廖 峰，韓志偉

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)的牽引變電所仿真技術(shù)研究

廖 峰，韓志偉

針對(duì)牽引供電系統(tǒng)傳統(tǒng)培訓(xùn)方式受場(chǎng)地、安全、成本等因素限制，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的牽引變電所仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)，對(duì)牽引變電所進(jìn)行全三維場(chǎng)景建模，并對(duì)系統(tǒng)三維場(chǎng)景組織方式進(jìn)行對(duì)比，研究三維場(chǎng)景模型和地形資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，同時(shí)將三維場(chǎng)景與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了牽引變電所的沉浸式系統(tǒng)仿真。實(shí)踐證明，該仿真平臺(tái)模擬真實(shí)度高，使培訓(xùn)方式更加具體形象，極大地提高了培訓(xùn)效率。

牽引變電所仿真；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；資源動(dòng)態(tài)調(diào)度

0 引言

牽引變電所連接電力網(wǎng)和牽引網(wǎng)，是牽引供電系統(tǒng)中電能傳輸?shù)闹匾糠?。牽引變電所的安全可靠運(yùn)行對(duì)確保電力機(jī)車安全穩(wěn)定取流具有重要意義，而變電所運(yùn)行維護(hù)人員則是影響牽引變電所安全可靠運(yùn)行的直接因素[1]。因此，加強(qiáng)對(duì)變電所運(yùn)行維護(hù)人員的技術(shù)技能培訓(xùn)顯得至關(guān)重要[2]。

近年來，美國(guó)、加拿大等國(guó)家已陸續(xù)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電所三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，而我國(guó)在這方面處于起步和探索階段[3，4]。文獻(xiàn)[5]建立了虛擬電氣設(shè)備及變電所，將基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真軟件與虛擬變電所連接，模擬變電所的運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[6]通過3ds Max建模，利用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP提供的漫游功能，通過對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象的操作和控制，實(shí)現(xiàn)虛擬變電所培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用功能；文獻(xiàn)[7]利用3ds Max建模工具和DynaVR-Net虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了桌面型虛擬變電所仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

在牽引變電所傳統(tǒng)培訓(xùn)中，學(xué)員主要通過觀看視頻、閱讀教材、現(xiàn)場(chǎng)參觀、師傅傳授等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，而這些培訓(xùn)方式存在以下缺陷[8，9]：（1）培訓(xùn)所需的硬件設(shè)備費(fèi)用較高，且培訓(xùn)場(chǎng)地建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，培訓(xùn)安全性較低；（2）除現(xiàn)場(chǎng)參觀，其他培訓(xùn)方式中，學(xué)員缺乏對(duì)設(shè)備的直觀了解；（3）培訓(xùn)難以模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的設(shè)備故障、設(shè)備維修等特殊設(shè)備狀態(tài)。

因此，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)變電所進(jìn)行三維建模，構(gòu)造虛擬三維變電所場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所系統(tǒng)的全三維化系統(tǒng)仿真，為受訓(xùn)學(xué)員提供一個(gè)虛擬的仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)員進(jìn)行巡視、值班、倒閘、檢修等職能培訓(xùn)，藉此可解決上述傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的不足。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

牽引變電所的日常工作主要包括電氣設(shè)備巡視、倒閘、工作票辦理、檢修和故障處理等[10]。由于變電所場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)多、規(guī)模大，電氣設(shè)備分布集中、邏輯操作復(fù)雜，為了保證仿真平臺(tái)渲染的實(shí)時(shí)性、操作的邏輯性以及可擴(kuò)展性，基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出一種牽引變電所三維虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)方案。該平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)資源層、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層和人機(jī)交互層，如圖1所示。

圖1 牽引變電所三維虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)資源場(chǎng)景的組織

2.1 牽引變電所場(chǎng)景結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)牽引變電所設(shè)計(jì)圖紙等資料，在對(duì)變電所設(shè)備進(jìn)行高精度建模的基礎(chǔ)上，對(duì)牽引變電所三維場(chǎng)景進(jìn)行組織。三維場(chǎng)景分為室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景。室外場(chǎng)景主要包括隔離開關(guān)、互感器、斷路器、變壓器等三維模型。室內(nèi)場(chǎng)景包括工具室、值班室、高壓室、檢修室等場(chǎng)景。工具室場(chǎng)景包括各類電氣工具模型；值班室場(chǎng)景模擬職守人員日常辦公；高壓室場(chǎng)景主要包括斷路器等高壓設(shè)備模型；檢修室場(chǎng)景模擬日常各類檢修作業(yè)。圖2為牽引變電所的整體布局結(jié)構(gòu)圖。

圖2 牽引變電所布局結(jié)構(gòu)

