3D仿真技術(shù)在電力生產(chǎn)作業(yè)規(guī)范中的應(yīng)用.doc

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3D仿真技術(shù)在線路作業(yè)規(guī)范中的 研究與應(yīng)用 一、開展該項(xiàng)目工作的背景 電力企業(yè)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，給國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來巨大的動(dòng)力和效益，線路電壓等級(jí)和發(fā)電裝機(jī)容量的不斷提高，給工農(nóng)業(yè)用電和人民生活需求帶來了有力的保證。提高供電可靠性已成為供電企業(yè)一項(xiàng)重要任務(wù)，近年來，隨著特高壓、大電網(wǎng)建設(shè)步伐的不斷加快，對(duì)電網(wǎng)企業(yè)員工的業(yè)務(wù)技能水平提出了越來越高的要求。但長期以來，由于電力系統(tǒng)具有資金密集型、技術(shù)密集型等特殊性，很多時(shí)候不可能讓員工在實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)備開展技能培訓(xùn)，傳統(tǒng)的書面文字資料培訓(xùn)不夠形象直觀，無法闡述出線路一些復(fù)雜的專業(yè)操作和作業(yè)時(shí)有可能危及人身和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，員工往往不能理解其中的意思就造成參與積極性不高、培訓(xùn)效果較差，導(dǎo)致一線員工業(yè)務(wù)技能難以得到實(shí)質(zhì)性的提高，以至于很多安全生產(chǎn)事故往往由于企業(yè)員工業(yè)務(wù)技能無法滿足實(shí)際工作需要而發(fā)生有章不循、違章作業(yè)的情形出現(xiàn)，員工業(yè)務(wù)技能水平差已成為長期制約企業(yè)安全發(fā)展的一個(gè)重要因素，為企業(yè)的安全生產(chǎn)埋下了極大的安全隱患。 當(dāng)前，3D動(dòng)畫作為近年來一門飛速發(fā)展的新興技術(shù)，在社會(huì)各行各業(yè)中突顯出其無法比擬的優(yōu)越性，它能以3D動(dòng)畫的方式來顯示現(xiàn)實(shí)世界以及模擬人們無法直接觀察到的世界、過程及細(xì)節(jié)等的信息。通過3D動(dòng)畫與電力系統(tǒng)作業(yè)過程的緊密結(jié)合，將各項(xiàng)作業(yè)規(guī)范進(jìn)行動(dòng)畫仿真，將3D動(dòng)畫這一全新方式作為安全教育培訓(xùn)的重要載體，能夠在很大程度上解決以往傳統(tǒng)培訓(xùn)方式枯燥乏味、員工參與積極性不高、培訓(xùn)效果較差的不良局面，一線員工業(yè)務(wù)技能水平也將有望得到大幅提升，企業(yè)安全生產(chǎn)的基石得到進(jìn)一步鞏固。 二、研究的原因和必要性 通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)重理論，輕實(shí)際，參加培訓(xùn)需要從生產(chǎn)中抽調(diào)人員，打亂正常排班，影響日常工作，培訓(xùn)效果不佳。一線員工，特別新工員的業(yè)務(wù)技能想要得到提高，很多時(shí)候不可能在實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)備開展技能培訓(xùn)，這就制約了員工的業(yè)務(wù)技能提高，很多安全生產(chǎn)事故往往是由于員工業(yè)務(wù)技能無法滿足實(shí)際工作需要而發(fā)生，經(jīng)對(duì)我所的輸電線路32項(xiàng)作業(yè)過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，梳理出446項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)。其中：按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分：高風(fēng)險(xiǎn)：24項(xiàng)，中風(fēng)險(xiǎn)250項(xiàng)，低風(fēng)險(xiǎn)91項(xiàng)，可忽略的風(fēng)險(xiǎn)81項(xiàng)。 