于虛擬現實技術的變電站安全案例式仿真培訓方法。

背景技術：

變電站仿真培訓系統近年來廣泛用于變電站運行人員的培訓，主要采用桌面式虛擬現實模擬一次設備操作、二維接線圖模擬電網操作，人機交互主要采用鼠標鍵盤等交互方式。

在面向變電站安全的仿真培訓方面，電力培訓機構主要采用理論培訓、師傅帶徒弟和桌面式仿真培訓系統等方式開展技術技能培訓工作，這種方式存在生產培訓理論與實操分離，理論學習抽象、單調、枯燥，不便學員理解，在實操過程中，學員對操作規程和要點生疏，容易誤操作的問題。

現有技術對變電站安全事故的培訓一方面采用桌面式仿真培訓系統進行培訓，系統的真實感和交互體驗感與實際操作存在較大差異；另一方面對安全事故案例的培訓多常用固定的課件形式進行培訓，培訓案例需要開發廠家進行定制，教員無法根據教學的需要自主定義安全事故案例。

技術實現要素：

針對背景技術中的問題，本發明的目的在于提供一種基于虛擬現實技術的變電站安全案例式仿真培訓方法。

為了實現上述目的，本發明提出如下技術方案：

一種基于虛擬現實技術的變電站安全案例式仿真培訓方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

1.收集案例素材；

2.選取典型的安全事故案例；

3.形成典型案例表；

所述典型案例表是對所選擇的安全事故案例的完整過程描述；

4.案例梳理，梳理出關鍵事件和關鍵步驟；

5.形成案例腳本；

6.利用案例制作工具生成案例數據文件；

7.變電站安全事故案例的沉浸式應用交互。

進一步地，在步驟1中，所述案例素材包括事故快報、事故事件通報、事件調查報告書、事故視頻和動畫和事故調研報告。

進一步地，在步驟2中，所述案例選取的原則如下：

(1)優先選擇具有普遍性的常規典型案例；

(2)優先選擇專業崗位的重特大典型案例；

(3)優先選擇本地區本部門本單位發生的真實性典型案例；

(4)典型案例應具備針對性和代表性；

(5)典型案例應具備時效性和生動性。

進一步地，在步驟3中，所述完整過程描述內容包括事故經過、事故原因和事故分步驟。

進一步地，在步驟4中，所述關鍵步驟包括：

(1)電網規定的變電操作規范；

(2)操作票、工作票上規定的行為動作；

(3)負責人、監護人、操作人之間的對話；

(4)操作人的安全工器具選取；

(5)到達指定地點。

進一步地，在步驟4中，所述關鍵事件包括：

(1)電網操作和設備操作的動作效果；

(2)電網變電站設備的狀態變位事件；

(3)事故觸發效果展示。

進一步地，在步驟5中，所述案例腳本采取表格形式，將整個案例過程分解為過程對象和事件對象；

所述事件對象包括場景和事件現象；

所述過程對象包括場景、行為主體、行為類型、行為客體和行為內容。

進一步地，在步驟6中，所述案例制作工具通過可視化的形式編輯工具生成案例流程圖；

所述編輯工具通過鼠標鍵盤操作，實現案例圖元的新建、屬性編輯、流程圖布局編輯、圖元連接、圖元刪除和流程圖文件的加載保存功能。

進一步地，在步驟7中，所述沉浸式應用交互采用硬件設備為htcvive套裝，包括虛擬現實頭盔和動作捕捉操作手柄；

所述虛擬現實頭盔實現三維虛擬設備場景的顯示，虛擬現實頭盔中顯示的三維視景隨著使用人員的頭部姿態的變化而變化，從而實現沉浸感；

所述操作手柄上裝配有位置感應點，可通過空間位置追蹤器以光學位置追蹤方式獲取操作手柄的空間位置并傳遞給仿真主機。

進一步地，所述操作手柄上安裝有多個操作按鈕，當對操作按鈕進行操作時，可實現定義的交互操作，定義如下：

左手手柄上包括第一觸控板、第一菜單按鈕、第一系統按鈕、第一狀態指示燈、第一扳機和第一手柄按鈕；

所述第一觸控板實現拋物線快速定位；

按下第一菜單按鈕后會出現場景導航圖，在該模式下，左手手柄會出現選擇射線，當對準要定位的熱點時，按下第一扳機即可快速定位；

右手手柄上包括第二觸控板、第二菜單按鈕、第二系統按鈕、第二狀態指示燈、第二扳機和第二手柄按鈕；

按下第二觸控板，右手射出一條光線，對準場景中的設備對象會在視野中浮現出對象的提示信息；光線對準設備對象時按下第二扳機，實現設備對象狀態的檢查確認功能；

