根據(jù)特種作業(yè)事故的基本特點(diǎn)，人為因素是事故發(fā)生的主要原因。要保證電工特種作業(yè)安全,必須控制電工作業(yè)人員的不安全行為；要控制電工作業(yè)人員的不安全行為,必須提高他們的安全技術(shù)素質(zhì)和安全操作技能，這主要靠培訓(xùn)來完成。目前，電工特種作業(yè)培訓(xùn)主要以授課演示加實(shí)物模擬平臺(tái)訓(xùn)練的方法。由于電的危害性，在實(shí)物模擬平臺(tái)上進(jìn)行訓(xùn)練也存在許多危險(xiǎn)；加之實(shí)物模擬平臺(tái)數(shù)量有限，受時(shí)間、地點(diǎn)等限制，不能供人員反復(fù)使用。這些因素直接影響培訓(xùn)效率和質(zhì)量。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)出更為有效且具有重復(fù)性好、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)的電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)。

計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)原理

仿真是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與相關(guān)物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的多學(xué)科綜合性技術(shù)。

計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)原理圖。計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由三個(gè)模塊組成，即前臺(tái)多媒體培訓(xùn)仿真界面、信息響應(yīng)和計(jì)算機(jī)后臺(tái)分析計(jì)算模塊。后臺(tái)分析計(jì)算是計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的核心，它包括計(jì)算機(jī)仿真模型、仿真模塊、仿真結(jié)果分析、資源庫和多媒體計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。用戶在前臺(tái)操作，通過響應(yīng)模塊將用戶的操作信息傳遞給后臺(tái)，在后臺(tái)通過仿真模型的判斷和運(yùn)算，做出決策，并將決策信息由后臺(tái)經(jīng)過信息處理與響應(yīng)模塊傳遞到用戶操作前臺(tái)多媒體培訓(xùn)仿真界面，實(shí)現(xiàn)交互操作訓(xùn)練。

計(jì)算機(jī)仿真建模。從電氣的工作情況看，電工作業(yè)應(yīng)該是一種連續(xù)性作業(yè)方式。為此，可將電工作業(yè)看作是一個(gè)連續(xù)性的系統(tǒng)。由于連續(xù)系統(tǒng)講究連續(xù)性這一特征，可以在該連續(xù)的系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)控制連續(xù)性的關(guān)鍵觸發(fā)器，便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)電工特種作業(yè)培訓(xùn)，達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)所要設(shè)置的關(guān)鍵觸發(fā)器數(shù)量可通過仿真控制樹建模確定（如圖2所示）。其中，T表示仿真控制樹的頂上事件；Ai表示仿真控制樹上的分事件（i=1，2……）；Xi表示仿真控制樹上的事件觸發(fā)器（i=1，2……）。該仿真控制樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

T=X1*A1=X1*(X2+A2)=X1*(X2+X1*X3)=X1*X2+X1*X1*X3=X1*X2+X1*X3

解算得仿真控制樹的最小割集為：

MSC1：{X1 ，X2 } MSC2：{X1， X3 }

通過計(jì)算該仿真控制樹的最小割集，可以確定出在該系統(tǒng)中應(yīng)該設(shè)置的觸發(fā)器的個(gè)數(shù)n1=3（即信號(hào)量的個(gè)數(shù)）和仿真動(dòng)畫模塊個(gè)數(shù)n2=3（即進(jìn)程個(gè)數(shù)）。這樣就可根據(jù)信號(hào)量和進(jìn)程來設(shè)計(jì)仿真控制。

信息處理與響應(yīng)。信息處理與響應(yīng)采取的設(shè)計(jì)方法是信號(hào)量和進(jìn)程。進(jìn)程是資源分配的基本單位，也是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。一個(gè)進(jìn)程的生命周期可以劃分為一組狀態(tài)，這些狀態(tài)刻畫了整個(gè)進(jìn)程。在進(jìn)程的運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)的并發(fā)運(yùn)行及相互制約的結(jié)果，使得進(jìn)程的狀態(tài)不斷變化。通常，一個(gè)進(jìn)程至少可劃分為三種基本狀態(tài)，即就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。

