劉志博 李志鵬 紀(jì)書軍 劉會(huì)蘭

（1、華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071000 2、國網(wǎng)河北省電力有限公司深澤縣供電分公司，河北 深澤050000 3、國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊050000）

電力系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)主要分為兩種形式：使用真實(shí)物理設(shè)備的動(dòng)態(tài)模擬和使用計(jì)算機(jī)程序的數(shù)學(xué)模擬。對(duì)于數(shù)量龐大的本科生而言，前者成本高昂，若每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較少，則需要的更多的實(shí)際設(shè)備和指導(dǎo)教師；若每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，則很難引導(dǎo)全部學(xué)生有效的參與到實(shí)驗(yàn)中來，很多學(xué)生實(shí)際上游離于實(shí)驗(yàn)之外，實(shí)驗(yàn)效果不佳；后者常常使用二維圖形表示設(shè)備，偏重于理論分析，外觀和交互方式過于抽象，對(duì)科研工作而言是有效的工具，對(duì)教學(xué)工作而言則顯得缺乏直觀性和吸引力。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過交互設(shè)備，同虛擬世界中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)[1]。

其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)使用頭戴式顯示設(shè)備（頭顯）和手柄定位用戶的頭部和手部位置及朝向，用戶對(duì)虛擬世界的觀察和交互與現(xiàn)實(shí)相似，與使用顯示器和鼠標(biāo)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)相比具有更好的沉浸感和便利性[2，3]。隨著VR 頭顯的普及化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同教育階段和各個(gè)專業(yè)得到廣泛使用[4-7]，并啟發(fā)了教育工作者對(duì)革新教學(xué)模式的探索[8-10]。

本文結(jié)合沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種側(cè)重于操作和數(shù)據(jù)觀察、記錄的電力系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，通過實(shí)驗(yàn)講解、設(shè)備介紹、動(dòng)手操作和成績(jī)?cè)u(píng)定等環(huán)節(jié)，力圖幫助參與實(shí)驗(yàn)的本科學(xué)生同時(shí)獲得真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境兩者的優(yōu)勢(shì)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)成

本軟件內(nèi)含的實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)同步發(fā)電機(jī)阻抗測(cè)定實(shí)驗(yàn)，分別使用靜測(cè)法和三相突然短路法。軟件內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為三部分：三維模型、引導(dǎo)及講解系統(tǒng)和打分系統(tǒng)。

1.1 三維模型

實(shí)驗(yàn)室建筑及設(shè)備的可見部分都以三維模型的形式展示，本實(shí)驗(yàn)涉及的設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、調(diào)速柜、滑動(dòng)變阻器、單相調(diào)壓器、接觸器、電壓表、電流表、功率表、錄波儀。設(shè)備上可以旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的部件，應(yīng)添加相應(yīng)的動(dòng)畫及聲音，以增添虛擬環(huán)境的真實(shí)性。

在三相突然短路法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗的實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)實(shí)環(huán)境使用的是計(jì)算機(jī)來進(jìn)行故障模擬軟件和錄波軟件的顯示和操作，而在虛擬環(huán)境中，為提高便捷性，可以直接使用類似觸摸顯示屏的元件供顯示和操作。

1.2 引導(dǎo)和講解系統(tǒng)

應(yīng)為第一次使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的學(xué)生提供操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生熟悉移動(dòng)、設(shè)備交互、菜單調(diào)出和使用等行為。

實(shí)驗(yàn)講解系統(tǒng)首先介紹設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的目的，盡可能使用動(dòng)畫或視頻、圖片展示實(shí)驗(yàn)的意義，在提供相關(guān)理論知識(shí)后，使用選擇題的形式引導(dǎo)學(xué)生重現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程，在一定程度上幫助學(xué)生加強(qiáng)科學(xué)探究能力。

每個(gè)虛擬設(shè)備具有相應(yīng)的說明，學(xué)生可以逐一選擇了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以便進(jìn)行操作和完成實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于學(xué)生經(jīng)常遇到的問題，在軟件中提供疑難解答，教師可自主更新其中的條目。若實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室外人員開放，則需增加提問功能，方便指導(dǎo)教師遠(yuǎn)程解答。