按下第二菜單按鈕后出現可選的三維工具，右手觸碰工具后握下第二手柄按鈕，工具會自動被握在手中。

按下第二手柄按鈕表示抓握，可實現抓握工具、門把手實現開門、搖動搖把功能；

第二扳機用于操作變電站控件，當第二手柄觸碰操作對象時，按下第二扳機按鈕即可完成操作。

本發明的有益效果為：

本發明提出一種虛擬現實技術的變電站安全案例制作方法，利用該方法，用戶可以自行構建出變電站典型安全生產案例，用戶可以不斷彌補和豐富沉浸式變電站仿真安全培訓案例，對電網安全生產中的典型的人身傷亡事故、典型生產事故進行分析，分析操作過程中出現的錯誤操作，存在的風險點，編輯制作適合培訓的正確規范的操作和錯誤操作相比對的雙重模擬案例，讓學員體會不同的操作所產生的不同后果，加深學習印象感受各種作業環境中存在的危險因素和不規范操作帶來的后果，用于提高學員的培訓效果。

本發明提出一種虛擬現實技術的變電站安全案例訓練的交互方法，利用該方法，使培訓者可以很直接地使用肢體動作，與虛擬成像出來的裝置或環境進行有效互動和任務操作，讓學員能親身體驗實際發生的生產事故，感觸各種作業環境中存在的危險因素和不規范操作帶來的后果，提高事故分析和處理能力。

附圖說明

圖1是本發明的技術方案主要步驟示意圖。

圖2是左手手柄或者右手手柄的正面結構示意圖。

圖3是左手手柄或者右手手柄的側面結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發明的具體實施方案作詳細的闡述。這些具體實施方式僅供敘述而并非用來限定本發明的范圍或實施原則，本發明的保護范圍仍以權利要求為準，包括在此基礎上所作出的顯而易見的變化或變動等。

圖1是本發明的技術方案主要步驟示意圖。

如圖1所示，本發明的技術方案包括以下步驟：

步驟1：案例素材的收集

案例素材為安全事故的信息載體，本發明收集事故快報、事故事件通報、事件調查報告書、事故視頻和動畫和事故調研報告等。

步驟2：案例選取

電力安全生產中存在大量可供培訓人員學習和參考的事故，不同的事故案例對培訓人員產生不同的引導和啟發。考慮到制作成本，需要從大量安全生產案例從選擇最具培訓價值的部分典型案例，因此需要挑選出典型事故用于制作可供培訓的案例。本發明選擇進行制作的案例的選取原則如下：

(1)優先選擇具有普遍性的常規典型案例

導致發生這類事故的原因大都是由于作業人員在電氣操作中安全意識淡薄、習慣性違章或誤操作所造成的危害事故，例如，錯接電源線，誤拉、合閘等。這類事故發生率很高，占事故的大多數，所以應優先先選擇此類案例。

(2)優先選擇專業崗位的重特大典型案例

在各種電氣裝置、設備的運行操作中，由于作業人員技術不熟練，工作能力差，操作不規范等都是造成這類事故的原因。例如，倒閘操作中的斷路器、隔離開關的不規范操作及變、配電裝置維護不當等。這類事故的發生率雖然不高，可一旦發生則危害性較大，造成的人員和財產損失都特別巨大，對社會影響較大，應引起特別重視，并充分利用這類案例對安全培訓者起到轟動和震撼作用。

(3)優先選擇本地區本部門本單位發生的真實性典型案例

這類案例具有更直接、更現實的教育意義，是培訓者在現場操作中親身經歷或耳聞目睹的實例，選擇這些案例，對于安全培訓能起到事半功倍的作用，講本地典型案例，用真人真事，用血的教訓提高培訓人員的安全意識，起到警鐘常鳴。

(4)典型案例應具備針對性和代表性。

針對性是指所選案例應根據培訓對象和培訓行業的不同有所區別。如所選用的案例不具代表性，培訓者就會認為與已無關，漠不關心，就達不到受教育的效果。針對性就是實用性；代表性就是典型性，都是能對每一個培訓者都有啟發教育意義。

(5)典型案例應具備時效性和生動性

時效性指所選用的案例應充分考慮事故發生的時間段，不要距今太久遠。因為電氣設備發展迅速，七八十年代的電氣設備與現在大不相同，操作方法與要求也有較大區別。同時要考慮案例的生動具體，扣人心弦，這樣才能引起培訓者的濃厚興趣，寓教于樂，起到警示、引以為戒的培訓和警示作用。

