王大虎， 白 帆

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著時代的發(fā)展和科技的進步，人們越來越能體會到先進技術(shù)帶來的便利。虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)，主要是利用計算機對真實的場景進行虛擬仿真模擬，使得用戶能夠獲得身臨其境的感覺。

變電是電網(wǎng)中重要的組成部分之一，提高變電系統(tǒng)工作人員的技術(shù)水平，對于保證整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性都有很重要的意義[1]。20世紀90年代之后，我國開始出現(xiàn)了變電的仿真教學系統(tǒng)[2]。但是通過實際的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這些變電教學系統(tǒng)有很多不足之處：呈現(xiàn)的畫面為二維畫面，使呈現(xiàn)效果不生動形象；仿真要利用專門的設(shè)備去實現(xiàn)，導(dǎo)致其系統(tǒng)變得復(fù)雜而昂貴。

2010年，李曉莉[3]提出的一種新型仿真教學系統(tǒng)平臺，采用基于組件的軟件，對一、二次設(shè)備進行了全面的三維仿真；2012年，趙梓蓉[4]提出220 kV變電站仿真教學考核系統(tǒng)的設(shè)計和實施方案，在傳統(tǒng)的變電站仿真教學系統(tǒng)上增加了考核模塊；2017年，許春香[5]提出了采用Quert3D中豐富的預(yù)設(shè)通道技術(shù)，設(shè)計了基于Web3D環(huán)境下的變電所仿真教學系統(tǒng)。

本文是以某10 kV變電所為原型，將VR技術(shù)運用于10 kV變電所中，通過3ds MAX進仿模型建立，利用Unity3D完成仿真教學系統(tǒng)軟件的開發(fā)，仿真變電所的實際環(huán)境和運行過程，使變電站的工作人員能進一步熟悉變電的操作，更好更快的提高自己的技術(shù)水平。相較與其他技術(shù)，3ds MAX建模軟件更簡單容易上手，對設(shè)備要求低，成本低廉，同時建立的模型效果逼真，并且能與多種開發(fā)軟件結(jié)合使用；Unity3D進行軟件編寫時，界面功能強大，支持所有的主要文件格式，并且能與大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)調(diào)工作，在低端硬件也能流暢的運行，同時，也容易操作，節(jié)約大量時間和成本。

1 10 kV變電教學仿真系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的模塊設(shè)計

10 kV變電教學系統(tǒng)要能模擬出來整個10 kV變電所的運行過程，包括正常、異常和事故時各個設(shè)備的工作情況，同時，也要使工作人員在進行仿真學習的時候有身臨其境的感覺，所以系統(tǒng)需要設(shè)計以下幾個模塊[6]：

(1) 10 kV變電所的場景仿真模塊。模擬出來10 kV變電所的整個場景，使操作人員在進行學習的時候有進行實際變電站的感覺。

(2) 對設(shè)備的實際操作模塊。使操作人員通過仿真教學系統(tǒng)的學習后，可以掌握設(shè)備的基本信息并且可以熟練地使用這些設(shè)備。

(3) 事故仿真模塊。根據(jù)實際情況仿真出事故現(xiàn)場，使操作人員在仿真學習后能更好的處理各種突發(fā)事故。

(4) 電力系統(tǒng)的監(jiān)控模塊。通過對變電站電力系統(tǒng)的監(jiān)控的仿真，讓操作人員可以更好地了解整個變電站的運行過程。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計流程

要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能[7]，具體的流程如圖1所示，首先要對10 kV變電所進行資料收集，并且去現(xiàn)場進行拍照，采集信息，接著根據(jù)采集的信息和照片通過3ds MAX進行建模，然后對模型進行進一步的轉(zhuǎn)化和優(yōu)化，最后將模型導(dǎo)入Unity3D中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的交互。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計流程

2 10 kV變電教學仿真系統(tǒng)的三維場景建模

3ds MAX是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，這款軟件廣泛應(yīng)用于三維動畫、建筑設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、游戲、影視以及輔助教學等領(lǐng)域。采用3ds MAX這款軟件，對10 kV變電所進行建模。

