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3D仿真技術在線路作業(yè)規(guī)范中的 研究與應用 一、開展該項目工作的背景 電力企業(yè)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，給國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來巨大的動力和效益，線路電壓等級和發(fā)電裝機容量的不斷提高，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)一項重要任務，近年來，隨著特高壓、大電網(wǎng)建設步伐的不斷加快，對電網(wǎng)企業(yè)員工的業(yè)務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、技術密集型等特殊性，很多時候不可能讓員工在實際運行中的設備開展技能培訓，傳統(tǒng)的書面文字資料培訓不夠形象直觀，無法闡述出線路一些復雜的專業(yè)操作和作業(yè)時有可能危及人身和設備的風險，員工往往不能理解其中的意思就造成參與積極性不高、培訓效果較差，導致一線員工業(yè)務技能難以得到實質性的提高，以至于很多安全生產(chǎn)事故往往由于企業(yè)員工業(yè)務技能無法滿足實際工作需要而發(fā)生有章不循、違章作業(yè)的情形出現(xiàn)，員工業(yè)務技能水平差已成為長期制約企業(yè)安全發(fā)展的一個重要因素，為企業(yè)的安全生產(chǎn)埋下了極大的安全隱患。 當前，3D動畫作為近年來一門飛速發(fā)展的新興技術，在社會各行各業(yè)中突顯出其無法比擬的優(yōu)越性，它能以3D動畫的方式來顯示現(xiàn)實世界以及模擬人們無法直接觀察到的世界、過程及細節(jié)等的信息。通過3D動畫與電力系統(tǒng)作業(yè)過程的緊密結合，將各項作業(yè)規(guī)范進行動畫仿真，將3D動畫這一全新方式作為安全教育培訓的重要載體，能夠在很大程度上解決以往傳統(tǒng)培訓方式枯燥乏味、員工參與積極性不高、培訓效果較差的不良局面，一線員工業(yè)務技能水平也將有望得到大幅提升，企業(yè)安全生產(chǎn)的基石得到進一步鞏固。 二、研究的原因和必要性 通過調研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的培訓重理論，輕實際，參加培訓需要從生產(chǎn)中抽調人員，打亂正常排班，影響日常工作，培訓效果不佳。一線員工，特別新工員的業(yè)務技能想要得到提高，很多時候不可能在實際運行中的設備開展技能培訓，這就制約了員工的業(yè)務技能提高，很多安全生產(chǎn)事故往往是由于員工業(yè)務技能無法滿足實際工作需要而發(fā)生，經(jīng)對我所的輸電線路32項作業(yè)過程進行風險評估，梳理出446項風險。其中：按風險等級分：高風險：24項，中風險250項，低風險91項，可忽略的風險81項。 各作業(yè)類別風險分布 作業(yè)類別 高風險 中風險 低風險 可忽略的風險 線路巡視 0 7 14 4 線路預試 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 24 250 91 81 按照風險等級劃分，將輸電線路中等及以上風險作業(yè)進行分析，找出具有代表性的典型作業(yè)，將各項作業(yè)類型分層細化，應用3D技術建立輸電專業(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、危險性大的場所的仿真與培訓等問題，基于虛擬現(xiàn)實技術的3D仿真技術，不僅投資低，而且不受時間、空間限制，有助于解決傳統(tǒng)培訓設備不足、型號落后、難以更新?lián)Q代跟上電力發(fā)展的困難，提高作業(yè)培訓的技術水平，其應用前景十分廣闊。 三、研究的內容及意義 為貫徹落實體系化、精益化管理的工作要求，按照安全風險管控等級，識別出2012年輸電線路作業(yè)的關鍵任務：（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)法帶電修補導線；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），分別對這10項帶電作業(yè)進行3D動畫仿真制作，作業(yè)過程把作業(yè)指導書、安風體系、精益化等要求揉進了動畫：（1、現(xiàn)場勘測；2、危害辨識與風險評估；3、辦理工作許可手續(xù)；4、班前會；5、工器具準備；6、開始作業(yè)；7、辦理工作終結手續(xù)；8、班后會）。使整個內容形成一個規(guī)范化流程，使得流程清晰化，作業(yè)標準化。 圖1現(xiàn)場勘測 圖2危害辨識與風險評估 圖3辦理工作許可手續(xù) 圖4班前會 圖5工器具準備 圖6作業(yè)過程 圖7辦理工作終結手續(xù) 圖8班后會 帶電作業(yè)作為保障線路運行可靠性的重要手段，是一項危險性較大、技術含量較高的作業(yè)過程，要求作業(yè)人員在具備扎實的帶電作業(yè)理論知識和良好的技術水平的基礎上，具有很高的熟練程度。為了消除帶電作業(yè)人員對帶電設備的恐懼，提升帶電作業(yè)人員的操作技能，增強帶電作業(yè)人員的安全意識，對作業(yè)人員進行帶電作業(yè)培訓具有重要意義。傳統(tǒng)的輸電線路帶電作業(yè)培訓主要是通過舉辦多種形式的學習班、培訓班、研討班對作業(yè)人員進行理論強化，建立專業(yè)培訓基地進行現(xiàn)場操作演練等。但受場地、天氣、技術水平的限制，培訓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技術其特點是利用計算機防真技術在三維動畫軟件系統(tǒng)中參照真實環(huán)境來仿真環(huán)境，通過計算機的硬件設備來模擬現(xiàn)場規(guī)范化作業(yè)，使人體的視覺、聽覺和觸覺等如真實感知，參與者在其中產(chǎn)生與在真實環(huán)境中相同或相似的體驗。建立起輸電線路帶電作業(yè)的仿真培訓系統(tǒng)。