根據(jù)特種作業(yè)事故的基本特點，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素質和安全操作技能，這主要靠培訓來完成。目前，電工特種作業(yè)培訓主要以授課演示加實物模擬平臺訓練的方法。由于電的危害性，在實物模擬平臺上進行訓練也存在許多危險；加之實物模擬平臺數(shù)量有限，受時間、地點等限制，不能供人員反復使用。這些因素直接影響培訓效率和質量。這就要求我們設計出更為有效且具有重復性好、安全性高、經濟性好、效率高等優(yōu)點的電工特種作業(yè)仿真培訓平臺。

計算機仿真培訓原理

仿真是以相似原理、系統(tǒng)技術、信息技術及應用領域有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統(tǒng)與相關物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)進行研究的多學科綜合性技術。

計算機仿真培訓原理圖。計算機仿真培訓系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由三個模塊組成，即前臺多媒體培訓仿真界面、信息響應和計算機后臺分析計算模塊。后臺分析計算是計算機仿真培訓系統(tǒng)的核心，它包括計算機仿真模型、仿真模塊、仿真結果分析、資源庫和多媒體計算機網(wǎng)絡。用戶在前臺操作，通過響應模塊將用戶的操作信息傳遞給后臺，在后臺通過仿真模型的判斷和運算，做出決策，并將決策信息由后臺經過信息處理與響應模塊傳遞到用戶操作前臺多媒體培訓仿真界面，實現(xiàn)交互操作訓練。

計算機仿真建模。從電氣的工作情況看，電工作業(yè)應該是一種連續(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)中設置多個控制連續(xù)性的關鍵觸發(fā)器，便于在計算機上實現(xiàn)電工特種作業(yè)培訓，達到預期效果。系統(tǒng)所要設置的關鍵觸發(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……）。該仿真控制樹的結構函數(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 }

通過計算該仿真控制樹的最小割集，可以確定出在該系統(tǒng)中應該設置的觸發(fā)器的個數(shù)n1=3（即信號量的個數(shù)）和仿真動畫模塊個數(shù)n2=3（即進程個數(shù)）。這樣就可根據(jù)信號量和進程來設計仿真控制。

信息處理與響應。信息處理與響應采取的設計方法是信號量和進程。進程是資源分配的基本單位，也是獨立運行的基本單位。一個進程的生命周期可以劃分為一組狀態(tài)，這些狀態(tài)刻畫了整個進程。在進程的運行過程中，由于系統(tǒng)的并發(fā)運行及相互制約的結果，使得進程的狀態(tài)不斷變化。通常，一個進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)。

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

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

培訓界面與系統(tǒng)面向對象設計技術。面向對象方法類似于人們對實際問題的自然的思維處理方式,它將客觀世界（即問題領域）看成是由一些相互聯(lián)系的事物（即對象）組成。每個對象都有自己的內部狀態(tài)和運動規(guī)律,不同對象間的相互作用和相互聯(lián)系構成了完整的客觀世界,問題的解由對象和對象之間的通訊來描述。利用對象概念來刻畫客觀世界,具有直觀性和可理解性的優(yōu)點。

消息是對象之間進行通信的一種數(shù)據(jù)結構,對象之間是通過傳遞消息來進行描述的。將面向對象技術應用于仿真領域，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)的對象及對象之間的相互作用關系來對現(xiàn)實世界進行建模,實現(xiàn)了從問題領域的分析、設計到實現(xiàn)的平滑過渡,與人們認識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,在電工安全培訓仿真系統(tǒng)的設計中,我們采用了面向對象的技術。

電工特種作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的組成

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

根據(jù)電工特種作業(yè)的具體要求，系統(tǒng)應該具有示范培訓、訓練培訓和培訓考核等功能，其組成如圖4所示。示范培訓系統(tǒng)主要包括電工元件演示模塊、電工原理仿真演示模塊、線路運行與調試演示模塊和故障分析與排除演示模塊；仿真培訓系統(tǒng)主要包括電工安全操作技能培訓模塊和故障分析與排除培訓模塊；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系統(tǒng)對電工作業(yè)進行基礎培訓教育，在此基礎上，理論聯(lián)系實際，進入仿真培訓系統(tǒng)學習，主要進行各種電工安全操作技能培訓(如儀器選擇和接線)和事故分析與排除培訓。在作業(yè)人員熟練、安全、準確地掌握了培訓內容的基礎上，由培訓負責單位安排作業(yè)人員進行培訓考核，考核成績直接進入作業(yè)人員的信息庫保存，便于績效跟蹤。

電工特種作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的軟件設計

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

該培訓模塊的界面設計工具有FLASH MX、Adobe Photoshop、3DS MAX；儀表的設計采用的是OpenGL、Adobe Photoshop、3DS MAX；系統(tǒng)的后臺設計采用的是 Visual C++6.0；系統(tǒng)的多媒體響應采用的是Flash Action。

帶互感器的三相電度表接線培訓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計了6種畫面，分別為演示培訓界面、操作培訓界面、培訓考核界面、狀態(tài)組界面、報警組界面和幫助界面。在該模塊的各個系統(tǒng)界面中都設置了控制欄，其功能說明如下：

主界面的左邊培訓選擇鍵，用于培訓人員選擇培訓的內容，點擊其中的任一選擇鍵，都將對當前系統(tǒng)進行初始化，防止誤操作，提高培訓效率和質量。

眉頭左邊設有畫面的調出控制欄，當鼠標指定某個控制按鈕時，該按鈕所代表的畫面（如故障排除、事故分析等）即被調出。在眉頭的右邊有該畫面的按鈕名稱顯示，表明該畫面已經被調出。

眉頭右邊設有時鐘和日歷，用于記時。時間和日期由計算機操作系統(tǒng)設定或修改。

眉腳的方塊軟鍵是教師（培訓主管）指令鍵，共計12個，分別對應計算機鍵盤F1～F12鍵位。用于顯示成績、設定事故、考題入庫、考題選擇、設定工況、設定時標等控制。該控制設定軟鍵在培訓界面上是不可見的，只有在網(wǎng)絡的控制主機上可見，并有專人操作和設定。在眉腳的右邊有該畫面的按鈕名稱顯示，表明該控制設定已經被設定。在用戶操作界面中可以向控制臺提出申請進行考核培訓。

界面右邊的方塊軟鍵是電工仿真培訓系統(tǒng)的實時狀態(tài)的控制鍵，用來顯示培訓的效果與學員故障，為事故處理提供操作信息，并可經過交互來排除故障和事故處理的執(zhí)行。同時，該實時狀態(tài)信息也將通過網(wǎng)絡進入培訓員工的個人考核數(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。對此，該系統(tǒng)對連續(xù)性事件和離散事件分別采取仿真控制樹和進程控制建模。此外，系統(tǒng)采用面向對象技術進行系統(tǒng)設計，系統(tǒng)由仿真操作界面、信息響應和后臺分析計算處理三部分組成。

根據(jù)電工培訓的實際要求，電工培訓系統(tǒng)按示范培訓系統(tǒng)、仿真培訓系統(tǒng)和仿真考核系統(tǒng)三個部分來構建。