李長江，侯永剛，王大虎

(河南天通電力有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

目前變電站運維人員培訓(xùn)方式主要有3種,即課堂教學(xué)、投資修建基地和桌面式仿真系統(tǒng)。課堂教學(xué)內(nèi)容枯燥，培訓(xùn)效果差；投資修建實訓(xùn)基地培訓(xùn)效果好，但成本高，更新慢;桌面式仿真系統(tǒng)成本低，但用戶沉浸感差。沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)是通過各種硬件，如立體投影、頭盔顯示器等設(shè)備，把視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，提供一個新的、虛擬的感覺空間，利用空間位置跟蹤器、動作捕捉等輸入設(shè)備，使得參與者完全投入一個更為逼真、可交互沉浸式虛擬環(huán)境[1]。

沉浸式虛擬現(xiàn)實變電站故障仿真系統(tǒng)引入沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可讓學(xué)員通過沉浸式設(shè)備，完全置身于虛擬場景中，并可以操縱場景中的電氣設(shè)備，帶來真實的現(xiàn)場感、沉浸感，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)效率[2]；系統(tǒng)開發(fā)以變電站一次設(shè)備為仿真主體，將一次設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理進行三維展示，做到理論與實踐結(jié)合，提高學(xué)員掌握變電站基礎(chǔ)知識能力；系統(tǒng)采用C#編程和FSM(圖形化編程方式)相結(jié)合的形式，減小了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了研發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可移植性、可擴展性也得到保障[3]。因此,設(shè)計出沉浸式虛擬現(xiàn)實變電站一次設(shè)備教學(xué)仿真系統(tǒng)是對促進變電站培訓(xùn)的一項改革，可加快培訓(xùn)系統(tǒng)升級,對貫徹以人為本的技術(shù)宗旨具有重大的實際意義。

1994年華北電力大學(xué)在國內(nèi)曾首次成功開發(fā)純軟件方式的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[4],該系統(tǒng)采用平面抽象符號的形式表達變電站的邏輯關(guān)系，抽象不直觀，尤其對于初學(xué)者入門門檻高。2016年期間出現(xiàn)了大量的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用報道，但這些系統(tǒng)由于沉浸感不強，都沒有在系統(tǒng)內(nèi)推廣和普及[5],學(xué)員培訓(xùn)效果和目標(biāo)達成度不好,有些系統(tǒng)的設(shè)計過于復(fù)雜龐大，讓初學(xué)者學(xué)習(xí)壓力激增。多年的虛擬仿真教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)出,如何把入門級的知識要點形象地進行展現(xiàn)，對提高培訓(xùn)效果相當(dāng)重要。為此本文首先選擇從變電站一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理為出發(fā)點，著重開發(fā)針對初學(xué)者的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，將抽象難懂的書本知識變成場景逼真的三維場景，讓學(xué)員能快速掌握變電站知識點。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)仿真對象為河南平煤集團正在運行的謝莊變電站，該變電站是一座110 kV的變電站，主要擔(dān)負(fù)著11個廠礦的供電任務(wù)。供電主回路為3條，主備用供電線路1條。35 kV電壓等級現(xiàn)有饋出回路9條，6 kV電壓等級現(xiàn)有饋出回路11條。3臺主變壓器的容量分別為63 kVA、20 kVA、63 kVA，其中2臺63 kVA的1#、2#主變和20 kVA容量的3#主變?yōu)闉檫\行狀態(tài)。日平均負(fù)荷為87 kVA左右，月最高負(fù)荷近110 kVA。

整個系統(tǒng)的開發(fā)以各種專業(yè)性軟件為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計過程中所采用的關(guān)鍵技術(shù)，選擇支持該功能的軟件，綜合各個軟件的特性，完善系統(tǒng)功能。在沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，系統(tǒng)開發(fā)思路可劃分為3步：素材的處理以及模型的準(zhǔn)備、交互功能的開發(fā)、沉浸式培訓(xùn)的實現(xiàn)。素材以及三維模型是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，是交互仿真的前提條件，交互功能的實現(xiàn)是整個仿真的核心，沉浸式培訓(xùn)是系統(tǒng)設(shè)計的最終目的，主要是綜合各個模塊的功能達到想要的效果。系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括，三維建模、三維交互引擎技術(shù)等。

2.1 三維建模技術(shù)

