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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)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(lái)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(lái)，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(lái)越高的要求。但長(zhǎng)期以來(lái)，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(wú)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(wú)法比擬的優(yōu)越性，它能以3D動(dòng)畫的方式來(lái)顯示現(xiàn)實(shí)世界以及模擬人們無(wú)法直接觀察到的世界、過(guò)程及細(xì)節(jié)等的信息。通過(guò)3D動(dòng)畫與電力系統(tǒng)作業(yè)過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(chǎng)景，就能解決不可視、不可摸、不可入、危險(xiǎn)性大的場(chǎng)所的仿真與培訓(xùn)等問(wèn)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(cè)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(guò)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(chǎng)勘測(cè)；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(chǎng)勘測(cè) 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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)操作演練等。但受場(chǎng)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(lái)仿真環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范化作業(yè)，使人體的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)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(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)參考施工圖紙及對(duì)各類工具測(cè)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(kù)。 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(cè)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(cè)工具　 場(chǎng)強(qiáng)儀、風(fēng)速儀、火花檢測(cè)器、電阻檢測(cè)儀、兆歐表、絕緣檢測(cè)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(guò)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(chǎng)景的模型數(shù)量而定，場(chǎng)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(chǎng)實(shí)際作業(yè)技能編寫劇本，分配場(chǎng)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(chǎng)景 貼圖材質(zhì)處理 材質(zhì)貼圖 建立場(chǎng)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(chǎng)轉(zhuǎn)移時(shí)的放電、人員觸電、絕緣擊穿等風(fēng)險(xiǎn)特效場(chǎng)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(guò)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(guó)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(guó)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn)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(kù)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(guò)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(shuō)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。