2.2 三維場(chǎng)景組織方式研究

三維場(chǎng)景組織方式包括靜態(tài)幾何、實(shí)例幾何和實(shí)體幾何3種。采用此3種方式分別進(jìn)行三維模型的大規(guī)模渲染以比較其渲染效率，如表1所示。三維場(chǎng)景中渲染了50個(gè)隔離開關(guān)模型，3種組織方式的三維效果相似，但靜態(tài)幾何渲染和實(shí)例幾何渲染的批次數(shù)相同而且較低，幀率較高，相同數(shù)量的實(shí)體幾何渲染批次數(shù)較高，幀率較低。因此，在對(duì)牽引變電所場(chǎng)景進(jìn)行組織時(shí)，應(yīng)減少實(shí)體幾何的使用，只保留部分關(guān)鍵設(shè)備實(shí)體幾何的應(yīng)用。

表1 三維場(chǎng)景組織方式的批次及幀率對(duì)比

3 三維實(shí)景地形仿真

三維地形由一系列地形網(wǎng)格組成，將平面網(wǎng)格的每個(gè)頂點(diǎn)賦予一個(gè)在方向上延伸的高度值，通過該方式繪制一塊具有高低起伏效果的平面，從而模擬現(xiàn)實(shí)世界中的地形。

高度圖實(shí)際是一個(gè)二維數(shù)組，該數(shù)組包含每個(gè)數(shù)組元素的索引值和存儲(chǔ)值，即灰度圖中的像素和像素的灰度值。而地形網(wǎng)格同樣也包含網(wǎng)格頂點(diǎn)和網(wǎng)格頂點(diǎn)的高度。因此，高度圖中二維數(shù)組的每個(gè)元素與地形網(wǎng)格中頂點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。二維數(shù)組的索引值可以用于定位不同的網(wǎng)格頂點(diǎn)（,），其所儲(chǔ)存的數(shù)值可以用于設(shè)置網(wǎng)格的高度（）。只需依次遍歷高度圖二維數(shù)組的行和列，獲取每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，并將其填充到對(duì)應(yīng)網(wǎng)格頂點(diǎn)的高度（）數(shù)據(jù)中，即可生成與高度圖對(duì)應(yīng)的具有高低起伏效果的地形網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 包含高度信息的地形網(wǎng)格

通過紋理映射技術(shù)將紋理貼圖映射到具有高度信息的地形網(wǎng)格上，使得地形網(wǎng)格具備顏色紋理等信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界地形的重構(gòu)，完成了在變電所仿真系統(tǒng)中真實(shí)地形的模擬，模擬效果如圖4所示。

圖4 三維實(shí)景地形模擬

4 三維場(chǎng)景模型動(dòng)態(tài)調(diào)度算法

由于三維場(chǎng)景涉及大量的渲染數(shù)據(jù)，如采用傳統(tǒng)的一次性加載三維場(chǎng)景全部數(shù)據(jù)的方法，會(huì)導(dǎo)致初次加載三維場(chǎng)景時(shí)出現(xiàn)較長(zhǎng)的等待時(shí)間，并占用大部分的內(nèi)存資源。三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存和外存之間的傳輸效率與其外總線速率關(guān)系較大，計(jì)算機(jī)外總線的傳輸速率往往低于內(nèi)總線的傳輸速率，CPU的等待時(shí)間會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增大而增加。為避免該問題，需將三維場(chǎng)景設(shè)備模型資源和地形資源分離，并分別對(duì)兩者進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。

4.1 變電所三維模型混合加載研究

三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)加載采用同步加載與異步加載相結(jié)合的方式。程序初始化時(shí)，采用同步加載方式快速加載三維場(chǎng)景關(guān)鍵區(qū)域模型，以滿足用戶基本使用需求；同步加載結(jié)束后，采用異步加載方式加載三維場(chǎng)景剩余區(qū)域模型。該動(dòng)態(tài)加載方式極大地縮短了三維場(chǎng)景初始化過程中的等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。

（1）同步加載模式加載關(guān)鍵區(qū)域模型。

同步加載模式，即阻塞模式，其阻止程序的后續(xù)處理，停止了后續(xù)的解析，因而停止了后續(xù)的文件加載（如圖像）、渲染、代碼執(zhí)行。因此同步加載模式不應(yīng)對(duì)后續(xù)程序的執(zhí)行產(chǎn)生過大影響。本文所述的同步加載模式僅加載三維場(chǎng)景關(guān)鍵區(qū)域模型。三維場(chǎng)景關(guān)鍵區(qū)域定義為牽引變電所室外的一次設(shè)備、二次設(shè)備和能與一/二次設(shè)備構(gòu)成較為完整場(chǎng)景的對(duì)象，如變電所內(nèi)房屋建筑、地板、道路、圍欄、支持裝置等。

（2）異步加載模式加載剩余區(qū)域模型。

異步加載模式，即非阻塞模式，在執(zhí)行異步加載程序的同時(shí)，仍然繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的處理程序。在三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)加載模式中，除去同步加載模式下加載的模型外，異步加載程序?qū)⒓虞d剩余的所有三維場(chǎng)景模型，如變電所室內(nèi)設(shè)備、地形模型、變電所外自然環(huán)境模型等。