通過模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和操作流程，實現(xiàn)基于計算機的仿真培訓系統(tǒng)，使學員在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中形象、直觀地了解并掌握標準的輸電線路帶電作業(yè)方法。 四、研究過程 1．組件樹的構建 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、準確地展現(xiàn)各電壓等級典型帶電作業(yè)方法的前提。三維仿真建模首先要對仿真對象進行系統(tǒng)、有層次的劃分，在此基礎上，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象的類型，按分類對所需的作業(yè)設備、工具等逐層分級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各類工具測量尺寸進行等比例建模，可保障仿真系統(tǒng)的準確度和模型的可復用性，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、橫擔絲桿等 小工具類 取銷器、吊瓶鉤、轉接頭、鉗子、扳手、扶正器等 電動工具 機動工具 機動絞磨、發(fā)電機、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、護目鏡、接地線等 檢測工具　 場強儀、風速儀、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 工作負責人、地面電工、等電位電工等 其它 2．三維仿真 三維動畫的制作涉及機械制圖、三維建模、工程力學、流體力學、骨骼動畫、攝影攝像、環(huán)境燈光、材質貼圖、平面設計、渲染輸出等專業(yè)學科，是一項綜合性、團隊性開發(fā)項目，開發(fā)制作過程復雜，工作量較大，需要多專業(yè)人員組建工作組配合完成，并且對開發(fā)制作的工作站配置要求較高，前期設備投資成本依據(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、設備、工具模型是構建輸電線路帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)的基礎，以各類標準為依據(jù)，結合作業(yè)指導書及專家現(xiàn)場實際作業(yè)技能編寫劇本，分配場景及鏡頭，采用Photoshop處理各類材質，利用3DMAX或MAYA建立各類制作規(guī)范化的作業(yè)動畫，采用mental ray或VR渲染出高質量三維動畫素材， 流程如下圖： 建立模型并組建場景 貼圖材質處理 材質貼圖 建立場景燈光及攝像機 規(guī)范化作業(yè)動畫制作 渲染輸出動畫片斷 3．后期合成 動畫制作完成后采用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，渲染出最終動畫片斷。采用Effects制作動畫片斷中特效，如電場轉移時的放電、人員觸電、絕緣擊穿等風險特效場景，采用Edius或VideoStudio Pro進行后期編輯，對動畫片斷進行剪輯組合，對作業(yè)流程進行字幕介紹，由專業(yè)配音人員對作業(yè)過程進行同步本意，最后渲染輸出完成最終效果。 Effects制作特效 編輯風險及控制措施 VideoStudio Pro編輯輸出成品 五、研究成果 項目形成的論文《3D仿真技術在線路作業(yè)規(guī)范中的研究與應用》已發(fā)表至國家級刊物《科技傳播》第14期，已形成《110kV-500kV典型帶電作業(yè)3D動畫教程》一套，現(xiàn)已申請中化人民共和國知識產(chǎn)權局版權。 六、結論 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，身體狀況等一系列原因，習慣性違章在特種作業(yè)的行業(yè)中具有很強的普遍性、反復性和頑固性。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的事故都因習慣性違章造成，嚴重危及人身、設備、生產(chǎn)安全。因此，有效地控制習慣性違章現(xiàn)象是預防事故的關鍵點。系統(tǒng)的應用能夠將培訓效果與實際作業(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，結合系統(tǒng)的智能糾錯、作業(yè)內容驗證等功能，使員工將標準、規(guī)范的作業(yè)步驟、內容、注意事項等牢記于心，從根本上改變了習慣性違章。新進員工可以通過培訓掌握標準、規(guī)范的作業(yè)方法， 避免老帶新的正確習慣和錯誤習慣同時繼承的弊端。 經(jīng)過該研究項目各部分負責人的付出與努力，在彼此相互協(xié)作下，我項目組順利將該項目研制開發(fā)完成，最終形成了輸電線路各項生產(chǎn)作業(yè)的3D仿真動畫教程。該項目得以充分認可與實施，給整個輸電線路作業(yè)方面帶來了很大效益，在員工培訓方面增加了培訓合格率，縮短了培訓時間；在實際操作中增強了技能人員的熟練程度，減少了作業(yè)時間；讓整個作業(yè)流程風險得以控制，同時還將作業(yè)技能固化并以傳承。 七、下步工作建議 3D仿真動畫教程的制作只是精益項目建設的一個開端，將作為后期《帶電作業(yè)多媒體管理》觸摸屏系統(tǒng)的一個基礎教學部分及常見風險演示部分，是一套可用于一線生產(chǎn)管理及教學為一體的綜合軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)包含作業(yè)管理、風險控制單管理、作業(yè)指導書管理、工器具出入庫管理、作業(yè)技能培訓、理論考核、作業(yè)規(guī)范化演示、作業(yè)風險演示與控制等。 《帶電作業(yè)多媒體管理》觸摸屏系統(tǒng)通過實際應用驗證后如能在工作中取得良好效果，后將在些基礎上陸續(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、風險管控制演示等，將實現(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打好基礎。 同時3D仿真動畫教程制作中同步制作的風險管理與控制將結合動畫、特效、圖像、文字與解說用于開《輸電專業(yè)風險管理多媒體》系統(tǒng)，為我局輸電專業(yè)的安風體系建設提升一個臺階。