2.1 10 kV變電所所需的模型

根據(jù)對現(xiàn)場的實地考察、現(xiàn)場拍照情況和資料的收集[8]，將變電所的模型分為室外模型和室內(nèi)模型兩個大類。對拍攝的照片進行分類，同時對資料進行整理，將室外模型和室內(nèi)模型各自細化為幾個小類。

其中，室內(nèi)模型經(jīng)過整理分為以下幾個小類：

(1) 高壓柜類。高壓柜類分為進線柜、計量柜、PT柜、隔離柜、聯(lián)絡(luò)柜和出線柜這6種類型。6種類型的柜子相互合作，保證高壓側(cè)輸電線路的穩(wěn)定輸入和輸出，維護整個電網(wǎng)的正常運行。

(2) 低壓柜類。低壓柜類分為進線計量柜、受電柜、補償柜、母聯(lián)柜和出線柜這5種類型。這幾種類型的柜子保證了輸電線路從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，再向用戶側(cè)流動，確保了整個輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

(3) 室內(nèi)環(huán)境。室內(nèi)環(huán)境主要包括電腦、桌子和椅子等，使建立的室內(nèi)模型能更加的貼近實際，高度還原現(xiàn)實場景。

室外模型根據(jù)需求，分為以下幾個小類：

(1) 電纜分接箱。內(nèi)含開關(guān)設(shè)備，不僅可以起到對供電線路的控制、轉(zhuǎn)化以及改變運行方式的作用，又有分接、分支的作用。

(2) 箱變。即箱式變壓器，是一種把高低壓開關(guān)配電設(shè)備，電能計算設(shè)備和無功補償設(shè)備等按照一定的方案接線在一起的成套的配電設(shè)備。

(3) 公用臺變。是由變壓器和戶外綜合配電箱組成，主要是將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓，并合理的分配電能，保護電路安全。

(4) 戶外環(huán)境。主要包括大門、房屋、地面等，使建立的模型場景更加形象、真實，使用戶有身臨其境的感覺。

2.2 利用3ds MAX進行建模

在3ds MAX進行建模的過程中，一般以長方體和圓柱體為原型進行建模，然后會經(jīng)常使用以下幾個命令：

(1) 擠出。擠出命令是3ds MAX中最常使用的命令之一，它是以三維圖形的一個面為底，沿垂直方向擠出一個面，然后再對這個面進行操作，最后做出你想要的三維圖形。在此次設(shè)計中，基本所有的變電站模型都使用了擠出命令。

(2) 縮放?？s放命令使三維模型按一定比例去進行均勻的放大或者縮小以達到理想的設(shè)計的大小，使所做的模型和現(xiàn)實的模型形狀尺寸保持一致，保證模型的還原性。

(3) 對齊。在進行建模的過程中，難免會需要兩個模型緊挨在一起或者一個模型位于另一個模型的中心，這時就需要對齊命令進行操作，可以選擇X、Y、Z3個軸方向的任意一個方向?qū)R，同時能選擇兩個模型的最大、最小和中心對齊。

2.3 利用3ds MAX進一步轉(zhuǎn)化和優(yōu)化模型

在利用圖片和收集的資料完成模型的初步建立后，還要對模型進行轉(zhuǎn)化和優(yōu)化。以箱式變壓器為例，箱式變壓器的整體圖拍攝照片如圖2所示，先根據(jù)照片對它進行模型的初步建立。

建立的變壓器模型如圖3所示，雖然模型大體上已經(jīng)和真正的箱式變壓器一樣，但是模型的顏色單一，和真正的物體還有一定的差距，這就需要進一步的轉(zhuǎn)化和優(yōu)化。

圖2 箱式變壓器照片

(1) 貼圖特效。如何使模型變得更加逼真，這就需要從實際的照片中裁取貼圖，并且通過材質(zhì)球工具貼在模型的表面，從而使模型得到進一步的優(yōu)化。

(2) 烘焙特效[9-11]。初始模型面數(shù)較多，比較復(fù)雜，如果直接導(dǎo)入Unity3D中，會使電腦的運行內(nèi)存占滿，不利于程序的運行，這時就需要烘焙特效，把原模型的貼圖效果重新烘焙到一個簡化了的模型中，這樣既能達到所需要的效果，也得大大節(jié)約了系統(tǒng)的內(nèi)存。

