曹祥紅，袁凱鑫，童 碩，杜 薇

（鄭州輕工業(yè)大學(xué) 建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

《建筑供配電技術(shù)》課程是建筑電氣與智能化以及其他相關(guān)專業(yè)的必修核心專業(yè)課程，其應(yīng)用性和工程實踐性強，需注重理論與實踐結(jié)合，因此開展課程相關(guān)實驗尤為重要?！督ㄖ┡潆娂夹g(shù)》的實驗課一般僅有8～10個學(xué)時，僅能開設(shè)4～5個實驗。同時由于建筑供配電實驗設(shè)備體積大、電壓高，對安全性、實驗室空間和投資要求較高，實驗內(nèi)容僅包括基本設(shè)備認(rèn)知、基本線路連接等，以演示性操作為主，無法有效通過實驗課提高學(xué)生的動手能力和工程實踐能力。

近年來不斷發(fā)展的虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，主要是通過計算機模擬虛擬環(huán)境，使人們在操作過程中可以得到關(guān)于環(huán)境的最真實反饋，實現(xiàn)了人機交互。VR技術(shù)具有直觀性、多感知性、交互性和生動性等特征，在工業(yè)仿真、教育、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使得突破傳統(tǒng)實驗在安全性、大空間和高投資方面的限制成為可能。目前，已有VR技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用的研究。例如，丁毓峰等利用Unity 3D進(jìn)行虛擬場景的搭建和交互開發(fā)，并利用網(wǎng)頁動態(tài)展示機電產(chǎn)品的工作原理與拆裝過程；陳海波等探討了VR技術(shù)在電力系統(tǒng)運行維護和工程設(shè)計中的應(yīng)用；陳麗丹等研究了“跌落式熔斷器的拉合操作”虛擬實驗，并使用HTC VIVE穿戴設(shè)備進(jìn)行了虛擬實訓(xùn)操作；陳永波等研究了沉浸式變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于Kinect體態(tài)識別的場景漫游技術(shù)；王大虎等以某10 kV變電所為原型，將VR技術(shù)與變電所操作教學(xué)相結(jié)合，在Unity 3D軟件中利用C#語言編寫相應(yīng)的腳本，完成10 kV變電教學(xué)仿真系統(tǒng)的開發(fā)。然而，關(guān)于將VR技術(shù)應(yīng)用于建筑供配電技術(shù)實驗的研究還較少。

本文提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到建筑供配電技術(shù)的實驗教學(xué)中，設(shè)計并實現(xiàn)了一個沉浸式建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)。利用建模軟件和開發(fā)引擎對所需模型和實驗環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)建與搭建；基于沉浸式交互設(shè)備與開發(fā)引擎，通過UI設(shè)計、腳本設(shè)計與掛載、物理引擎添加、碰撞檢測等手段完成虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，并進(jìn)行了優(yōu)化、發(fā)布與實踐應(yīng)用，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境下進(jìn)行預(yù)設(shè)實驗或自主實驗。

1 建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計流程

系統(tǒng)設(shè)計是以調(diào)查分析、功能構(gòu)建、模型創(chuàng)建、場景搭建、交互開發(fā)、優(yōu)化發(fā)布為主線，以3D Max、Unity 3D、HTC VIVE為工具，借助3D Max的建模、材質(zhì)貼圖技術(shù)，Unity 3D的PBR渲染、物理引擎、碰撞檢測算法以及HTC VIVE的VR交互技術(shù)，完成對建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。系統(tǒng)的總體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總體流程

1.2 系統(tǒng)的總體框架設(shè)計

虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計劃分為交互層、功能層、數(shù)據(jù)層。老師或?qū)W生通過交互層進(jìn)行操作，比如通過VR手柄操作電氣設(shè)備的通斷；功能層主要包含各個實驗?zāi)K，如建筑供電設(shè)備組件認(rèn)知模塊；數(shù)據(jù)層針對系統(tǒng)所需的電氣設(shè)備信息、操作流程信息及操作記錄信息等建立數(shù)據(jù)庫，目的是供功能層調(diào)用和存儲學(xué)生的操作過程。系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