1.3 打分系統(tǒng)

根據(jù)每名學(xué)生的操作數(shù)量和操作正誤進(jìn)行打分，小組實(shí)驗(yàn)中盡量避免操作較多的學(xué)生因個(gè)別錯(cuò)誤得分反而低于操作較少的學(xué)生的情況。由于接線情況是小組所有成員都可以檢查的，提交接線結(jié)果時(shí)應(yīng)征得小組全體成員同意，因此若接線錯(cuò)誤，應(yīng)對(duì)全體成員統(tǒng)一扣除分?jǐn)?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)流程及細(xì)節(jié)

為提高沉浸感和實(shí)驗(yàn)操作的便利性，本文使用VR 頭顯配合手柄和定位基站作為輸入輸出設(shè)備。由于頭顯的屏幕顯示效果不如顯示器，容易出現(xiàn)模糊的情況，實(shí)驗(yàn)中彈出的菜單及平面圖、文本框等組件最好與屏幕的相對(duì)位置保持不變，以盡可能避免顯示不清的問題。

程序開始后，學(xué)生首先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇界面。選擇要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，界面中會(huì)彈出操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握移動(dòng)和轉(zhuǎn)身的操作。

由于本實(shí)驗(yàn)的操作區(qū)域較小（實(shí)驗(yàn)臺(tái)前），移動(dòng)方式建議選擇空間追蹤，以提高真實(shí)性和代入感。若移動(dòng)空間不足，或?qū)W生想要近距離觀察發(fā)電機(jī)等設(shè)備的三維模型時(shí)，再使用瞬移作為移動(dòng)方式。

操作引導(dǎo)結(jié)束后，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中自由查看，也可調(diào)出主菜單，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)介紹”按鈕。之后軟件使用文字、圖片等形式介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮拖嚓P(guān)理論知識(shí)，學(xué)生確認(rèn)學(xué)習(xí)完畢后，需思考實(shí)驗(yàn)方式，通過一步步回答選擇題來完整理清實(shí)驗(yàn)思路。在對(duì)實(shí)驗(yàn)方法了然于胸之后，學(xué)生可以開始著手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

在默認(rèn)模式下，點(diǎn)擊設(shè)備特定位置可以進(jìn)行操作。若學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器尚不熟悉，可調(diào)出主菜單，切換為學(xué)習(xí)模式，在此模式下，學(xué)生點(diǎn)擊設(shè)備時(shí)，畫面中會(huì)彈出設(shè)備介紹窗口；若點(diǎn)擊特定的組件，則會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的專門說明（如某個(gè)按鈕或接線柱的作用）。在設(shè)備介紹窗口，點(diǎn)擊“操作說明”按鈕，則窗口消失，出現(xiàn)操作提示文字和語音說明。學(xué)生根據(jù)說明進(jìn)行操作后，程序提示將設(shè)備復(fù)位，復(fù)位后則操作說明結(jié)束。

在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備之后，學(xué)生便可以開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要先在主菜單選擇接線模式，使用導(dǎo)線連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建實(shí)驗(yàn)所需的電網(wǎng)模型。因?yàn)榇嬖诙喾N可能的正確接線方式，所以需要為程序設(shè)置判定規(guī)則，判斷接線是否滿足要求。

在三相突然短路法實(shí)驗(yàn)中，電路如圖1 所示。

圖1 三相突然短路法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)電路圖

若錄波儀和接觸器的三相都已固定，則有不同接法的只有勵(lì)磁繞組的負(fù)極和電流表級(jí)電壓表。其中，勵(lì)磁繞組的負(fù)極既可接在110V 電源的負(fù)極，也可接在滑動(dòng)變阻器的負(fù)極，正確接法只有兩種，可逐個(gè)判斷；電壓表只需兩端分別接于不同的兩相，電流表兩端分別接電樞繞組和錄波儀的同一相，或錄波儀和接觸器的同一相即可。