步驟3：形成典型案例表

典型案例表是根據案例素材根據案例選擇原則所選擇的安全事故案例的完整過程描述，內容包括事故經過、事故原因和事故分步驟描述，具體格式如下：

步驟4：案例梳理

一個典型案例中包括大量的事件和操作步驟，將所有事件和步驟都進行制作會導致案例用于培訓是過于繁瑣，為了提高培訓效率，在案例制作中梳理出關鍵事件和步驟加以重點制作。

本發明中關鍵步驟包括以下步驟：

(1)電網規定的變電操作規范

(2)操作票、工作票上規定的行為動作

(3)負責人、監護人、操作人之間的對話

(4)操作人的安全工器具選取

(5)到達指定地點

關鍵事件包括如下幾點：

(1)電網操作和設備操作的動作效果

(2)電網變電站設備的狀態變位事件

(3)事故觸發效果展示

步驟5：形成案例腳本

案例腳本為根據案例典型變電站的實際設備結構，對典型案例進行過程改編以適應典型變電場景結構。案例腳本采取表格形式，將整個案例過程分解為若干條過程和事件對象。事件記錄包括場景和事件現象兩個字段信息，而過程對象包括場景、行為主體、行為類型、行為客體和行為內容等字段信息。具體腳本格式如下：

步驟6：利用案例制作工具生成案例數據文件。

6.1.案例制作工具的編輯功能設計

案例制作工具實現可視化的形式編輯生成案例流程圖，該編輯工具通過鼠標鍵盤操作可實現案例圖元的新建、屬性編輯、流程圖布局編輯、圖元連接、圖元刪除和流程圖文件的加載保存等功能。

新建案例流程圖

加載案例流程圖

繪制流程圖元

繪制事件圖元

生成連接弧

選中圖元

編輯圖元屬性

刪除圖元

移動圖元

6.2案例流程圖的圖元類的數據結構

案例流程圖類：

圖元基類：

組圖元類‐圖元基類的子類,用于分組容納多個子圖元：

行為圖元類‐圖元基類的子類，描述角色的行為：

事件圖元類‐‐圖元基類的子類，描述場景中發生的事件：

連接弧圖元類‐‐圖元基類的子類，用于描述圖元之間的連接關系：

6.3案例流程圖的數據文件格式

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</case>

步驟7：變電站安全事故案例的沉浸式應用交互。

7.1典型案例庫應用模式設計

典型案例庫完整記錄了一個完整的事故案例所發生的三維變電站事件和電網事件，可用于正確的變電站操作，也可用于錯誤的操作，可用于變電站安全事故的學習、練習和考核等階段。本發明中應用的方式如下

(1)典型案例的學習和體驗功能。

典型案例可提供案例的可控制播放功能，學員可通過培訓客戶端完整的交互式瀏覽整個案例的全過程；學員也可以沉浸式體驗的方式，以跟隨視點的方式觀察整個典型案例的過程，通過體驗事故的震撼效果提高對安全教育的理解。

(2)典型案例的練習功能。

學員可通過扮演案例中某個角色的方式，以單人模式或多人模式進行案例對應的培訓任務的練習，系統可根據案例中的流程信息對學員進行操作指導和提示。

(3)典型案例的考核功能。

教員可對學員指定某個典型案例進行考核，學員在操作中，如果違反了安全規程或正確的操作流程，則扣除對應的分數，最終根據學員的整體操作流程對學員進行考核和評價。

7.2沉浸式交互設計

本發明采用硬件設備為htcvive套裝，包括虛擬現實頭盔和動作捕捉操作手柄。虛擬現實頭盔可實現三維虛擬設備場景的顯示，虛擬現實頭盔中顯示的三維視景隨著使用人員的頭部姿態的變化而變化，從而實現沉浸感。操作手柄用于捕捉使用者的雙手空間位置和操作控制信息，操作手柄上裝配有位置感應點，可通過空間位置追蹤器以光學位置追蹤方式獲取操作手柄的空間位置并傳遞給仿真主機；如圖2和圖3所示，操作手柄上安裝有多個操作按鈕，當對操作按鈕進行操作時，可實現定義的交互操作，定義如下：

1)左手手柄的功能設計

觸控板實現拋物線快速定位

菜單按鈕按下后會出現場景導航圖，在該模式下，左手手柄會出現選擇射線，當對準要定位的熱點時，按下扳機即可快速定位。

2)右手手柄的功能設計

觸控板：按下實現右手射出一條光線，對準場景中的設備對象會在視野中浮現出對象的提示信息；光線對準設備對象時按下扳機，實現設備對象狀態的檢查確認功能。

菜單按鈕：按下后在眼前出現可選的三維工具，右手觸碰工具后握下手柄按鈕，工具會自動被握在手中。

手柄按鈕：按下表示抓握，可實現抓握工具、門把手實現開門、搖動搖把等功能。

扳機：用于操作變電站控件，當手柄觸碰操作對象時，按下扳機按鈕即可完成操作。其中操作復位按鈕時按下扳機按鈕立刻完成；而操作左右擰的操作把手時，按下扳機后保持按下狀態，然后向左右旋轉一定角度實現向左至位或向右至位；操作上下退的空開時，按下扳機后保持按下狀態，然后手柄向上下方向運動一定距離實現狀態切換。