1.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計

建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的主要設(shè)計目的是解決真實實驗中存在的時空限制和安全性等問題，其功能包含建筑供電設(shè)備組件認(rèn)知、拆裝和建筑供電故障操作等實驗操作與分析。建筑供電設(shè)備組件認(rèn)知實驗主要通過漫游觀察認(rèn)知設(shè)備，在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)和認(rèn)識設(shè)備的信息、原理、功能、結(jié)構(gòu)整體性；建筑供電設(shè)備拆裝實驗主要對某些常用的電氣設(shè)備或電氣設(shè)備的某部分進(jìn)行虛擬拆分和組裝，如低壓饋線柜的斷路器抽屜；建筑供電故障操作實驗主要通過對虛擬故障設(shè)置柜進(jìn)行不同的故障設(shè)置，并根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護原理和電氣主接線的“四性”要求，對隔離開關(guān)、斷路器進(jìn)行通斷操作。

2 建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)建

通過對真實實驗室的觀察可知，虛擬實驗系統(tǒng)所需模型分為高壓開關(guān)柜、變壓器柜、低壓計量柜、低壓補償柜、低壓聯(lián)絡(luò)柜、低壓饋線柜、故障設(shè)置柜等。分別采用3D Max和Unity 3D對虛擬電氣設(shè)備和虛擬實驗環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)建和搭建。

2.1 電氣設(shè)備創(chuàng)建

3D Max具有強大的建模能力，被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計、工業(yè)設(shè)計以及輔助教學(xué)等領(lǐng)域。模型的創(chuàng)建遵循“觀察→拆分→創(chuàng)建→修改→組合”這一流程。以低壓饋線柜抽屜為例來說明利用3D Max建模的過程，真實設(shè)備與虛擬模型對比如圖3所示，其他電氣設(shè)備和輔助設(shè)備建模過程和方法同理。觀察：觀察低壓饋線柜抽屜的組成部分，包括斷路器、斷路器操作機構(gòu)、電流互感器、進(jìn)出線接口、信號傳遞接口、導(dǎo)線、顯示儀表等，并使用測量工具對其各個組成部分進(jìn)行尺寸測量。拆分：確定尺寸后，將其在空間上進(jìn)行拆分，拆分為接口類、導(dǎo)線類、電器類、機械操作類以及儀表顯示。創(chuàng)建：根據(jù)拆分后的獨立部分，選擇基本長方體對柜體、電流互感器等進(jìn)行創(chuàng)建；選擇樣條線對斷路器、熔斷器等進(jìn)行創(chuàng)建；選擇基本圓柱體對導(dǎo)線、操作手柄等進(jìn)行創(chuàng)建。修改：對創(chuàng)建好的模型進(jìn)行修改，目的是使創(chuàng)建的模型更加真實。對基本長方體進(jìn)行插入、擠出、對齊等修改，完成對柜體、電流互感器的建模；對使用樣條線構(gòu)建的斷路器、熔斷器加載平滑修改器；使用彎曲、縮放等修改器對“導(dǎo)線”進(jìn)行接近真實的修改。組合：將修改后的模型按照真實物體進(jìn)行組合連接，組合時尤其要注意不能出現(xiàn)穿透、重合等現(xiàn)象，否則會對后期的碰撞檢測造成影響。

圖3 真實設(shè)備與虛擬模型對比圖

2.2 虛擬實驗環(huán)境搭建

Unity 3D是一個多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，具有易用性和跨平臺性等諸多優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注。本文選用Unity 3D進(jìn)行整體虛擬實驗環(huán)境的搭建、渲染、貼圖等技術(shù)處理。首先將3D Max創(chuàng)建的模型以“.FBX”的格式導(dǎo)入Unity 3D中，并按照真實實驗室設(shè)備布局對模型進(jìn)行位置變化、比例變換、坐標(biāo)軸變換。圖4是利用Unity 3D搭建的虛擬實驗環(huán)境。