在進行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)過程中，虛擬場景模型的建立主要通過各種建模軟件來實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用3DMax進行建模。如圖2所示建模過程中，首先要進行資料收集，本文以變電站故障仿真為研究對象，要建立的模型主要有變電站設(shè)備、場景以及故障的三維模型，故而應(yīng)收集與變電站相關(guān)的圖片素材、技術(shù)資料以及教學(xué)視屏等作為變電站建模的依據(jù)；在明確建模對象的相關(guān)參數(shù)后，要確定模型間的關(guān)系，根據(jù)Unity3d交互的要求建立模型的父子關(guān)系，依據(jù)實物的物理特征判定模型的層級關(guān)系，模型是實物在三維場景中的映射，故而實物的尺寸決定了三維場景中模型的比例關(guān)系;與此同時，可以利用收集到的素材作為模型的材質(zhì)和貼圖，由于場景中主要是變電站設(shè)備，故而設(shè)備材質(zhì)以鋼鐵材質(zhì)為主;貼圖的好壞將反映模型最終所呈現(xiàn)的視覺效果，其中為使模型更具真實感,采用的貼圖方式有：凹凸貼圖、漫反射貼圖、法線貼圖、衰減貼圖等；在確定模型關(guān)系以及制作好模型材質(zhì)與貼圖后，在3DMax軟件內(nèi)建立三維模型，賦予模型材質(zhì)與貼圖，并將模型擺放到變電站三維場景中，給場景添加燈光、陰影效果，讓其更貼近真實場景；最后對模型進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的模型以.fbx文件和動畫序列幀的形式進行輸出。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計方案圖

圖2 系統(tǒng)建模流程圖

以電壓互感器為例對于建模進行分析。電壓互感器主要由一、二次線圈、鐵芯、絕緣組成，此次仿真過程中電壓互感器為電容式電壓互感器，其實物與三維模型對比如圖3所示。

(a)實物

(b)三維模型

在建立電壓互感器三維模型的過程中，根據(jù)其在變電站中所屬形態(tài)將其劃分為3個部分進行建模。下部的支架部分主要由圓柱體和長方體構(gòu)成，可以采用基礎(chǔ)建模法進行建模，選取長方體、圓柱體為建模基本體，通過縮放、鏡像等命令來實現(xiàn)；中部的接線盒通過將兩個長方體按比例縮放組合而成；上部的鐵芯和絕緣體通過將圓柱體轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形，在點、線、面、元素4個層級下，通過擠出、倒角、縮放、塌陷等命令編輯而成。電壓互感器建模如圖4所示。其他變壓器、電容器、電抗器、隔離開關(guān)等的建模方法類似。

圖4 電壓互感器建模圖

2.2 三維交互引擎技術(shù)

現(xiàn)今國內(nèi)外用作三維交互開發(fā)的主流軟件有：Unreal4、Unity3d、Virtools、Quest3d等,綜合設(shè)計難度和系統(tǒng)開發(fā)成本，本設(shè)計選用Unity3d引擎進行系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)在設(shè)計過程中，考慮設(shè)計成本、系統(tǒng)面向?qū)ο笠约坝脩趔w驗效果等各方面因素，選擇外接式頭戴設(shè)備進行開發(fā)。在外接式頭戴設(shè)備中HTC vive是運用較廣，用戶反饋較好的沉浸式設(shè)備，故而系統(tǒng)開發(fā)過程中選擇HTC vive作為VR設(shè)備進行沉浸式功能開發(fā)。

通過HTC vive設(shè)備與Unity3d軟件對接，可將學(xué)員映射到變電站三維場景中，并與場景中的設(shè)備模型以及故障模型進行交互，進而實現(xiàn)變電站的沉浸式仿真開發(fā)；PC機是系統(tǒng)軟件開發(fā)的載體，PC機的硬件配置決定了場景的分辨率、系統(tǒng)的運行效率以及學(xué)員的最終體驗效果。

HTC vive硬件平臺的主要設(shè)備。

為使HTC vive設(shè)備正常工作，需以一定的順序?qū)υO(shè)備進行安裝，確保各個環(huán)節(jié)正確、有效地運行。HTC vive設(shè)備安裝可分為四步，具體流程如圖5所示。

圖5HTCvive設(shè)備安裝流程圖

實現(xiàn)VR設(shè)備與PC機間的通信，需要對其進行軟件配置。Steam VR是為HTC vive設(shè)備進行沉浸式仿真而專門構(gòu)建的軟件平臺，該平臺可以讓HTC vive設(shè)備與PC機進行聯(lián)機工作，并可選擇相應(yīng)的體驗方式。為使Unity3d里的變電站場景能進行沉浸式仿真，需對仿真系統(tǒng)進行Unity VR配置，使Unity3d軟件通過中間平臺Steam VR與HTC vive設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換，進而實現(xiàn)系統(tǒng)沉浸式仿真功能。

