張哲

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人類在探索自然過程中創(chuàng)造形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)、研究和利用自然的科學(xué)方法和技術(shù)。變電站作為電力系統(tǒng)運(yùn)行中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其特殊性決定了相關(guān)工作的開展很難利用實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)施，因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于變電站工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；變電站；虛擬仿真

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）184-0085-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合不同行業(yè)的具體需求，模擬出一個(gè)在視覺、聽覺、觸覺等方面與相關(guān)現(xiàn)實(shí)環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境的先進(jìn)技術(shù)。用戶借助VR頭盔、操作手柄等相關(guān)硬件設(shè)備與所構(gòu)建的數(shù)字化環(huán)境中的相關(guān)對(duì)象進(jìn)行交互操作，可以產(chǎn)生身臨其境的虛擬感受和體驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，各行各業(yè)對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及需求不斷增加。變電站作為電力系統(tǒng)運(yùn)行中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其特殊性決定了相關(guān)工作的開展很難利用實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)施，因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于變電站工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文著重分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站相關(guān)工作中運(yùn)用的方式方法，并對(duì)可能出現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站相關(guān)工作中的應(yīng)用

開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站相關(guān)工作中的應(yīng)用研究，應(yīng)主要對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、培訓(xùn)、檢修、維護(hù)等各階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能需求分析、應(yīng)用方式和智能專家系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究?？偟膩碇v主要由以下幾個(gè)方面構(gòu)成。

1.1 高精度、可擴(kuò)展的元器件模型通用圖庫的構(gòu)建及虛擬場(chǎng)景開發(fā)

創(chuàng)建一個(gè)能使用戶獲得逼真的沉浸式體驗(yàn)感受的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須能根據(jù)相關(guān)需求高精度的模擬現(xiàn)實(shí)變電站中的一切對(duì)象?；?DS Max/Maya等軟件設(shè)計(jì)一套典型電力設(shè)備素材庫，并以Unity 3D作為系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺(tái)完成集視覺、聽覺、觸覺等在外形、質(zhì)感等方面都十分逼真的三維變電站場(chǎng)景的搭建和渲染。

主要關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模（用于建立與真實(shí)對(duì)象酷似，形態(tài)質(zhì)感逼真的系統(tǒng)模型，并通過程序?qū)崿F(xiàn)將模型轉(zhuǎn)換成視景圖像）、幾何模型（用于體現(xiàn)電力設(shè)備或環(huán)境物體等對(duì)象的內(nèi)部固有幾何性質(zhì)）、運(yùn)動(dòng)建模（用于體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中對(duì)象的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等）、物理建模（用于體現(xiàn)重量、材質(zhì)、耐壓度等物理屬性）、對(duì)象行為建模（即動(dòng)態(tài)實(shí)體的活動(dòng)、變化以及與周圍環(huán)境和其他動(dòng)態(tài)實(shí)體的動(dòng)態(tài)關(guān)系）、模型分割（考慮單元分割、變化細(xì)節(jié)、分辨率顯示、脫線預(yù)先計(jì)算以及內(nèi)存管理技術(shù)等提高系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)性研究）。與此同時(shí)，碰撞檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)捕捉是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，隨著用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景沉浸體驗(yàn)感受真實(shí)度要求的不斷提高，對(duì)碰撞檢測(cè)的精度和速度以及實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量、記錄操作者在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在虛擬空間中對(duì)應(yīng)到每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提出了更高要求，所以對(duì)于碰撞檢測(cè)算法以及運(yùn)動(dòng)捕捉功能的開發(fā)研究將直接影響到沉浸式體驗(yàn)的效果。

1.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站設(shè)計(jì)中具有應(yīng)用必要性和可行性，主要的方向應(yīng)為研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程，同時(shí)為了實(shí)際設(shè)計(jì)工作調(diào)用相關(guān)素材方便，應(yīng)建設(shè)完備的變電站虛擬場(chǎng)景設(shè)備元素庫。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，將借助虛擬現(xiàn)實(shí)變電站模型，在規(guī)范化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，靈活的從元素庫中添加使用相關(guān)設(shè)備元素，在施工前建立可視化的變電站設(shè)計(jì)效果模型，以保障設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。

在施工方面，采用虛擬現(xiàn)實(shí)手段，輔助施工管理人員進(jìn)行變電站施工管理，結(jié)合設(shè)計(jì)端變電站效果模型的深入應(yīng)用，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)施工量、模擬施工進(jìn)度、優(yōu)化施工方案等工作。配合現(xiàn)實(shí)變電站的施工建設(shè)，更新設(shè)計(jì)端變電站效果模型的數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬變電站數(shù)據(jù)的高精度化與模型的高可視化。