各作業(yè)類別風(fēng)險(xiǎn)分布 作業(yè)類別 高風(fēng)險(xiǎn) 中風(fēng)險(xiǎn) 低風(fēng)險(xiǎn) 可忽略的風(fēng)險(xiǎn) 線路巡視 0 7 14 4 線路預(yù)試 1 14 7 7 停電作業(yè) 17 100 16 21 臨近帶電體作業(yè) 6 38 8 11 帶電作業(yè) 0 54 20 38 區(qū)域外 0 37 26 0 合計(jì) 24 250 91 81 按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，將輸電線路中等及以上風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)進(jìn)行分析，找出具有代表性的典型作業(yè)，將各項(xiàng)作業(yè)類型分層細(xì)化，應(yīng)用3D技術(shù)建立輸電專業(yè)三維模型，再融入作業(yè)場景，就能解決不可視、不可摸、不可入、危險(xiǎn)性大的場所的仿真與培訓(xùn)等問題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D仿真技術(shù)，不僅投資低，而且不受時(shí)間、空間限制，有助于解決傳統(tǒng)培訓(xùn)設(shè)備不足、型號(hào)落后、難以更新?lián)Q代跟上電力發(fā)展的困難，提高作業(yè)培訓(xùn)的技術(shù)水平，其應(yīng)用前景十分廣闊。 三、研究的內(nèi)容及意義 為貫徹落實(shí)體系化、精益化管理的工作要求，按照安全風(fēng)險(xiǎn)管控等級(jí)，識(shí)別出2012年輸電線路作業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)：（10kV 線路采用絕緣作業(yè)法帶電搭接引流線；35kV線路采用卡具地電位作業(yè)法帶電更換（單回）耐張串絕緣子； 110kV線路采用等電位作業(yè)法帶電修補(bǔ)導(dǎo)線；110kV線路采用絕緣操作桿火花間隙法帶電檢測零值絕緣子；110kV線路采用絕緣滑輪組地電位作業(yè)法帶電更換（單回）直線絕緣子串；220kV線路采用地電位作業(yè)法帶電更換V串絕緣子串；500kV采用間接作業(yè)法帶電更換直線串任意單片絕緣子；500kV線路采用等電位作業(yè)法帶電更換L串絕緣子；500kV線路采用等電位作業(yè)法帶電更換間隔棒；500kV線路采用等電位作業(yè)法帶電更換直線串（垂直）絕緣子串），分別對(duì)這10項(xiàng)帶電作業(yè)進(jìn)行3D動(dòng)畫仿真制作，作業(yè)過程把作業(yè)指導(dǎo)書、安風(fēng)體系、精益化等要求揉進(jìn)了動(dòng)畫：（1、現(xiàn)場勘測；2、危害辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；3、辦理工作許可手續(xù)；4、班前會(huì)；5、工器具準(zhǔn)備；6、開始作業(yè)；7、辦理工作終結(jié)手續(xù)；8、班后會(huì)）。使整個(gè)內(nèi)容形成一個(gè)規(guī)范化流程，使得流程清晰化，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。 圖1現(xiàn)場勘測 圖2危害辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 圖3辦理工作許可手續(xù) 圖4班前會(huì) 圖5工器具準(zhǔn)備 圖6作業(yè)過程 圖7辦理工作終結(jié)手續(xù) 圖8班后會(huì) 帶電作業(yè)作為保障線路運(yùn)行可靠性的重要手段，是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較大、技術(shù)含量較高的作業(yè)過程，要求作業(yè)人員在具備扎實(shí)的帶電作業(yè)理論知識(shí)和良好的技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，具有很高的熟練程度。為了消除帶電作業(yè)人員對(duì)帶電設(shè)備的恐懼，提升帶電作業(yè)人員的操作技能，增強(qiáng)帶電作業(yè)人員的安全意識(shí)，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行帶電作業(yè)培訓(xùn)具有重要意義。傳統(tǒng)的輸電線路帶電作業(yè)培訓(xùn)主要是通過舉辦多種形式的學(xué)習(xí)班、培訓(xùn)班、研討班對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行理論強(qiáng)化，建立專業(yè)培訓(xùn)基地進(jìn)行現(xiàn)場操作演練等。但受場地、天氣、技術(shù)水平的限制，培訓(xùn)范圍和效果并不理想，不能有效滿足帶電作業(yè)人才需求。3D技術(shù)其特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)防真技術(shù)在三維動(dòng)畫軟件系統(tǒng)中參照真實(shí)環(huán)境來仿真環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備來模擬現(xiàn)場規(guī)范化作業(yè)，使人體的視覺、聽覺和觸覺等如真實(shí)感知，參與者在其中產(chǎn)生與在真實(shí)環(huán)境中相同或相似的體驗(yàn)。建立起輸電線路帶電作業(yè)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。