陳天旭，王玉瑾，郭洋洋，徐德會(huì)

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶401420；2.重慶理工大學(xué)，重慶400050)

1 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了許多變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)投入使用，并取得了良好的效果[1]。變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要用于檢修人員熟悉變電場(chǎng)所和設(shè)備，幫助其管理檢修變電站。但是，這些仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由物理仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合，只有二維畫面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維立體圖，真實(shí)感較差。若使用專有設(shè)備培訓(xùn)或者現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，又會(huì)導(dǎo)致培訓(xùn)更加復(fù)雜且昂貴，這影響了變電站檢修工作和培訓(xùn)工作的進(jìn)展[2～5]。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性、想象性的特點(diǎn)，所以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬變壓器工作，檢修人員可以在模擬系統(tǒng)上反復(fù)模擬對(duì)故障的處理，這種方法既保證了培訓(xùn)人員的安全問(wèn)題，又解決了培訓(xùn)成本昂貴的問(wèn)題，是目前實(shí)現(xiàn)變壓器修培訓(xùn)工作較好的選擇，對(duì)提高檢修人員工作水平也具有重要意義[6，7]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)變壓器檢修系統(tǒng)的功能分析

用于實(shí)踐的虛擬現(xiàn)實(shí)檢修系統(tǒng)的基本思想就是分別從運(yùn)行和檢修兩個(gè)方面考慮，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立一個(gè)高度逼真的檢修場(chǎng)景，并將設(shè)備的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)接入其中，使檢修人員能夠在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)實(shí)中設(shè)備的運(yùn)行情況，并且針對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的狀況，進(jìn)行觀察、操作、故障模擬、拆裝等作業(yè)，最終用于指導(dǎo)實(shí)踐工作。

2.1 變壓器檢修系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)變壓器檢修系統(tǒng)主要功能包括：①變電站場(chǎng)景漫游：以實(shí)地為例，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)變電站虛擬場(chǎng)景，檢修人員在虛擬場(chǎng)景里漫游，并觀察變壓器的結(jié)構(gòu)、尺寸等外部結(jié)構(gòu)；②變壓器的操作：在虛擬環(huán)境中對(duì)變壓器進(jìn)行操作，不僅節(jié)省了培訓(xùn)成本，也突破了場(chǎng)地和時(shí)間的限制，極大提高了培訓(xùn)效率；③常見(jiàn)事故處理：在虛擬場(chǎng)景里模擬變壓器常見(jiàn)事故，讓檢修人員對(duì)事故進(jìn)行處理，使檢修人員反復(fù)練習(xí)事故處理方法；④變壓器主要元器件的拆裝訓(xùn)練：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下對(duì)變壓器進(jìn)行拆裝重組的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使檢修人員對(duì)變壓器內(nèi)、外部的構(gòu)成有一個(gè)全面、直觀的認(rèn)識(shí)，可以提高變壓器檢修的工作效率。

2.2 變壓器檢修系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變壓器檢修系統(tǒng)擁有以下特點(diǎn)：①現(xiàn)場(chǎng)演練與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)變壓器進(jìn)行還原，再由輔助設(shè)備模擬出變電場(chǎng)所的溫度、濕度等現(xiàn)實(shí)環(huán)境，高度還原變壓器檢修運(yùn)行實(shí)際情況；②知識(shí)性與趣味性相結(jié)合，在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，每進(jìn)行一個(gè)環(huán)節(jié)的操作，都有相關(guān)的知識(shí)問(wèn)答，只有答對(duì)問(wèn)題方能進(jìn)行下一步的操作；③體驗(yàn)性與實(shí)訓(xùn)性相結(jié)合，在整個(gè)虛擬環(huán)境中，檢修人員可以對(duì)變電站部分器件進(jìn)行移動(dòng)操作，在實(shí)現(xiàn)變壓器檢修訓(xùn)練的同時(shí)，也可以體驗(yàn)整個(gè)變電場(chǎng)所。

2.3 變壓器檢修系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和流程

整個(gè)變壓器檢修系統(tǒng)采用3ds Max對(duì)變電站進(jìn)行建模以及簡(jiǎn)單優(yōu)化，然后利用VRP平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和交互處理，具體流程如圖1。

圖1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法流程

3 虛擬現(xiàn)實(shí)變壓器檢修系統(tǒng)的三維場(chǎng)景建模及優(yōu)化

3.1 3ds Max三維建模

三維建模主要是利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景，此系統(tǒng)采用3ds Max軟件以便于配合后期VR交互設(shè)計(jì)過(guò)程。具體步驟如下。

