寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

VR技術(shù)在智能化供用電仿真培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用

寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

VR仿真培訓(xùn)就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學(xué)員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過VR仿真培訓(xùn)的模式實現(xiàn)智能化供用電運行培訓(xùn)，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學(xué)員培訓(xùn)過程中的進入感，強化培訓(xùn)效果。

一、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智能化供用電仿真培訓(xùn)中的運用

仿真和VR培訓(xùn)就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學(xué)員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過仿真VR培訓(xùn)的模式實現(xiàn)供用電運行培訓(xùn)，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學(xué)員培訓(xùn)過程中的進入感，強化培訓(xùn)效果。

供用電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)，可以讓變電站運行人員更加直觀的熟悉其工作場景，也可作為新變電運行人員的初始培訓(xùn)內(nèi)容，通過該系統(tǒng)學(xué)員可以在實地工作之前對工作場景、工作內(nèi)容和工作標準規(guī)范進行充分了解，為即將開始的工作做好最充分的技術(shù)準備。日常巡視方面，員工可以利用系統(tǒng)中的定點傳送功能，實現(xiàn)各巡視點的快速巡視，學(xué)員可以在和現(xiàn)實變電站環(huán)境一樣的虛擬變電站場景當中，完成日常巡視的模擬，并且不再需要像現(xiàn)實當中一樣將大量的時間花費在場地的往返上，學(xué)員只需要利用HTC VIVE設(shè)備中的手柄瞬移功能，便可以立刻到達虛擬變電站場景當中的各個角落，對各巡視點進行巡視。

二、虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計

本項目中將以先進的三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)為核心，并綜合應(yīng)用沉浸式硬件外設(shè)（如HTC VIVE設(shè)備、空間動作捕捉設(shè)備等），研究開發(fā)沉浸式VR供用電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

仿真軟件支撐平臺的架構(gòu)主要包括兩層：其中一層為連接系統(tǒng)平臺和外部顯示設(shè)備和輸入設(shè)備的接口層，接口層中主要包括圖形用戶接口、輸入控制接口及其他一些輸入輸出接口；另外一層為實現(xiàn)系統(tǒng)平臺主體功能的功能實現(xiàn)層，主要包括UI設(shè)計模塊、角色設(shè)計模塊、任務(wù)設(shè)計模塊、觸發(fā)設(shè)計模塊、動作設(shè)計模塊、資源管理模塊等。

圖形用戶接口：仿真軟件支撐平臺上將實現(xiàn)一系列友好的用戶界面并通過顯示設(shè)備展現(xiàn)給用戶，用戶通過這些界面可以使用平臺中實現(xiàn)的各種設(shè)計、配置和展示功能。通過圖形用戶接口可以很直觀的實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互，也即人機交互，從而實現(xiàn)良好的用戶體驗。

輸入控制接口：輸入控制接口用于接收用戶的所有輸入控制信息，如鼠標鍵盤等常規(guī)輸入設(shè)備控制接口，也包括kinect等空間動作捕捉設(shè)備的控制接口。輸入控制接口將用戶的各種控制信息，解析后轉(zhuǎn)換為對系統(tǒng)中各個細節(jié)的控制，如虛擬角色在變電站場景中漫游，操作設(shè)備面板等。

其他輸入輸出接口：系統(tǒng)平臺中還將預(yù)留輸入輸出控制接口的基本模板，用以實現(xiàn)系統(tǒng)后期輸入控制和輸出顯示擴展。

UI設(shè)計模塊：UI設(shè)計模塊是仿真軟件支撐平臺中實現(xiàn)人機交互的一個重要模塊，它包括樣式設(shè)計、控件設(shè)計和界面設(shè)計等3個子模塊，通過這3個子模塊共同完成。各種用戶界面的設(shè)計，包括變電站中后臺界面的設(shè)計、各種電氣設(shè)備操作面板界面設(shè)計、表計界面設(shè)計。其中樣式設(shè)計子模塊實現(xiàn)各種界面、控件的外觀自定義設(shè)計；控件設(shè)計子模塊完成各種用戶界面上按鈕、標簽等操作單元的自定義設(shè)計；界面設(shè)計子模塊完成各種界面的底圖框架設(shè)計。

角色設(shè)計模塊：虛擬人，也即虛擬角色的場景漫游功能是沉浸式變電虛擬仿真實操培訓(xùn)系統(tǒng)的特色功能，也是基礎(chǔ)功能之一。而角色設(shè)計模塊就是專門為仿真軟件中角色漫游提供的配置功能模塊，通過此模塊可以對虛擬角色的各個方面進行參數(shù)設(shè)置，如角色在場景中的虛化角色模型、漫游速度、重力系數(shù)、彈跳系數(shù)，初始坐標、方位等。