進(jìn)程并非固定處于某一個(gè)狀態(tài)，其狀態(tài)會(huì)隨著自身的推進(jìn)和外界條件而發(fā)生變化（如圖3所示）。進(jìn)程狀態(tài)變化圖說明了系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程可能具備的狀態(tài)以及這些狀態(tài)發(fā)生變化的可能原因。

信號(hào)量是一個(gè)確定的二元組(s, q)，其中s是具有非負(fù)初值的整型變量，q是一個(gè)初始狀態(tài)為空的隊(duì)列。整型變量s表示系統(tǒng)中某類資源的數(shù)目，當(dāng)其值大于0時(shí)，表示系統(tǒng)中當(dāng)前可用資源的數(shù)目；當(dāng)其值小于0時(shí)，其絕對(duì)值表示系統(tǒng)中因請(qǐng)求該類資源而被阻塞的進(jìn)程數(shù)目。除信號(hào)量的初始值外，信號(hào)量的值僅能由操作改變。利用信號(hào)量的狀態(tài)變化對(duì)進(jìn)程和資源進(jìn)行管理。

培訓(xùn)界面與系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)。面向?qū)ο蠓椒愃朴谌藗儗?duì)實(shí)際問題的自然的思維處理方式,它將客觀世界（即問題領(lǐng)域）看成是由一些相互聯(lián)系的事物（即對(duì)象）組成。每個(gè)對(duì)象都有自己的內(nèi)部狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,不同對(duì)象間的相互作用和相互聯(lián)系構(gòu)成了完整的客觀世界,問題的解由對(duì)象和對(duì)象之間的通訊來描述。利用對(duì)象概念來刻畫客觀世界,具有直觀性和可理解性的優(yōu)點(diǎn)。

消息是對(duì)象之間進(jìn)行通信的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對(duì)象之間是通過傳遞消息來進(jìn)行描述的。將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用于仿真領(lǐng)域，從理論上突破了傳統(tǒng)仿真手段的局限性,它由組成系統(tǒng)的對(duì)象及對(duì)象之間的相互作用關(guān)系來對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模,實(shí)現(xiàn)了從問題領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的平滑過渡,與人們認(rèn)識(shí)世界的自然思維過程相一致,增加了仿真研究的直觀性,為復(fù)雜系統(tǒng)的仿真建模提供了一種有效的方法。因此,在電工安全培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,我們采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。

電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的組成

從電工培訓(xùn)內(nèi)容上看，電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可由工具、儀表、動(dòng)力、照明和安全操作組成。其中，工具主要采取動(dòng)畫演示和講解為主。而儀表、動(dòng)力、照明和安全操作則主要采取仿真訓(xùn)練為主。

根據(jù)電工特種作業(yè)的具體要求，系統(tǒng)應(yīng)該具有示范培訓(xùn)、訓(xùn)練培訓(xùn)和培訓(xùn)考核等功能，其組成如圖4所示。示范培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括電工元件演示模塊、電工原理仿真演示模塊、線路運(yùn)行與調(diào)試演示模塊和故障分析與排除演示模塊；仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括電工安全操作技能培訓(xùn)模塊和故障分析與排除培訓(xùn)模塊；仿真考核系統(tǒng)主要包括電工安全操作技能考核模塊和故障分析與排除考核模塊。

作業(yè)人員首先通過示范培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)電工作業(yè)進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)教育，在此基礎(chǔ)上，理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)入仿真培訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，主要進(jìn)行各種電工安全操作技能培訓(xùn)(如儀器選擇和接線)和事故分析與排除培訓(xùn)。在作業(yè)人員熟練、安全、準(zhǔn)確地掌握了培訓(xùn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，由培訓(xùn)負(fù)責(zé)單位安排作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)考核，考核成績(jī)直接進(jìn)入作業(yè)人員的信息庫保存，便于績(jī)效跟蹤。