在Unity3d場景中使用Steam VR插件時，要充分利用Asset->SteamVR資源包下的[CameraRig]和[SteamVR]預(yù)制體。在場景開發(fā)過程中，將兩預(yù)制體拖拽到Unity3d軟件的Hierarchy面板中，即可實現(xiàn)Unity3d與HTC vive設(shè)備的對接，進而完成沉浸式功能開發(fā)。如圖6所示。

圖6 [CameraRig]和[SteamVR]預(yù)制

用HTC vive設(shè)備構(gòu)建沉浸式仿真的硬件平臺后，具體交互功能開發(fā)在Unity3d中實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計從變電站總體入手，通過學(xué)員第一視覺認(rèn)識變電站的整體構(gòu)造、工作機理等；再到局部細(xì)節(jié)介紹，包括各個設(shè)備的具體組成、運行原理等；而后通過調(diào)用開發(fā)出的視屏展示模塊，以三維動畫的形式介紹變電站相關(guān)知識。

3 系統(tǒng)測試

通過系統(tǒng)軟件安裝和硬件設(shè)置后，進入仿真選擇界面，該界面將系統(tǒng)劃分為3個模塊：視頻教學(xué)模塊、虛擬實操模塊以及考核系統(tǒng)模塊。在視頻教學(xué)模塊中，以鞏固學(xué)員變電站基礎(chǔ)知識為目的，通過三維動畫的形式，提升學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，縮短學(xué)習(xí)周期；在虛擬實操模塊中，學(xué)員利用HTC vive設(shè)備，在虛擬場景中獲得現(xiàn)實變電站體驗效果，通過視頻教學(xué)、沉浸式漫游、沉浸式設(shè)備交互等環(huán)節(jié)，提升學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)以及變電站故障處理能力。變電站仿真選擇界面如圖7所示。

圖7 變電站仿真選擇界面圖

1)沉浸式漫游。學(xué)員點擊虛擬實操按鈕進入沉浸式仿真環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)分為沉浸式漫游、沉浸式設(shè)備交互以及沉浸式故障處理3個模塊。學(xué)員選擇沉浸式漫游模塊，戴上HTC vive設(shè)備，即可身處變電站虛擬三維場景中，通過HTC手柄實現(xiàn)學(xué)員在變電站場景中的漫游以及瞬移控制。在變電站場景內(nèi)進行沉浸式漫游仿真體驗如圖8所示。

圖8 變站沉浸式漫游體驗圖

2)沉浸式設(shè)備交互。為使學(xué)員對變電站內(nèi)設(shè)備有更為直觀的認(rèn)識，系統(tǒng)仿真過程中加入了沉浸式設(shè)備交互模塊。該模塊在沉浸式漫游場景的基礎(chǔ)上進行擴充，將需要進行展示的設(shè)備模型單獨成組，如變壓器、操作柜、隔離開關(guān)等器件，并給各個模型添加碰撞檢測組件，當(dāng)學(xué)員通過HTC手柄發(fā)出射線照射至模型碰撞器時，界面跳轉(zhuǎn)至該模型的交互場景,學(xué)員在該場景中，通過手柄選擇模型的展示方式，實現(xiàn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)、拆裝，鏡頭的拉遠(yuǎn)、拉近等操作。

4 結(jié)論

以沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開發(fā)為宗旨，以三維建模技術(shù)、三維交互技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、沉浸式仿真技術(shù)等為橋梁，開發(fā)了集虛擬實操模塊、視屏教學(xué)模塊為一體的沉浸式仿真系統(tǒng)。將沉浸式仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)的變電站仿真系統(tǒng)中，該系統(tǒng)集三維可視化、沉浸式教學(xué)、視頻展示于一體；系統(tǒng)功能齊全，可移植性、可擴展性、可維護性強；采取沉浸式技術(shù)，為學(xué)員體驗帶來真實的現(xiàn)場感、沉浸感；激發(fā)學(xué)員興趣,以故障仿真為主，彌補以往仿真系統(tǒng)不足；引入考核系統(tǒng)，完善系統(tǒng)考評機制，為學(xué)員學(xué)習(xí)效果檢驗提供依據(jù)。