任務(wù)設(shè)計模塊：沉浸式變電虛擬仿真實操培訓(xùn)系統(tǒng)中需要實現(xiàn)各種倒閘操作、事故處理及日常巡視的模擬，這些工作都需要遵循特定的工作流程和標準規(guī)范進行，因此需要以任務(wù)的形式進行設(shè)計。通過任務(wù)設(shè)計模塊可以對參與任務(wù)的角色數(shù)量，任務(wù)的內(nèi)容，每個操作步驟/任務(wù)項的細節(jié)（如操作角色、操作對象，分數(shù)等）進行設(shè)計。

觸發(fā)設(shè)計模塊：要實現(xiàn)用戶和三維場景的交互，空間觸發(fā)是必不可少的，通過空間觸發(fā)可以獲取用戶在三維空間的操作信息，并將這些操作信息發(fā)送給系統(tǒng)，由系統(tǒng)控制三維場景做出相應(yīng)的變化，以響應(yīng)這些操作。通過觸發(fā)設(shè)計模塊可以在三維空間中任意位置放置空間觸發(fā)，設(shè)置觸發(fā)大小，方位，并為觸發(fā)綁定若干響應(yīng)事件，如鼠標單擊事件，進入事件等，最后為相應(yīng)的響應(yīng)事件綁定響應(yīng)動作，便可實現(xiàn)用戶與虛擬場景的三維交互，如通過鼠標在虛擬設(shè)備開關(guān)上進行點擊控制設(shè)備動作等。

動作設(shè)計模塊：動作是三維場景中所有動態(tài)展示的總和，如一張用戶界面的顯示、開關(guān)的分合、信號燈的亮滅，接地線的掛上和拆除等。通過動作設(shè)計模塊，可以實現(xiàn)動作標識的設(shè)置、動作的類型（如界面顯示動作、設(shè)備動畫播放動作、信號燈信號切換動作等）的設(shè)置、動作參數(shù)的設(shè)置等，同時通過動作設(shè)計模塊中的預(yù)覽功能可以對各工作進行預(yù)覽，從而快速查看動作產(chǎn)生的效果。動作設(shè)計模塊是強化3D展示，豐富UI交互的重要功能模塊。

資源管理模塊：所有系統(tǒng)的設(shè)計過程當中都需要用到各種各樣的資源，如文件素材，多媒體資源等，沉浸式變電虛擬仿真實操培訓(xùn)系統(tǒng)也不例外。資源管理模塊就是對所有的項目資源進行管理和維護（添加和刪除），以實現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的快速調(diào)用，如顯示一張圖片，播放一段視頻等。

三、虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)工具如下所示：

主要建模軟件：3ds Max、Maya

主要開發(fā)語言：Java Script，C#，C++

數(shù)據(jù)存儲方式：外部數(shù)據(jù)文件（XML、Oracle數(shù)據(jù)庫）

主要開發(fā)工具：Unity3D 5.5.0

具體實現(xiàn)以下幾個功能：

1）場景文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能

主要包括原始場景文件的導(dǎo)入以及編輯好的場景文件的導(dǎo)出等功能。軟件中可以進行場景文件的導(dǎo)入，并對導(dǎo)入的場景文件進行設(shè)計，包括空間觸發(fā)設(shè)計、用于界面設(shè)計、操作條件設(shè)計等；設(shè)計好的場景文件也可以導(dǎo)出為外部文件。

2）考核任務(wù)設(shè)計功能

用戶可以為場景新建一個考核任務(wù)，并將操作步驟添加到任務(wù)當中。同時可以隨時修改或刪除考核任務(wù)中的已有操作步驟，也可以調(diào)整任務(wù)中操作步驟的排列順序，完成的任務(wù)信息可以進行實時保存。考核任務(wù)設(shè)計模塊可以三維場景為背景設(shè)計各種業(yè)務(wù)流程以及三維交互培訓(xùn)任務(wù)。

3）用戶界面設(shè)計模塊

用戶界面設(shè)計模塊包括新增用戶界面、用戶界面基本信息編輯功能、用戶界面尺寸編輯功能、用戶界面樣式編輯功能、用戶界面布局編輯功能、用戶界面刪除功能以及用戶界面保存功能。在三維仿真考核軟件中，僅僅通過空間觸發(fā)來完成所有的三維交互，會使項目的設(shè)計工作量和復(fù)雜程度大大增加，很多場合下，使用用戶界面往往可以達到更好的三維體驗效果。

