3D仿真技术在电力生产作业规范中的应用.doc

3D仿真技术在线路作业规范中的研究与应用一、开展该项目工作的背景电力企业的不断发展和电网安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来巨大的动力和效益，线路电压等级和发电装机容量的不断提高，给工农业用电和人民生活需求带来了有力的保证。提高供电可靠性已成为供电企业一项重要任务，近年来，随着特高压、大电网建设步伐的不断加快，对电网企业员工的业务技能水平提出了越来越高的要求。但长期以来，由于电力系统具有资金密集型、技术密集型等特殊性，很多时候不可能让员工在实际运行中的设备开展技能培训，传统的书面文字资料培训不够形象直观，无法阐述出线路一些复杂的专业操作和作业时有可能危及人身和设备的风险，员工往往不能理解其中的意思就造成参与积极性不高、培训效果较差，导致一线员工业务技能难以得到实质性的提高，以至于很多安全生产事故往往由于企业员工业务技能无法满足实际工作需要而发生有章不循、违章作业的情形出现，员工业务技能水平差已成为长期制约企业安全发展的一个重要因素，为企业的安全生产埋下了极大的安全隐患。当前，3D动画作为近年来一门飞速发展的新兴技术，在社会各行各业中突显出其无法比拟的优越性，它能以3D动画的方式来显示现实世界以及模拟人们无法直接观察到的世界、过程及细节等的信息。通过3D动画与电力系统作业过程的紧密结合，将各项作业规范进行动画仿真，将3D动画这一全新方式作为安全教育培训的重要载体，能够在很大程度上解决以往传统培训方式枯燥乏味、员工参与积极性不高、培训效果较差的不良局面，一线员工业务技能水平也将有望得到大幅提升，企业安全生产的基石得到进一步巩固。二、研究的原因和必要性通过调研发现，传统的培训重理论，轻实际，参加培训需要从生产中抽调人员，打乱正常排班，影响日常工作，培训效果不佳。一线员工，特别新工员的业务技能想要得到提高，很多时候不可能在实际运行中的设备开展技能培训，这就制约了员工的业务技能提高，很多安全生产事故往往是由于员工业务技能无法满足实际工作需要而发生，经对我所的输电线路32项作业过程进行风险评估，梳理出446项风险。其中：按风险等级分：高风险：24项，中风险250项，低风险91项，可忽略的风险81项。各作业类别风险分布作业类别高风险中风险低风险可忽略的风险线路巡视07144线路预试11477停电作业171001621临近带电体作业638811带电作业0542038区域外037260合计242509181按照风险等级划分，将输电线路中等及以上风险作业进行分析，找出具有代表性的典型作业，将各项作业类型分层细化，应用3D技术建立输电专业三维模型，再融入作业场景，就能解决不可视、不可摸、不可入、危险性大的场所的仿真与培训等问题，基于虚拟现实技术的3D仿真技术，不仅投资低，而且不受时间、空间限制，有助于解决传统培训设备不足、型号落后、难以更新换代跟上电力发展的困难，提高作业培训的技术水平，其应用前景十分广阔。三、研究的内容及意义为贯彻落实体系化、精益化管理的工作要求，按照安全风险管控等级，识别出2012年输电线路作业的关键任务：（10kV 线路采用绝缘作业法带电搭接引流线；35kV线路采用卡具地电位作业法带电更换（单回）耐张串绝缘子； 110kV线路采用等电位作业法带电修补导线；110kV线路采用绝缘操作杆火花间隙法带电检测零值绝缘子；110kV线路采用绝缘滑轮组地电位作业法带电更换（单回）直线绝缘子串；220kV线路采用地电位作业法带电更换V串绝缘子串；500kV采用间接作业法带电更换直线串任意单片绝缘子；500kV线路采用等电位作业法带电更换L串绝缘子；500kV线路采用等电位作业法带电更换间隔棒；500kV线路采用等电位作业法带电更换直线串（垂直）绝缘子串），分别对这10项带电作业进行3D动画仿真制作，作业过程把作业指导书、安风体系、精益化等要求揉进了动画：（1、现场勘测；2、危害辨识与风险评估；3、办理工作许可手续；4、班前会；5、工器具准备；6、开始作业；7、办理工作终结手续；8、班后会）。使整个内容形成一个规范化流程，使得流程清晰化，作业标准化。图1现场勘测 图2危害辨识与风险评估图3办理工作许可手续图4班前会图5工器具准备图6作业过程图7办理工作终结手续图8班后会带电作业作为保障线路运行可靠性的重要手段，是一项危险性较大、技术含量较高的作业过程，要求作业人员在具备扎实的带电作业理论知识和良好的技术水平的基础上，具有很高的熟练程度。为了消除带电作业人员对带电设备的恐惧，提升带电作业人员的操作技能，增强带电作业人员的安全意识，对作业人员进行带电作业培训具有重要意义。传统的输电线路带电作业培训主要是通过举办多种形式的学习班、培训班、研讨班对作业人员进行理论强化，建立专业培训基地进行现场操作演练等。但受场地、天气、技术水平的限制，培训范围和效果并不理想，不能有效满足带电作业人才需求。3D技术其特点是利用计算机防真技术在三维动画软件系统中参照真实环境来仿真环境，通过计算机的硬件设备来模拟现场规范化作业，使人体的视觉、听觉和触觉等如真实感知，参与者在其中产生与在真实环境中相同或相似的体验。建立起输电线路带电作业的仿真培训系统。