黃 聰

（廣州電力工程監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為電力技能訓練的改革帶來了新的研究領域，它的本質(zhì)是一個人機交互界面，用計算機構建一個對現(xiàn)實世界的模擬。林向義[1]提出了一種利用3DS MAX和OpenGL構建的虛擬的電力培訓系統(tǒng)，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實與教育實訓的結合。龔波濤等人[2]介紹了電力工程建設管理模塊及其包括的虛擬現(xiàn)實技術安全體驗區(qū)，分析了安全體驗區(qū)中虛擬現(xiàn)實技術在電力工程建設監(jiān)理安全中的應用。劉建明等人[3]提出了通過增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)業(yè)務信息的快速調(diào)用與疊加，通過虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)環(huán)境沉浸式感知的提升，通過混合現(xiàn)實技術實現(xiàn)真實環(huán)境與數(shù)字對象的共存與互動，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)與增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實及混合現(xiàn)實技術的融合。該文基于虛擬仿真技術提出了一種電力技能培訓平臺，提供所需技能的沉浸式訓練，提高訓練質(zhì)量和訓練效率。

1 基于虛擬仿真的沉浸式環(huán)境建模

該文提出的電力工程監(jiān)理培訓系統(tǒng)是一種基于虛擬仿真技術的新型實訓輔助系統(tǒng)，它能準確展示各種個性化的交互方式，讓員工在實訓中發(fā)揮自身的主導作用，通過增強沉浸式體驗來提高監(jiān)理安全效果，實現(xiàn)真正的人機交互[4]。

在虛擬仿真監(jiān)理培訓系統(tǒng)中，每個動作都涉及多種坐標變換，該文針對三維模型的幾何變換問題給出了幾何變換公式。

設三維模型變換前的一個點坐標為（x，y，z，1），其變換后的坐標是（x*，y*，z*，1），三維模型的幾何變換矩陣為T，如公式（1）所示。

幾何變換矩陣T可以分為4個子矩陣：T1、T2、T3、T4，如公式（2）～公式（5）所示。

式中：T1將產(chǎn)生比例變換和旋轉(zhuǎn)變換；T2將產(chǎn)生平移變換；T3將產(chǎn)生投影變換；T4將產(chǎn)生整體比例變換。

設比例變換的參考點是，（xf，yf，zf）縮放比例是（Sx，Sy，Sz），則可以推導出如公式（6）所示的變換矩陣。

當Sx=Sy=Sz=1時，三維模型為恒等比例變換，即三維模型不變。當Sx=Sy=Sz>1時，三維模型將會沿著三個坐標軸方向等比放大。當Sx=Sy=Sz<1時，三維模型將會沿著三個坐標軸方向等比縮小。當Sx≠Sy≠Sz時，三維模型將會沿著三個坐標軸方向不均勻變換。

2 虛擬仿真技術在電力工程監(jiān)理培訓系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)

2.1 虛擬帶電作業(yè)場景的應用

虛擬帶電作業(yè)場景通過視頻數(shù)據(jù)線路傳輸?shù)綄W員頭上的頭盔式數(shù)字顯示器上，以三維效果顯示帶電作業(yè)場景，通過拉近學員的視覺、聽覺和其他感官感受，提供一種完全沉浸的體驗，使學員有置身于帶電作業(yè)環(huán)境虛擬境界的感覺，如圖1所示。

圖1 典型虛場景圖

頭盔式數(shù)字立體顯示器可將受訓人員不受環(huán)境影響地投入帶電作業(yè)的虛擬場景中，達到更好的訓練效果。頭盔式立體顯示器廣泛采用LOCS或OLED顯示技術，支持DVI信號輸入和SVGA，具有超高分辨率，能提供清晰的圖像，并配有耳機，提供高質(zhì)量的音效，可切換立體聲顯示模式和2D顯示模式。其技術要求如下：1） SVGA圖像。2） 可將前蓋提起，方便物理操作。3） 像素，1024×768。4）度，取值26。5） 支持立體效果。6） 設備控制質(zhì)量，600 g。7） 顯示技術，硅晶。8） 立體聲模式，連續(xù)切換立體聲畫面（可切換立體聲和2D模式）。9） 角度，取值28.5。10） 支持vga輸入。11） 支持dvi輸入。

立體系統(tǒng)的實現(xiàn)及系統(tǒng)軟件的選擇是建立真實感模型的關鍵，系統(tǒng)開發(fā)引擎的選擇是另一個重要的環(huán)節(jié)。利用功能強大的3D軟件Quest3D，通過程序的控制，采用基于模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建模工具，如3DS MAX進行建模。該技術的原理是以基本特征模型作為標準模型樣本。在建立真實模型時，需要對模型的特征參數(shù)進行設置，通過調(diào)整定制的參數(shù)就可以得到環(huán)境所需的真實模型。該建模方法簡單直觀，是大規(guī)模城市場景建模的基礎，尤其適用于電力系統(tǒng)設備的三維建模。Torque發(fā)動機本身具有完善的交互響應機制，并利用Torque來設計相應的場景。以10 kV跌落式熔斷器拉動動作為例（如圖2所示），下面分3步介紹Torque engine中人與虛擬物體的交互。

