基于虛擬現實技術的電力作業仿真培訓系統

1.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 410082

2.常德電業局，湖南 常德 415000

1.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 410082

2.常德電業局，湖南 常德 415000

1 引言

從竹簡到電腦，人類的學習模式一直在不斷進步之中，同樣電力培訓的模式也是在不斷地進步與發展。由于電網具有高危險性和不可輕易停電等特殊性，傳統的培訓方式在電力系統應用的效果不是很理想。比如：傳統的基于文字與圖片的培訓手段，學員現場感差，容易感到枯燥、乏味，效果往往不理想；基于實物的培訓，培訓投資較大，不適合多人同時進行，操作不當還可能對人身造成危害。

隨著虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）趨于成熟，基于虛擬現實技術的仿真培訓也變得現實可行。基于VR的仿真培訓不僅可以將理論與實際相結合，而且寓教于樂，讓學員仿佛如臨其境，并通過一定的設備與虛擬世界進行交互。通過仿真培訓，學員可以提高電力安全生產作業的技能；通過對過去一些典型事故的學習，可以盡量減少類似事故的發生。

目前我國電力系統研究虛擬技術起步較晚，主要應用還是局限于配電GIS領域，在電力系統培訓上的應用基本還處于空白階段。國外電網在虛擬技術上取得了一定的成果，但是實用化產品還未出現[1-2]。

目前我國一些高校及科研單位已經對虛擬技術開展了研究。按照文獻[3]所述，浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室開發出了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統。哈爾濱工業大學已經成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題。中國科技開發院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了虛擬現實中的體視圖像對算法回顯及軟件接口等。正是在國內對虛擬現實技術有了一定的發展的基礎上電力安全仿真培訓系統才得以實現。

2 系統設計

2.1 系統設計工具的選取

開發基于VR技術的電力安全作業仿真培系統首先要對仿真的方式進行選取。仿真可分為硬件仿真和軟件仿真，硬件仿真真實感強，但投資較大，軟件仿真易實現網絡化，更新換代簡單，擴展性強，也更加實用。因此本系統采取軟件形式。

系統開發引擎的選取也是一個重要方面。引擎可以為3D系統的運行提供底層技術支撐，可以簡化系統開發過程。通過研究，系統選擇了Torque Game Engine，后面簡稱TGE，它是3D計算機游戲引擎的改進，由Dynamix公司于2001年研發。其功能齊全，具有多平臺支持、網絡多客戶支持、專業的骨骼動畫系統、無縫結合的渲染等等特性。它的模塊主要包括[4]：

（1）平臺模塊：該模塊提供跨平臺體系的接口，提供網絡通信的接口，并進行圖片初始化，記錄用戶輸入及各種事件。

（2）控制模塊：該模塊同時擁有編譯器和解釋器。引擎內的所有控鍵、對象、邏輯以及接口都通過控制模塊進行處理。控制模塊的語言被稱為Torque Script，與C++語言類似，但對于3D系統更具有針對性。

（3）資源管理模塊：引擎使用到了許多資源，比如地形文件、模型文件、材質清單、聲音以及圖片等，并且還提供一個加載和保存資源的通用接口。

（4）網絡連接模塊：TGE設計的目的就是要提供強大的客戶機/服務器網絡模擬，因此它支持并能夠在Internet上獲得良好的網絡性能。TGE的網絡體系結構主要分為：連接層（Connection Layer）、數據流層（Stream Layer）和仿真層（Simulation Layer）。

2.2 系統關鍵技術

2.2.1 虛擬場景的搭建

電力安全作業仿真培訓系統的開發首先需要眾多虛擬場景來模擬真實的電力系統。搭建虛擬場景流程介紹如下：

（1）進行三維建模。三維模型是虛擬場景的基石，是整個虛擬現實的基礎。由于TGE建模能力較弱，只能把電網空間信息、工程圖紙、技術手冊、設備參數、設備維保信息等技術資料有機地整合到一起，來構建獨立的模型參數數據庫。