4）用戶控件設(shè)計模塊

用戶控件設(shè)計模塊包括新增控件到界面、控件基本信息編輯功能、控件尺寸編輯功能、控件樣式編輯功能、控件刪除功能、控件保存功能、控件響應(yīng)信息設(shè)計功能、控件響應(yīng)信息設(shè)計等功能?？丶怯脩艚缑嫔媳夭豢缮俚慕M成要素，絕大多數(shù)交互都通過界面上的控件來完成，界面設(shè)計的主要工作量也用于控件設(shè)計。用戶同樣可以對控件的尺寸、樣式進行設(shè)計，并對已有的空間進行修改或刪除操作。所有的控件信息在用戶界面保存時，會作為界面的附屬單元信息被保存。

5）界面樣式設(shè)計模塊

界面樣式設(shè)計模塊包括新增界面樣式、樣式基本信息設(shè)計功能、界面樣式刪除功能、界面樣式保存等功能。所有界面及控件的樣式首先都要在界面樣式設(shè)計模塊中進行設(shè)計，樣式是界面和控件給用戶的直觀視覺感受，界面及控件樣式設(shè)計的好壞，會大大影響用戶的交互體驗。通過界面樣式設(shè)計模塊，可以新增界面樣式，也可以對已有界面樣式進行修改或刪除，并實時保存設(shè)計好的樣式。

6）動作設(shè)計模塊

動作設(shè)計模塊包括新增動作、動作類型選擇、動作參數(shù)設(shè)置、動作刪除功能、動作信息保存等功能。動作是三維交互設(shè)計中的重要組成部分，它是三維空間動態(tài)可交互的首要條件。動作是各種空間觸發(fā)和控件觸發(fā)的細節(jié)實現(xiàn)，如顯示或隱藏某個界面、點亮或熄滅某盞燈等等，都屬于動作。

用戶可以新建各種類型的動作，對已有動作進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的動作信息。

7）條件設(shè)計模塊

條件設(shè)計模塊包括新增條件、條件信息設(shè)計功能、條件信息設(shè)計功能、條件信息保存功能。條件同樣是三維交互設(shè)計中的重要組成部分，現(xiàn)實中很多事情的發(fā)生都有一定的前提條件，條件設(shè)計模塊便是用于這種場合。用戶可以選擇為某個事件綁定條件，也可以不綁定。

用戶可以新建各種類型的條件，對已有條件進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的條件信息。

8）知識庫設(shè)計模塊

知識庫設(shè)計模塊包括新增知識項、知識項內(nèi)容設(shè)計功能、知識項刪除功能、知識項保存等功能。知識庫可以為考核任務(wù)提供全面的在線幫助功能，用戶可以新建知識項，為每個知識項設(shè)計知識內(nèi)容，內(nèi)容包括文字、圖片、音頻和視頻。用戶可以隨時打開知識庫模塊查看對應(yīng)的知識項。用戶可以新建各種知識項，對已有知識項進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的知識庫信息。

9）場景配置模塊

場景配置模塊主要包括場景基本信息配置功能、場景環(huán)境信息配置功能、任務(wù)角色信息配置、小地圖配置功能。基本信息配置用于對場景文件的名稱、場景圖片等信息進行配置。環(huán)境信息配置主要用于對體驗環(huán)境進行配置，包括背景音樂、環(huán)境顏色、渲染通道類型和視距等屬性進行設(shè)置。角色信息配置主要用于對角色名稱、角色對象、角色屬性、碰撞外形、漫游參數(shù)等屬性進行設(shè)置。

10）資源管理模塊

資源管理模塊包括圖片資源導(dǎo)入和導(dǎo)出功能音頻資源導(dǎo)入和導(dǎo)出功能、視頻資源導(dǎo)入和導(dǎo)出功能以及天空盒導(dǎo)入和導(dǎo)出功能。

四、結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在社會生產(chǎn)、生活中獲得了廣泛的運用。VR仿真培訓(xùn)就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學(xué)員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過VR仿真培訓(xùn)的模式實現(xiàn)智能化供用電運行培訓(xùn)，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學(xué)員培訓(xùn)過程中的進入感，強化培訓(xùn)效果。

張帥（1988—），湖北宜昌人，工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計院有限公司。

嚴浩軍（1963—），男，浙江余姚人，高級工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計院有限公司。