第一步，制作精神熔斷器的3D動畫（kaiguan.dts），保存在引擎下的emulator/data/models/目錄下。在Torque腳本中，通過ItemData，將其與Datab1ock對象關聯(lián)起來。具體情況如下：Datablock ItemData（kaiguan_dts）

2.2 虛擬變電站場景的應用

基于虛擬仿真的開關柜場景和設備如圖2所示，在建立的虛擬變電站環(huán)境中，學員可以在場景中自由漫游、操作和體驗，完成變電站倒閘操作和開關柜維護的實訓。平臺提供的沉浸式虛擬變電站環(huán)境可以模擬設備巡檢和運行狀態(tài)監(jiān)測、檢修和維護操作，讓學員更有效地掌握變電站系統(tǒng)結構、工程組成和操作流程。這里以某變電站中進行驗電操作的驗電器為例進行介紹。下面這段程序描述了某運行人員使用驗電器進行的驗電操作：

圖2 模擬圖

其中﹩case_JZ_WZYGDZ _ worker.setTransform是對人物模型的處理；start.setTransform是對攝像機的初始化；﹩case_JZ_WZYGDZ_ WZYGDZ （yandianqi，4）這個函數(shù)是讓運行人員周某某拿出驗電器。然后調(diào)用函數(shù)setActionThread（“電測試”，true）完成驗電操作。

3 試驗及結果分析

試驗任務是安全地給設備通電，并確定設備的參數(shù)，要求學生在提供的列表中找到安裝在設置中的硬件組件的部件號，檢查組件選擇是否合理，并調(diào)整設置。在大多數(shù)任務中，直接激活會導致模擬設備故障，需要進行設備維修。而在虛擬實驗室的情況下，試驗可以重新進行。電機和電力驅(qū)動訓練項目的20名學員分4組在實驗室實習中使用該軟件執(zhí)行個人任務。學員們“燒毀”了至少一套虛擬設備，在現(xiàn)場實驗室中，保護措施是可以預見的，虛擬試驗結果展示平臺如圖3所示。

圖3 虛擬試驗結果

將圖3所示的部署在本地服務器的虛擬試驗結果展示平臺移植到Web端，以便更方便地通過網(wǎng)址來訪問，并對功能做進一步的擴展，包括其他虛擬化試驗的數(shù)據(jù)分析和可視化展示。

參與體驗工作人員包括熟練作業(yè)人員和實訓操作學員，共計50人，分5個項目進行測試和評價，評價結果如圖4所示。分析數(shù)據(jù)得知，50位體驗人員的非常滿意度都超過了30%，滿意及滿意以上的比例超過了75%。

圖4 虛擬仿真系統(tǒng)培訓使用評價結果

在許多情況下，虛擬實驗室輔助的現(xiàn)場實驗室是發(fā)展學生基該工程技能的最佳解決方案。虛擬實驗室的要求由學習目標和被虛擬化的對象決定，這需要用于數(shù)學模型計算的計算能力分配的高優(yōu)先級，以及計算能力源和用戶界面之間的高通信信道帶寬。

為進一步測試基于仿真技術的電力工程監(jiān)理培訓系統(tǒng)對學員訓練的有效性，進一步展開相關測試工作并收集測試數(shù)據(jù)，將20名學員分為2組，每組10人。一組按照傳統(tǒng)方法進行安全訓練，另一組在基于仿真技術的電力工程監(jiān)理培訓系統(tǒng)中實訓，實訓的通過率見表1。從各項訓練內(nèi)容來看，基于虛擬仿真的電力工程監(jiān)理培訓系統(tǒng)的效率明顯高于傳統(tǒng)實訓模式，尤其是突發(fā)情況應對這一訓練項目，超過傳統(tǒng)訓練40個百分點，進一步驗證了交互式實訓的優(yōu)勢。

表1 電力工程學員訓練測試結果

4 總結

虛擬仿真技術可以將電力工程系統(tǒng)中不可見、不可觸摸以及不可接近的場景虛擬化、可視化地呈現(xiàn)出來，有助于解決人員實訓過程中的關鍵問題。該文的平臺可以使受訓者有非常直觀的體驗，在實際操作和維護操作之前獲得實時、三維的可視化指導。通過將虛擬現(xiàn)實技術與電力業(yè)務如運行、維護和檢修系統(tǒng)相結合，可以為相關電力業(yè)務提供直觀、形象的指導，有利于提高業(yè)務水平、安全性、可靠性和運行效率，因此其應用前景非常廣闊。目前虛擬仿真技術仍處于快速發(fā)展的過程中，隨著虛擬仿真技術的推廣和應用，它必將成為電力工程技能監(jiān)理的重要手段。