(3) 光照特效。在進行烘焙特效的過程中，光照特效必不可少，光照技術(shù)是模型與模型之間光學元素傳遞的一種展示技術(shù)，如果沒有光照特效，烘焙特效就無法顯現(xiàn)出來，模型也不會達到預(yù)期的效果。

經(jīng)過進一步的轉(zhuǎn)化和優(yōu)化之后，建立的模型就可達到所需要的效果，如圖4所示，是最后完成好的箱式變壓器的模型。設(shè)計的所有模型都是按照此步驟一一完成的，最后達到的室內(nèi)和室外的整體效果圖如圖5所示，基本達到預(yù)期的效果。

圖4 箱式變壓器最終完成圖

3 三維場景的交互

3.1 選擇Unity3D平臺實現(xiàn)人機交互

Unity3D是一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合性游戲開發(fā)工作，而為了使10 kV變電所的仿真達到很逼真的效果，選擇游戲開發(fā)引擎是不錯的選擇[12]，選擇Unity3D進行仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)。如圖6所示，是模型導(dǎo)入Unity3D的效果圖。

圖6 模型在Unity3D的效果圖

3.2 編寫C#腳本進行優(yōu)化

要真正實現(xiàn)培訓(xùn)人員與仿真教學系統(tǒng)中的10kV變電所的交互功能，必須要進行腳本的編寫，在Unity3D平臺中[13]，支持JS、C#以及BOO編程語言的開發(fā)，其中C#使用的范圍比較廣，使用的人也比較多，所以使用C#腳本進行開發(fā)優(yōu)化[14-15]。

在編寫腳本的過程中，最常用的是前、后、左、右移動，這里用鍵盤的A、S、D、W鍵去控制在場景中的移動，其中的部分腳本程序如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

namespace Control

{

public class Ctrl_KeyAndMouseScenesMoving:MonoBehaviour

{

Quaternion rotation; //旋轉(zhuǎn)四元素

Public float Speed = 25; //前后左右的移動速度

void Update()

{

if (Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") != 0)

//前后左右

if (Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Translate(-Speed * Time.deltaTime, 0, 0, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.D))

{

transform.Translate(Speed * Time.deltaTime, 0,0,Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.W))

{

transform.Translate(0, 0, Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.S))

{

transform.Translate(0, 0, -Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

}

}

根據(jù)最初設(shè)計10 kV變電教學系統(tǒng)的需求，編寫相應(yīng)的腳本文件，在Unity3D中進一步增加人機交互的功能，使整個教學系統(tǒng)更加完善合理。

4 最終系統(tǒng)測試

當系統(tǒng)完成前，還需要對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行測試[16]，將Unity3D創(chuàng)建的系統(tǒng)生成.exe格式的文件，然后雙擊就可以進行測試，如圖7所示，系統(tǒng)主頁面有5個部分組成，包括系統(tǒng)開始要求的4個主要的模塊：電力監(jiān)控、設(shè)備實操、場景漫游和事故仿真。當需要進行哪個模塊的學習的時候用鼠標點擊相應(yīng)的按鈕即可，進行模塊的場景效果圖如圖8所示。當需要退出系統(tǒng)的時候，用鼠標點擊系統(tǒng)主頁面的退出按鈕即可。

圖7 系統(tǒng)主頁面

5 結(jié) 語

隨著時代的發(fā)展和科技水平的進步。VR技術(shù)在社會生活的各個方面都有了廣泛的應(yīng)用。本文基于此，主要以10 kV變電所為主，建立一個能夠?qū)ψ冸娝M行場景漫游、對設(shè)備進行操作、對事故能仿真處理、對電網(wǎng)進行監(jiān)控的虛擬教學仿真系統(tǒng)。此教學系統(tǒng)滿足了用戶平時的技術(shù)需求，同時相對于傳統(tǒng)的教學系統(tǒng)，具有操作簡單、上手容易、安全可靠且價格低廉的優(yōu)點，可以使工作人員在短時間內(nèi)對變電所的實際工作有了更好更具體的了解，從而能使工作人員更快更好的提高工作水平。