3.1.1 三維建模

由于VR－DEMO最終運(yùn)行速度受到VR場(chǎng)景模型的總面數(shù)、總個(gè)數(shù)以及總貼圖量的影響。因此，在變壓器檢修系統(tǒng)建模時(shí)，利用Attach命令與Collapse命令對(duì)同類材質(zhì)或者同一屬性的模型進(jìn)行合并處理以減少模型個(gè)數(shù)；對(duì)于Plane模型面、Cylinder模型面、Line模型面、曲線形狀模型、bb－物體的表現(xiàn)都盡量用少的面數(shù)和分段去表現(xiàn)。

3.1.2 材質(zhì)貼圖

在完成變壓器場(chǎng)景模型的建立之后，就可以為模型添加材質(zhì)了。①確定變壓器的材質(zhì)屬性類別，利用標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，在漫反射通道添加一個(gè)位圖文件模擬變壓器的表面紋理。②UVW貼圖坐標(biāo)調(diào)整，將材質(zhì)賦予給變壓器。③UV貼圖拆分，當(dāng)為變壓器添加完UVW貼圖坐標(biāo)以后，利用Unwrap UVW編輯修改器對(duì)變壓器模型的UV進(jìn)行拆分，輸出平面貼圖到Photoshop中進(jìn)行繪制，然后再指定到變壓器模型中。

3.1.3 燈光照明

變壓器虛擬場(chǎng)景燈光的布置就是將場(chǎng)景理解成一個(gè)box，由6個(gè)面組成，在6個(gè)面都打上燈，每盞燈設(shè)置不同的參數(shù)來(lái)控制和表現(xiàn)明暗關(guān)系。

3.1.4 渲染烘焙

在3ds Max中為變壓器模型添加了材質(zhì)和燈光之后，既可以用3ds Max默認(rèn)渲染器Scanline渲染，也可以使用高級(jí)光照渲染。由于高級(jí)光照渲染可以產(chǎn)生全局照明和真實(shí)漫反射效果，所以本系統(tǒng)采用高級(jí)光照渲染。

在3ds Max中進(jìn)行烘焙的工具是“渲染(Render)＞渲染到紋理(Render To Texture)”命令。

3.2 VRP交互設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)變壓器檢修系統(tǒng)是利用3ds Max軟件進(jìn)行建模以及整體裝配，但是并不能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游以及變壓器檢修操作的互動(dòng)功能。因此，要實(shí)現(xiàn)上述功能，就需要將模型導(dǎo)入基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平臺(tái)VRP中。在該平臺(tái)中對(duì)場(chǎng)景漫游及變壓器拆卸等交互動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]。

3.2.1 模型導(dǎo)出

將3ds Max中完成的變壓器及相關(guān)環(huán)境的模型利用VRP－for－Max插件導(dǎo)入VRP－Builder中就可以對(duì)交互動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2 漫游及拆卸等交互設(shè)計(jì)

在VRP界面中對(duì)導(dǎo)入的場(chǎng)景模型，并添加按鈕實(shí)現(xiàn)漫游效果和相機(jī)功能。在左側(cè)設(shè)置按鈕區(qū)域，在右側(cè)的編輯界面中添加相應(yīng)的按鈕功能；然后，在腳本編輯器中寫入代碼程序來(lái)實(shí)現(xiàn)交互動(dòng)作。

3.2.3 特效與環(huán)境制作

在VRP中對(duì)系統(tǒng)添加天空盒，通過(guò)天空盒面板進(jìn)行360°全景環(huán)境的制作。

3.2.4 編譯輸出

當(dāng)虛擬交互場(chǎng)景制作完成后，利用 “設(shè)置運(yùn)行參數(shù)”按鈕，在 “項(xiàng)目設(shè)置”對(duì)話框中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置各選項(xiàng)內(nèi)容。設(shè)置完成后即可單擊 “運(yùn)行”，VRPBuilder會(huì)啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)置瀏覽器將編輯的場(chǎng)景以最終產(chǎn)品的形式展現(xiàn)出來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變壓器場(chǎng)景的特殊性，通過(guò)三維建模以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了變壓器檢修模擬的場(chǎng)景，并對(duì)模型進(jìn)行渲染，設(shè)置了交互動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)變壓器檢查、故障模擬、拆裝等功能。從而提高了變壓器的檢修培訓(xùn)工作效率和安全運(yùn)行效率，也提高了變壓器檢修培訓(xùn)的智能化水平。