在靜測(cè)法實(shí)驗(yàn)中，電路如圖2 所示。

圖2 靜測(cè)法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)電路圖

此電路有不同接法之處在于電樞繞組與單相調(diào)壓器之間。在任一時(shí)刻，電樞繞組只有兩相接入電路中，另外一相閑置。為判斷串/并聯(lián)關(guān)系，可為接線端做相別標(biāo)記。電樞繞組三相分別標(biāo)記為A/B/C，任意兩個(gè)用導(dǎo)線相連接的接線端，若皆無標(biāo)記或標(biāo)記相同則不作改變；若其中一個(gè)有標(biāo)記，則為另一個(gè)接線端添加同樣的標(biāo)記；若皆有標(biāo)記且不相同，則報(bào)錯(cuò)。電流表兩個(gè)接線端的標(biāo)記方式同上。標(biāo)記流程如圖3 所示。

其中A 和B 為設(shè)備的兩個(gè)接線端。為避免已經(jīng)接好的接線端標(biāo)記無法刷新的情況，對(duì)任意設(shè)備進(jìn)行接線操作后，所有設(shè)備接線端的標(biāo)記都要刷新。

圖3 標(biāo)記功能流程圖

標(biāo)記好相別后，程序便可判斷接線是否正確。具體判斷方法為：電壓表兩接線柱、功率表兩電壓接線柱和單相調(diào)壓器兩接線柱標(biāo)記為相同的兩相；電流表兩接線柱相別相同，且為電壓表兩接線柱對(duì)應(yīng)的其中一個(gè)相別；功率表兩電流接線柱與電流表判斷方法相同。

接線完成之后，學(xué)生還需要對(duì)表計(jì)的量程進(jìn)行調(diào)節(jié)。一些表計(jì)用來觀測(cè)特定物理量是否達(dá)到目標(biāo)值，這些表計(jì)的量程實(shí)驗(yàn)前可以計(jì)算，因此若學(xué)生選錯(cuò)應(yīng)當(dāng)扣分；其他表計(jì)則可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，只要最終記錄數(shù)據(jù)時(shí)量程選擇正確即可。

之后便可開始實(shí)驗(yàn)操作。在某些情況下，操作對(duì)象很小，手柄方向容易偏離。在編寫軟件時(shí)，需注意當(dāng)指示射線偏離操作對(duì)象指向其附近物體（如柜體）時(shí)，射線應(yīng)停留在附近物體表面，而不應(yīng)穿透物體射向后方，以方便學(xué)生查看偏離情況，微調(diào)手柄指向的位置。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定主要依據(jù)數(shù)據(jù)記錄和處理情況。學(xué)生可調(diào)出實(shí)驗(yàn)記錄表，查看不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)滿足的條件，并在對(duì)應(yīng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需觀察的表計(jì)應(yīng)具有記錄按鈕，若表計(jì)顯示實(shí)際值，則按下按鈕時(shí)的數(shù)據(jù)直接自動(dòng)填入實(shí)驗(yàn)記錄表中；若表計(jì)只顯示格數(shù)，則格數(shù)、量程和總格數(shù)都會(huì)填入實(shí)驗(yàn)記錄表，學(xué)生需課后計(jì)算實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖通過局域網(wǎng)傳輸?shù)浇處煹挠?jì)算機(jī)上，打印出來作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的一部分。

3 結(jié)論

使用虛擬實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可很好的解決實(shí)際設(shè)備和指導(dǎo)教師數(shù)量不足的問題，并且可以通過靈活分組調(diào)整實(shí)驗(yàn)小組的人員數(shù)量，保證各成員之間可以相互協(xié)作，避免任務(wù)過于繁重或人數(shù)過多部分成員無事可做的情況。學(xué)生在操作時(shí)調(diào)取設(shè)備說明，可提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和針對(duì)性。同時(shí)計(jì)算機(jī)又可以很方便的對(duì)學(xué)生的操作行為做出評(píng)分。本文設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件既符合以上優(yōu)點(diǎn)，又解決了在正確接線方式不止一種的情況下如何判定接線正誤的問題，為學(xué)生的操作提供了自主性和更多的可能性。