1.3 基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力培訓(xùn)，需要一定的場(chǎng)地和大量的設(shè)備作為支撐，相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，場(chǎng)地利用率不高，被培訓(xùn)的人員要花費(fèi)很多時(shí)間和精力到特定的培訓(xùn)場(chǎng)所進(jìn)行學(xué)習(xí)，這些因素在很大程度上限制了培訓(xùn)的人數(shù)和培訓(xùn)的質(zhì)量。在充分分析變電站生產(chǎn)作業(yè)培訓(xùn)要求、變電站運(yùn)維（操作技能）培訓(xùn)要求、變電站電力操作培訓(xùn)要求等相關(guān)規(guī)則要求后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)一套集設(shè)備操作、事故案例演練等內(nèi)容的變電站培訓(xùn)系統(tǒng)，建設(shè)基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)變電站培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件和硬件將為電力培訓(xùn)業(yè)務(wù)提供新的思路和方式，培訓(xùn)質(zhì)量也將顯著提高。

2 可能出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)

2.1 高精度的三維模型復(fù)雜，設(shè)備模型的分解過程困難

目前電力元件、儀器、設(shè)備3D模型素材欠缺，更沒有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的元件庫和模型庫，所建模型精細(xì)度達(dá)不到要求，未能體現(xiàn)模型設(shè)備內(nèi)部零部件結(jié)構(gòu)，沒有在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行分解的功能，不便于對(duì)電力設(shè)備結(jié)構(gòu)的理解，急需建立VR平臺(tái)環(huán)境，包括高精度的各種一、二次設(shè)備模型、輔助設(shè)備模型，各種設(shè)備模型具備相應(yīng)設(shè)備的功能響應(yīng)特性，如變壓器的投切、開關(guān)的開合、各種檔位的變化等等。為能實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常操作、事故應(yīng)急處理、相關(guān)巡視工作等功能，所建的模型必須提供相應(yīng)的人機(jī)交互接口功能。因此，在數(shù)據(jù)的層面上如何體現(xiàn)各種設(shè)備的使用特性，以及設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備和系統(tǒng)之間的交互通信機(jī)制設(shè)計(jì)將成為克服的難點(diǎn)。

2.2 虛擬場(chǎng)景逼真性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于變電站除真實(shí)還原變電站環(huán)境、場(chǎng)景，還必須能夠?qū)μ摂M變電站里的各元素進(jìn)行控制，才能更加生動(dòng)立體形象化地模擬實(shí)際過程，增強(qiáng)操作的真實(shí)性以及互動(dòng)性。相關(guān)變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的效果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)差別較大、交互方式不符合實(shí)際操作習(xí)慣、沒有真正體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征，真實(shí)感和沉浸感有所欠缺，且存在顯示慢、延時(shí)大的問題。

2.3 力觸覺反饋系統(tǒng)和虛擬聲重建技術(shù)

力觸覺反饋系統(tǒng)使操作者通過力觸覺的反饋來感受虛擬變電站場(chǎng)景中模型的各種實(shí)際狀態(tài)，對(duì)操作者在虛擬變電站中操作設(shè)備起到引導(dǎo)的作用，并對(duì)實(shí)時(shí)交互起到一定的約束作用。在虛擬變電站環(huán)境里面操作一個(gè)設(shè)備，如拉、合跌落式熔斷器，應(yīng)能感受到操作絕緣桿的重量，拉、合操作的反饋力，為讓用戶有更真實(shí)的體驗(yàn)，需要力反饋感應(yīng)。虛擬變電站環(huán)境中力觸覺感受的建模和生成方法（力覺交互技術(shù)），以及面向虛擬電力操作的力反饋硬件，是技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

另外，在現(xiàn)實(shí)生活中人們是能夠獲知聲音來自于哪些方位的，面對(duì)的方向不同，獲取到聲源的信息便不同，例如在虛擬變電站漫游當(dāng)靠近主變壓器時(shí)，也應(yīng)能聽到相應(yīng)感受的聲音。聲源定位方式和混響系統(tǒng)的構(gòu)建同樣是沉浸感、真實(shí)感的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)階段處于快速發(fā)展過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行業(yè)的推廣和應(yīng)用必將越來越廣泛。在電力系統(tǒng)中，為了節(jié)約企業(yè)成本，提升工作效率，提高培訓(xùn)質(zhì)量，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也必將成為重要的手段。本文針對(duì)變電站相關(guān)工作實(shí)際，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)、培訓(xùn)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究與討論。隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的廣泛和深入應(yīng)用將對(duì)電力系統(tǒng)造成深遠(yuǎn)影響，并帶來顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

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