4.2 三維場(chǎng)景地形模型動(dòng)態(tài)調(diào)度研究

三維場(chǎng)景地形加載時(shí)，改變以往一次性將全部地形數(shù)據(jù)資源加載到內(nèi)存的方法，在三維場(chǎng)景的異步加載模式下，采用實(shí)時(shí)解析人物模型位置數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)度其所在地形塊及其周圍地形塊的方法，加載一次僅占用少量的I/O時(shí)間，既提高了效率，又實(shí)現(xiàn)了不同地形之間漫游的平滑過渡和保持系統(tǒng)占用內(nèi)存處于較低水平。

在程序的運(yùn)行過程中，用戶通過第一人稱控制器在地形場(chǎng)景中漫游，通過場(chǎng)景攝像機(jī)獲取視野范圍內(nèi)的地形場(chǎng)景，因此場(chǎng)景中用戶能看見的部分是由當(dāng)時(shí)場(chǎng)景攝像機(jī)所在的位置信息所決定，而場(chǎng)景攝像機(jī)所在位置又是由第一人稱控制器決定，所以系統(tǒng)只需根據(jù)當(dāng)前第一人稱控制器的參數(shù)，對(duì)每幀作出是否加載或卸載周圍地形塊的策略，加載需要進(jìn)入可視區(qū)的地形，卸載遠(yuǎn)離觀察者的地形即可。圖5為地形塊加載示意圖。

圖5 地形塊加載示意圖

如圖5所示，地形塊（2，2）中五角星標(biāo)志為人物模型所在位置，其周圍灰色區(qū)域?yàn)橐鸭虞d至內(nèi)存的地形，共9塊。圖5所示坐標(biāo)系下，經(jīng)推導(dǎo)，地形塊編號(hào)（_，_）與人物模型位置（，）換算關(guān)系式為

式中，為地形塊單元的軸向長(zhǎng)度，為地形塊單元的軸向?qū)挾龋?為取模運(yùn)算符，為整個(gè)地形在軸向的地形塊個(gè)數(shù)，為整個(gè)地形在軸向的地形塊個(gè)數(shù)。

5 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式系統(tǒng)仿真

為了更真實(shí)地反映牽引變電所的結(jié)構(gòu)和組成，增強(qiáng)系統(tǒng)沉浸式體驗(yàn)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)對(duì)牽引變電所三維場(chǎng)景進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，將搭建完成的牽引變電所三維場(chǎng)景渲染至雙目頭盔式立體眼鏡結(jié)構(gòu)的左右顯示屏，通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的高精度傳感器跟蹤人體頭部動(dòng)作。當(dāng)使用者環(huán)顧周圍時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔立體眼鏡以亞毫米級(jí)的精度跟蹤人體頭部動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)“六自由度”的三維場(chǎng)景操作，因而用戶可對(duì)變電所虛擬場(chǎng)景進(jìn)行高自由度的漫游操作?；趯?duì)牽引變電所的高精度建模，學(xué)員在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中仍然可以觀察到逼真的設(shè)備模型及其運(yùn)行狀況，渲染效果良好，如圖6、圖7所示。

圖6 沉浸式3D虛擬場(chǎng)景仿真

圖7 牽引變電所三維仿真場(chǎng)景

6 結(jié)語

針對(duì)牽引供電系統(tǒng)對(duì)工作人員技能要求的特殊性和傳統(tǒng)培訓(xùn)方式受場(chǎng)地、設(shè)備、安全、成本等因素限制的缺陷，將三維模擬技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到牽引變電所仿真系統(tǒng)中，對(duì)變電所進(jìn)行全三維場(chǎng)景建模，并對(duì)系統(tǒng)三維場(chǎng)景組織方式進(jìn)行對(duì)比研究，使用紋理映射技術(shù)對(duì)真實(shí)世界地形進(jìn)行仿真，研究實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景模型和地形資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，同時(shí)將三維場(chǎng)景與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所的沉浸式系統(tǒng)仿真。該仿真平臺(tái)具有成本低、模擬真實(shí)度高、無危險(xiǎn)、可反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)，可極大地提高培訓(xùn)效率，增強(qiáng)培訓(xùn)效果，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在員工培訓(xùn)方面的有效應(yīng)用。

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With respect of factors of places, safety and costs restricting traditional training mode for traction power supply system, the paper puts forward the virtue reality based simulation and design platform for traction substation, by establishing of all three dimensional landscape model for traction substation, comparison of the organization mode of system three dimensional landscape, the researches are made for the dynamic dispatching technology for three dimensional landscape model and terrain resources, and immersive system simulation of the traction substation is realized with integration of three dimensional landscape and virtual reality technology. The practice shows that the simulation platform has higher simulation trueness, lets the training to be more concrete and vivid, and improves dramatically the training efficiency.

Traction substation simulation; virtue reality technology; dynamic dispatching of resources

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.024

TM743

B

1007-936X(2018)06-0095-04

2018-03-28

廖 峰.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

韓志偉.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金（U51407147）。