通过模拟现场作业环境和操作流程，实现基于计算机的仿真培训系统，使学员在虚拟现实的环境中形象、直观地了解并掌握标准的输电线路带电作业方法。四、研究过程1组件树的构建三维仿真建模是建立输电线路带电作业仿真系统，以形象、直观、准确地展现各电压等级典型带电作业方法的前提。三维仿真建模首先要对仿真对象进行系统、有层次的划分，在此基础上，根据线路组件的功能和带电作业工器具的种类确定对象的类型，按分类对所需的作业设备、工具等逐层分级至最小单元建立三维模型，如表1 所示。通过参考施工图纸及对各类工具测量尺寸进行等比例建模，可保障仿真系统的准确度和模型的可复用性，建立起输电专业通用型的模型库。 表1带电作业组件表杆塔类10kV500kV单杆直线、单杆耐张、单杆带断路器直线杆、耐张杆（单串绝缘子、双串绝缘子）直线塔、耐张塔（单串绝缘子、双串绝缘子）绝缘工具操作杆类检测杆、操作杆、吊线杆、拉板、托瓶架等绳索类各类绝缘绳索、绳套、滑轮组小工具类滑轮、翻转滑轮、软梯挂架等金属工具卡具类各类闭式卡具、自封卡、横担卡、翼形卡、大刀卡等丝杆类普通丝杆、滚轴丝杆、液压丝杆、横担丝杆等小工具类取销器、吊瓶钩、转接头、钳子、扳手、扶正器等电动工具机动工具机动绞磨、发电机、压接钳、破坏钳等安全用具安全帽、安全带、屏蔽服、防静电服、绝缘靴、护目镜、接地线等检测工具场强仪、风速仪、火花检测器、电阻检测仪、兆欧表、绝缘检测仪等金具配件接续金具、连接金具、保护金具、各类型绝缘子等辅助工具铁锤、地锚、钢绳套等作业环境山地环境、平原环境、城市环境、办公室环境、工程车辆等人物模型工作负责人、地面电工、等电位电工等其它2三维仿真三维动画的制作涉及机械制图、三维建模、工程力学、流体力学、骨骼动画、摄影摄像、环境灯光、材质贴图、平面设计、渲染输出等专业学科，是一项综合性、团队性开发项目，开发制作过程复杂，工作量较大，需要多专业人员组建工作组配合完成，并且对开发制作的工作站配置要求较高，前期设备投资成本依据组合场景的模型数量而定，场景越大投资成本越高。带电作业的模拟环境、设备、工具模型是构建输电线路带电作业仿真系统的基础，以各类标准为依据，结合作业指导书及专家现场实际作业技能编写剧本，分配场景及镜头，采用Photoshop处理各类材质，利用3DMAX或MAYA建立各类制作规范化的作业动画，采用mental ray或VR渲染出高质量三维动画素材，流程如下图：建立模型并组建场景贴图材质处理材质贴图建立场景灯光及摄像机规范化作业动画制作渲染输出动画片断3后期合成动画制作完成后采用MT或VR渲染器利用图形渲染工作站将颜色层 高光层 阴影层 景深层 反射层分层渲染，最后将这些层叠加在一起，渲染出最终动画片断。采用Effects制作动画片断中特效，如电场转移时的放电、人员触电、绝缘击穿等风险特效场景，采用Edius或VideoStudio Pro进行后期编辑，对动画片断进行剪辑组合，对作业流程进行字幕介绍，由专业配音人员对作业过程进行同步本意，最后渲染输出完成最终效果。Effects制作特效编辑风险及控制措施VideoStudio Pro编辑输出成品五、研究成果项目形成的论文3D仿真技术在线路作业规范中的研究与应用已发表至国家级刊物科技传播第14期，已形成110kV-500kV典型带电作业3D动画教程一套，现已申请中化人民共和国知识产权局版权。六、结论电力系统安全生产条例通常制定的非常完备。但是由于作业人员的工作素质，身体状况等一系列原因，习惯性违章在特种作业的行业中具有很强的普遍性、反复性和顽固性。据统计，90%以上的事故都因习惯性违章造成，严重危及人身、设备、生产安全。因此，有效地控制习惯性违章现象是预防事故的关键点。系统的应用能够将培训效果与实际作业无限贴近，而系统的便捷性使作业人员都能够很方便的使用，结合系统的智能纠错、作业内容验证等功能，使员工将标准、规范的作业步骤、内容、注意事项等牢记于心，从根本上改变了习惯性违章。新进员工可以通过培训掌握标准、规范的作业方法， 避免老带新的正确习惯和错误习惯同时继承的弊端。经过该研究项目各部分负责人的付出与努力，在彼此相互协作下，我项目组顺利将该项目研制开发完成，最终形成了输电线路各项生产作业的3D仿真动画教程。该项目得以充分认可与实施，给整个输电线路作业方面带来了很大效益，在员工培训方面增加了培训合格率，缩短了培训时间；在实际操作中增强了技能人员的熟练程度，减少了作业时间；让整个作业流程风险得以控制，同时还将作业技能固化并以传承。七、下步工作建议3D仿真动画教程的制作只是精益项目建设的一个开端，将作为后期带电作业多媒体管理触摸屏系统的一个基础教学部分及常见风险演示部分，是一套可用于一线生产管理及教学为一体的综合软件系统，系统包含作业管理、风险控制单管理、作业指导书管理、工器具出入库管理、作业技能培训、理论考核、作业规范化演示、作业风险演示与控制等。带电作业多媒体管理触摸屏系统通过实际应用验证后如能在工作中取得良好效果，后将在些基础上陆续开发完善成输电专业多媒体管理触摸屏系统，包括带电作业、停电检修、事故抢修、日常巡视、规范化作业、理论考核、风险管控制演示等，将实现输电专业的所有作业管理。为我局的输电管理精益化建设打好基础。同时3D仿真动画教程制作中同步制作的风险管理与控制将结合动画、特效、图像、文字与解说用于开输电专业风险管理多媒体系统，为我局输电专业的安风体系建设提升一个台阶。