再利用基于模型參數數據庫的3ds Max等建模工具來進行建模。該技術的原理是將基礎特征模型作為標準模型樣本，在建立真實模型時通過用戶化的參數調整設置模型的特征參數，進而得到所需要的真實模型。該建模方法操作簡單直觀，是大型城市場景建模的基礎，特別適用于電力系統設備的三維建模[1]。

（2）把模型導入TGE。模型在3ds Max搭建好后還要將其導入TGE中，首先就在3ds Max將模型導出為.dts格式文件。因為TGE已經封裝好了固定格式的數據類型，模型只需要通過TGE相應的接口就可以加載進入。之后模型要在個人電腦的屏幕上顯示，還要進行渲染。渲染是將對象的3D數學模型變換成可以在屏幕上顯示的2D圖像的過程。在渲染對象時，TGE將計算對象各個不同面的外觀，再將這些面轉換成2D形式，然后將結果送到渲染卡。引擎內的渲染卡將自行負責渲染的下面的步驟。

（3）地形建模和基于電氣連接特性的虛擬場景搭建。地形相對比較簡單，在引擎中就可以進行建模，這是TGE自帶的功能。再通過TGE的控制腳本語言Torque Script對加載進入的三維模型逐一再進行編輯處理，并結合地形模型就能搭建出需要的虛擬場景。因為電網是一個龐大的系統，仿真這樣一個系統需要搭建一個實體眾多、運動規律復雜、特效多樣的虛擬環境，所以需要一個良好的組織方案。

盡管電網形式多樣，但是通過分析電網物理特點，主要可以把它分為輸配網和變電站。輸配網則主要是以輸電桿塔為中心的縱向分布結構。變電站則無論是單母線接線、雙母線接線還是一臺半斷路器接線方式，變電站的結構都是以變壓器為基點，以母線為緯線，以間隔為經線的分布結構。基于這個思路，電網設備明顯具有二叉空間剖分的特性。因此虛擬電網場景可以采用樹型層次結構，按照從上而下的方式搭建場景。場景的空間N叉樹組織如圖1所示。

圖1 場景的樹型層次結構圖

搭建虛擬場景將按照設定的層次結構進行，每一個葉子節點有自己的位置屬性、運動特性及電氣特性。節點的電氣連接關系通常用樹型層級結構來表示。節點與節點之間的距離同時也大于規定的安全距離（10 kV：0.7 m、35 kV：1 m、110 kV：1.5 m、220 kV：3 m、500 kV：5 m）。之所以考慮電氣連接特性，因為電網中電氣連接特性與空間布局約束具有隱含的對應關系[5]。這樣一個N叉樹可以看成是一個把地形網格均勻分割的空間BSP樹的稀疏矩陣，這樣的N叉樹比基于均勻分割地形網格的空間BSP樹有更高的遍歷效率，將大大提高系統搭建的速度。搭建完成的某110 kV虛擬變電站和某220 kV輸電線路如圖2、3所示。

圖2 110 kV變電站

圖3 220 kV輸電線路

2.2.2 系統可視化交互

虛擬場景搭建好后還要加入動畫、交互等元素，因為一個虛擬場景，它要想引人注目，它必須是動態可交互的[6]。這也是模擬現實中的電力生產作業所必需的。

動畫的實現首先就是給予一些模型設定好一些動作，這在3ds Max中就可以初步實現，只是那些模型相對于純靜態模型還多帶有一些格式為.dsq的文件。模型主要由骨骼和外皮組成，在TGE的數據庫中模型的骨骼就是一系列矩陣，而模型附帶的.dsq文件則記錄著那些矩陣的變化。在TGE中利用Torque Script對這些動作進行編輯處理，就可以生成一些具體的動作列表，并把這些列表按照一定的規律和計算機的輸入設備相連。培訓人員通過點擊鼠標鍵盤就能控制模型動作，完成需要的各項電力操作。電力安全作業仿真系統的某隔離開關檢修現場如圖4所示。