圖4 虛擬實驗環(huán)境

3 虛擬實驗系統(tǒng)的交互設(shè)計與實現(xiàn)

建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的交互設(shè)計與實現(xiàn)是以HTC VIVE體感設(shè)備和Unity 3D搭建的虛擬實驗環(huán)境為前提，需要通過API接口使二者建立連接以實現(xiàn)交互操作和顯示。相比于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、觸摸屏交互手段，沉浸式交互過程中的觸覺和視覺效果更加真實。虛擬環(huán)境下的交互離不開碰撞檢測。

3.1 HTC VIVE與Unity 3D連接

交互實現(xiàn)的基礎(chǔ)是通過定位系統(tǒng)（Light-house）獲取VR頭顯的位置、旋轉(zhuǎn)速度來實時對應(yīng)虛擬環(huán)境中攝像機的視角；通過獲取VR手持控制器的輸入來實現(xiàn)與虛擬環(huán)境設(shè)備的交互，如Trackpad可用手指進(jìn)行觸摸和點擊實現(xiàn)瞬移、傳送、選擇等交互操作。Unity 3D和HTC VIVE硬件設(shè)備之間通過Steam VR接口實現(xiàn)軟硬件結(jié)合。調(diào)用Steam VR Plugin中的[CameraRig]組件實現(xiàn)對HTC VIVE硬件的虛擬化。

3.2 碰撞檢測

碰撞檢測是為了判斷同一時刻、同一空間位置下是否存在兩個物體，其結(jié)果是響應(yīng)碰撞操作、顯示碰撞結(jié)果的基礎(chǔ)。本文主要針對空間下的普通包圍盒進(jìn)行應(yīng)用，分為以下三類：第一類是球包圍盒（Sphere Collider），適用于球形、橢圓形或?qū)ε鲎矙z測要求不高的模型上；第二類是矩形包圍盒（Box Collider），適用于矩形類或?qū)ε鲎矙z測要求較高的模型上；第三類是網(wǎng)格包圍盒（Mesh Collider），適用于復(fù)雜、不規(guī)則的模型，相比于前兩種碰撞盒，其最大的優(yōu)點是能精確檢測碰撞，最大缺點是耗用內(nèi)存較高。

3.3 交互設(shè)計與實現(xiàn)

在軟硬件正確建立通信的基礎(chǔ)上，對虛擬環(huán)境設(shè)計UI界面，對模型做進(jìn)一步處理，如物理引擎的添加、組件的掛載、腳本的編寫與加載等，完成對虛擬環(huán)境交互的設(shè)計與開發(fā)。以虛擬計算機交互體現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的經(jīng)濟性，以低壓饋線柜結(jié)構(gòu)認(rèn)知交互體現(xiàn)不受時空限制性，以低壓饋線柜通斷負(fù)荷供電交互體現(xiàn)不受安全性限制。

3.3.1 虛擬計算機交互

虛擬計算機是將UI Canvas融入到虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)，與虛擬計算機的交互相當(dāng)于與UI Canvas的交互。實現(xiàn)交互過程如下：首先創(chuàng)建UI Canvas，在其Panel上添加UI組件完成基本布局，UI組件主要包含了Button、Text、Image、Scrollbar；其次修改所創(chuàng)建UI組件的參數(shù)和屬性，編寫相應(yīng)的腳本；最后將修改完成的UI Canvas植入到虛擬環(huán)境的計算機上，并對UI Canvas掛載VRTK_UI Canvas組件，對虛擬操作手柄掛載VRTK_UI Pointer組件，通過試運行、調(diào)試和修改完成對虛擬計算機的交互。在虛擬實驗環(huán)境中，通過手柄選擇實驗項目，可以對任何實驗項目的目的、任務(wù)、內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行選擇和查看。圖5是與虛擬計算機的交互效果。