通過模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和操作流程，實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，使學(xué)員在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中形象、直觀地了解并掌握標(biāo)準(zhǔn)的輸電線路帶電作業(yè)方法。 四、研究過程 1．組件樹的構(gòu)建 三維仿真建模是建立輸電線路帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)，以形象、直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)各電壓等級(jí)典型帶電作業(yè)方法的前提。三維仿真建模首先要對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)、有層次的劃分，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)線路組件的功能和帶電作業(yè)工器具的種類確定對(duì)象的類型，按分類對(duì)所需的作業(yè)設(shè)備、工具等逐層分級(jí)至最小單元建立三維模型，如表1 所示。通過參考施工圖紙及對(duì)各類工具測量尺寸進(jìn)行等比例建模，可保障仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和模型的可復(fù)用性，建立起輸電專業(yè)通用型的模型庫。 表1 帶電作業(yè)組件表 桿塔類 10kV－500kV 單桿直線、單桿耐張、單桿帶斷路器 直線桿、耐張桿（單串絕緣子、雙串絕緣子） 直線塔、耐張塔（單串絕緣子、雙串絕緣子） 絕緣工具 操作桿類 檢測桿、操作桿、吊線桿、拉板、托瓶架等 繩索類 各類絕緣繩索、繩套、滑輪組 小工具類 滑輪、翻轉(zhuǎn)滑輪、軟梯掛架等 金屬工具 卡具類 各類閉式卡具、自封卡、橫擔(dān)卡、翼形卡、大刀卡等 絲桿類 普通絲桿、滾軸絲桿、液壓絲桿、橫擔(dān)絲桿等 小工具類 取銷器、吊瓶鉤、轉(zhuǎn)接頭、鉗子、扳手、扶正器等 電動(dòng)工具 機(jī)動(dòng)工具 機(jī)動(dòng)絞磨、發(fā)電機(jī)、壓接鉗、破壞鉗等 安全用具 安全帽、安全帶、屏蔽服、防靜電服、絕緣靴、護(hù)目鏡、接地線等 檢測工具　 場強(qiáng)儀、風(fēng)速儀、火花檢測器、電阻檢測儀、兆歐表、絕緣檢測儀等 金具配件 接續(xù)金具、連接金具、保護(hù)金具、各類型絕緣子等 輔助工具 鐵錘、地錨、鋼繩套等 作業(yè)環(huán)境 山地環(huán)境、平原環(huán)境、城市環(huán)境、辦公室環(huán)境、工程車輛等 人物模型 工作負(fù)責(zé)人、地面電工、等電位電工等 其它 2．三維仿真 三維動(dòng)畫的制作涉及機(jī)械制圖、三維建模、工程力學(xué)、流體力學(xué)、骨骼動(dòng)畫、攝影攝像、環(huán)境燈光、材質(zhì)貼圖、平面設(shè)計(jì)、渲染輸出等專業(yè)學(xué)科，是一項(xiàng)綜合性、團(tuán)隊(duì)性開發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)制作過程復(fù)雜，工作量較大，需要多專業(yè)人員組建工作組配合完成，并且對(duì)開發(fā)制作的工作站配置要求較高，前期設(shè)備投資成本依據(jù)組合場景的模型數(shù)量而定，場景越大投資成本越高。 帶電作業(yè)的模擬環(huán)境、設(shè)備、工具模型是構(gòu)建輸電線路帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以各類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合作業(yè)指導(dǎo)書及專家現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)技能編寫劇本，分配場景及鏡頭，采用Photoshop處理各類材質(zhì)，利用3DMAX或MAYA建立各類制作規(guī)范化的作業(yè)動(dòng)畫，采用mental ray或VR渲染出高質(zhì)量三維動(dòng)畫素材， 流程如下圖： 建立模型并組建場景 貼圖材質(zhì)處理 材質(zhì)貼圖 建立場景燈光及攝像機(jī) 規(guī)范化作業(yè)動(dòng)畫制作 渲染輸出動(dòng)畫片斷 3．后期合成 動(dòng)畫制作完成后采用MT或VR渲染器利用圖形渲染工作站將顏色層 高光層 陰影層 景深層 反射層分層渲染，最后將這些層疊加在一起，渲染出最終動(dòng)畫片斷。采用Effects制作動(dòng)畫片斷中特效，如電場轉(zhuǎn)移時(shí)的放電、人員觸電、絕緣擊穿等風(fēng)險(xiǎn)特效場景，采用Edius或VideoStudio Pro進(jìn)行后期編輯，對(duì)動(dòng)畫片斷進(jìn)行剪輯組合，對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行字幕介紹，由專業(yè)配音人員對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行同步本意，最后渲染輸出完成最終效果。 