電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的內(nèi)容很多，這里僅以帶互感器的三相電度表接線培訓(xùn)模塊的軟件設(shè)計(jì)為例，說明電工特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程。

該培訓(xùn)模塊的界面設(shè)計(jì)工具有FLASH MX、Adobe Photoshop、3DS MAX；儀表的設(shè)計(jì)采用的是OpenGL、Adobe Photoshop、3DS MAX；系統(tǒng)的后臺(tái)設(shè)計(jì)采用的是 Visual C++6.0；系統(tǒng)的多媒體響應(yīng)采用的是Flash Action。

帶互感器的三相電度表接線培訓(xùn)模塊的仿真操作界面如圖5所示。其中，G1～G6為畫面控制；F1～F12為控制設(shè)定；I、P、A、M、C、T、S、？為狀態(tài)控制。

根據(jù)該仿真模塊的需要設(shè)計(jì)了6種畫面，分別為演示培訓(xùn)界面、操作培訓(xùn)界面、培訓(xùn)考核界面、狀態(tài)組界面、報(bào)警組界面和幫助界面。在該模塊的各個(gè)系統(tǒng)界面中都設(shè)置了控制欄，其功能說明如下：

主界面的左邊培訓(xùn)選擇鍵，用于培訓(xùn)人員選擇培訓(xùn)的內(nèi)容，點(diǎn)擊其中的任一選擇鍵，都將對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行初始化，防止誤操作，提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量。

眉頭左邊設(shè)有畫面的調(diào)出控制欄，當(dāng)鼠標(biāo)指定某個(gè)控制按鈕時(shí)，該按鈕所代表的畫面（如故障排除、事故分析等）即被調(diào)出。在眉頭的右邊有該畫面的按鈕名稱顯示，表明該畫面已經(jīng)被調(diào)出。

眉頭右邊設(shè)有時(shí)鐘和日歷，用于記時(shí)。時(shí)間和日期由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)定或修改。

眉腳的方塊軟鍵是教師（培訓(xùn)主管）指令鍵，共計(jì)12個(gè)，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)鍵盤F1～F12鍵位。用于顯示成績(jī)、設(shè)定事故、考題入庫、考題選擇、設(shè)定工況、設(shè)定時(shí)標(biāo)等控制。該控制設(shè)定軟鍵在培訓(xùn)界面上是不可見的，只有在網(wǎng)絡(luò)的控制主機(jī)上可見，并有專人操作和設(shè)定。在眉腳的右邊有該畫面的按鈕名稱顯示，表明該控制設(shè)定已經(jīng)被設(shè)定。在用戶操作界面中可以向控制臺(tái)提出申請(qǐng)進(jìn)行考核培訓(xùn)。

界面右邊的方塊軟鍵是電工仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)的控制鍵，用來顯示培訓(xùn)的效果與學(xué)員故障，為事故處理提供操作信息，并可經(jīng)過交互來排除故障和事故處理的執(zhí)行。同時(shí)，該實(shí)時(shí)狀態(tài)信息也將通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入培訓(xùn)員工的個(gè)人考核數(shù)據(jù)庫，便于教師和員工交流討論。

電工作業(yè)既有連續(xù)事件，又有離散事件。對(duì)此，該系統(tǒng)對(duì)連續(xù)性事件和離散事件分別采取仿真控制樹和進(jìn)程控制建模。此外，系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由仿真操作界面、信息響應(yīng)和后臺(tái)分析計(jì)算處理三部分組成。

根據(jù)電工培訓(xùn)的實(shí)際要求，電工培訓(xùn)系統(tǒng)按示范培訓(xùn)系統(tǒng)、仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和仿真考核系統(tǒng)三個(gè)部分來構(gòu)建。