圖5 虛擬計算機交互效果

3.3.2 低壓饋線柜結(jié)構(gòu)認(rèn)知交互

低壓饋線柜的主要功能是分配電能。其結(jié)構(gòu)認(rèn)知的交互設(shè)計和實現(xiàn)過程為：對搭建好的模型進(jìn)行包圍盒的加載，選用Box Collider對整體柜體和分布模塊進(jìn)行加載并修改其屬性和大??；然后運行交互腳本。圖6反映了低壓饋線柜的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)拆分交互。

圖6 低壓饋線柜內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的拆分交互

3.3.3 通斷負(fù)荷供電的交互

低壓饋線柜的交互主要實現(xiàn)兩種功能：一是對其整體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用的基本認(rèn)識；二是對模擬負(fù)荷的通電和送電操作，通過給定的實驗要求進(jìn)行通斷電的操作，并觀察供配電系統(tǒng)模擬屏指示燈的變化。通斷負(fù)荷供電的交互設(shè)計和實現(xiàn)過程如下：首先進(jìn)行精確檢測碰撞，在旋轉(zhuǎn)操作手柄上加載Mesh Collider，并且掛載Hinge Joint，設(shè)置其Limits為0～90°；然后編寫腳本并掛載到操作手柄上，實現(xiàn)操作手柄旋轉(zhuǎn)時配電屏指示燈顏色改變；最后為手柄掛載旋轉(zhuǎn)腳本組件，并進(jìn)行試運行、調(diào)試和修改。圖7是通斷負(fù)荷的交互效果。

圖7 通斷負(fù)荷的交互效果

4 虛擬實驗系統(tǒng)的優(yōu)化、發(fā)布及實踐應(yīng)用

虛擬系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)完成后，為保證系統(tǒng)流暢運行，需要進(jìn)行優(yōu)化來減少電腦運行資源的消耗，提高渲染速度。主要分為兩個方面：一是優(yōu)化模型，每個模型都由很多三角形面構(gòu)成，越復(fù)雜的模型需要的三角面越多，因此將配電柜內(nèi)部的部分模型用簡單的模型代替，以減少渲染時的面數(shù)；二是采用LOD細(xì)節(jié)層次技術(shù)，當(dāng)距離視角近時顯示更多的模型細(xì)節(jié)，距離視角遠(yuǎn)時顯示較少的模型細(xì)節(jié)，采用LOD技術(shù)可以減少GPU的消耗，使運行更加流暢。

Unity 3D開發(fā)引擎可跨平臺發(fā)布，將場景文件的Assets資源文件夾打包，通過File＞Build Settings設(shè)置系統(tǒng)發(fā)布平臺為PC、選擇發(fā)布系統(tǒng)的屏幕分辨率為1 920×1 080，然后生成“.exe”文件，完成虛擬仿真實驗系統(tǒng)的發(fā)布。

為了檢驗建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)，在PC版實驗平臺基礎(chǔ)上建立“建筑電氣與智能化虛擬仿真教學(xué)平臺”網(wǎng)站，并將建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)以資源包的形式嵌入到網(wǎng)站中，學(xué)生可以下載和安裝資源包并借助HTC VIVE硬件設(shè)備進(jìn)行實驗操作。

5 結(jié) 語

沉浸式建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計過程中引入了VR技術(shù)，通過3D Max和Unity 3D完成了模型的創(chuàng)建和虛擬環(huán)境的搭建，利用HTC VIVE體感設(shè)備和腳本編寫完成了系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計以建筑供配電實驗為重點，將實驗分為認(rèn)知型實驗和操作型實驗，學(xué)生可以進(jìn)行實驗選擇，按照內(nèi)容和步驟進(jìn)行實驗，并查看實驗結(jié)果，實現(xiàn)了完全的沉浸式交互。解決了真實實驗時存在的安全性、時空性、經(jīng)濟性問題，提高了學(xué)生的興趣，在實踐中取得了良好效果，也為電氣類實驗提供了新的參考。