Effects制作特效 編輯風(fēng)險(xiǎn)及控制措施 VideoStudio Pro編輯輸出成品 五、研究成果 項(xiàng)目形成的論文《3D仿真技術(shù)在線路作業(yè)規(guī)范中的研究與應(yīng)用》已發(fā)表至國家級(jí)刊物《科技傳播》第14期，已形成《110kV-500kV典型帶電作業(yè)3D動(dòng)畫教程》一套，現(xiàn)已申請(qǐng)中化人民共和國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局版權(quán)。 六、結(jié)論 電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)條例通常制定的非常完備。但是由于作業(yè)人員的工作素質(zhì)，身體狀況等一系列原因，習(xí)慣性違章在特種作業(yè)的行業(yè)中具有很強(qiáng)的普遍性、反復(fù)性和頑固性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的事故都因習(xí)慣性違章造成，嚴(yán)重危及人身、設(shè)備、生產(chǎn)安全。因此，有效地控制習(xí)慣性違章現(xiàn)象是預(yù)防事故的關(guān)鍵點(diǎn)。系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)⑴嘤?xùn)效果與實(shí)際作業(yè)無限貼近，而系統(tǒng)的便捷性使作業(yè)人員都能夠很方便的使用，結(jié)合系統(tǒng)的智能糾錯(cuò)、作業(yè)內(nèi)容驗(yàn)證等功能，使員工將標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的作業(yè)步驟、內(nèi)容、注意事項(xiàng)等牢記于心，從根本上改變了習(xí)慣性違章。新進(jìn)員工可以通過培訓(xùn)掌握標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的作業(yè)方法， 避免老帶新的正確習(xí)慣和錯(cuò)誤習(xí)慣同時(shí)繼承的弊端。 經(jīng)過該研究項(xiàng)目各部分負(fù)責(zé)人的付出與努力，在彼此相互協(xié)作下，我項(xiàng)目組順利將該項(xiàng)目研制開發(fā)完成，最終形成了輸電線路各項(xiàng)生產(chǎn)作業(yè)的3D仿真動(dòng)畫教程。該項(xiàng)目得以充分認(rèn)可與實(shí)施，給整個(gè)輸電線路作業(yè)方面帶來了很大效益，在員工培訓(xùn)方面增加了培訓(xùn)合格率，縮短了培訓(xùn)時(shí)間；在實(shí)際操作中增強(qiáng)了技能人員的熟練程度，減少了作業(yè)時(shí)間；讓整個(gè)作業(yè)流程風(fēng)險(xiǎn)得以控制，同時(shí)還將作業(yè)技能固化并以傳承。 七、下步工作建議 3D仿真動(dòng)畫教程的制作只是精益項(xiàng)目建設(shè)的一個(gè)開端，將作為后期《帶電作業(yè)多媒體管理》觸摸屏系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)教學(xué)部分及常見風(fēng)險(xiǎn)演示部分，是一套可用于一線生產(chǎn)管理及教學(xué)為一體的綜合軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)包含作業(yè)管理、風(fēng)險(xiǎn)控制單管理、作業(yè)指導(dǎo)書管理、工器具出入庫管理、作業(yè)技能培訓(xùn)、理論考核、作業(yè)規(guī)范化演示、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)演示與控制等。 《帶電作業(yè)多媒體管理》觸摸屏系統(tǒng)通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證后如能在工作中取得良好效果，后將在些基礎(chǔ)上陸續(xù)開發(fā)完善成《輸電專業(yè)多媒體管理》觸摸屏系統(tǒng)，包括帶電作業(yè)、停電檢修、事故搶修、日常巡視、規(guī)范化作業(yè)、理論考核、風(fēng)險(xiǎn)管控制演示等，將實(shí)現(xiàn)輸電專業(yè)的所有作業(yè)管理。為我局的輸電管理精益化建設(shè)打好基礎(chǔ)。 同時(shí)3D仿真動(dòng)畫教程制作中同步制作的風(fēng)險(xiǎn)管理與控制將結(jié)合動(dòng)畫、特效、圖像、文字與解說用于開《輸電專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理多媒體》系統(tǒng)，為我局輸電專業(yè)的安風(fēng)體系建設(shè)提升一個(gè)臺(tái)階。