圖4 隔離開關檢修現場

當模型按照培訓人員的意愿在虛擬世界進行動作時，碰撞檢測這一難題就凸顯出來了。簡單地說，碰撞檢測就是檢測不同模型是否發生了碰撞。如果沒有碰撞檢測，就會產生“穿墻而過”的效果，這將大大降低虛擬環境的真實感。碰撞檢測核心問題是物體求交，這需要快速且有效的碰撞檢測算法。目前層次包圍盒法是應用最為廣泛的碰撞檢測算法，它檢測精度較高，通用性比較強，能適合于復雜物體的各種碰撞的場合[7]。而比較常用的包圍盒類型有包圍球、軸向包圍盒（AABB）、方向包圍盒（OBB）等。

包圍球算法比較簡單，相交測試比較快，而且球體基本不受旋轉變換的影響，但其精確度卻比較低；AABB軸向包圍盒算法構造簡單、計算量較小、檢測速度比較、快于編程，可是其緊密性一般、精確度一般;OBB方向包圍盒算法則精確度最高，可是其原理比較復雜、計算量太大。

由于各類包圍盒的應用都有一定的局限性，針對虛擬的電力系統設備多、類型雜的特點，故系統采取了對AABB軸向包圍盒算法進行了改進，利用AABB軸向包圍盒算法和空間剖分法混合的方法進行檢測。

傳統的AABB軸向包圍盒算法原理如下：

用一個軸向包圍盒包含著模型，這個包圍盒是一個6面盒狀的長方體，其面法線平行于給定的坐標軸，可以定義為：

當兩個物體相交時，用一個軸向包圍盒A代表物體甲，用另一個軸向包圍盒B代表物體乙。A、B平行于坐標軸且剛好將甲、乙物體包含在其中。只有當A、B在三個坐標軸上的投影區間均相交時，它們才相交。這樣三維相交問題就轉變為一維相交的問題。

如圖5所示，分別包圍兩個物體的軸向包圍盒A、B在X軸上投影區間做相交測試。A和B的中心點為Wa和Wb，點Wa和Wb在X軸上的投影分別是Pa和Pb。投影長度的一半分別為Ra和Rb。如果Ra+Rb≤Pa×Pb，則物體甲和物體乙在X軸上不相交。在Y軸、Z軸同理可證。只要有一個坐標軸不相交，物體甲、乙就不相交。

圖5 AABB軸向包圍算法簡單說明圖

可以看出AABB軸向包圍盒的原理是比較簡單的，系統進行檢測的數據量相對也比較小，可是其緊密性比較差，當物體沒有碰撞時有時也會得到已經碰撞的計算結果，這將降低系統的真實感。所以系統對傳統AABB軸向包圍盒算法進行改進，采取了兩步檢測的方法：（1）利用AABB軸向包圍盒算法進行快速檢測，將一些明顯不相交的物體進行快速排除；（2）再利用空間剖分法對那些初步認為已經碰撞的物體進行詳細的檢測。這樣就能同時滿足檢測速度和精確度的要求。

空間剖分法的原理是將初步判斷為已經碰撞的AABB包圍盒均勻分割為一些小方塊區間。檢查這些小方塊內的模型，不含物體的區間剔除掉，含有的給予一定的標記，當區間內同時存在兩種及以上標記時就能判為發生了碰撞。

空間剖分法算法的步驟為：

（1）將包圍盒進行空間分割。

（2）將模型的表面映射到相應的單元格。

（3）遍歷單元格，對符合條件的單元格進行相交測試。

系統利用這種結合AABB軸向包圍盒和空間剖分法的檢測方案原理簡單、容易實現，經實驗也基本滿足了系統的仿真的要求。圖6為帶電合接地刀閘操作接地刀閘動觸頭接觸到靜觸頭之前的場景，圖7為帶電合接地刀閘操作動觸頭碰撞到靜觸頭后發生放電的場景。

圖6 場景的樹型層次結構合接地刀閘

圖7 接地刀閘動觸頭碰到靜觸頭之后的場景

2.2.3 網絡連接

TGE是基于CS模式設計的網絡結構模式，服務器和客戶機兩端各司其職，可獲得良好的網絡性能。但與傳統的C/S模式區別是，采用3層結構的網絡連接模式，三層體系結構將應用程序分成三個不同的邏輯層次：表示層、應用邏輯層和數據層，即通常所說的客戶端、應用程序服務器、遠程數據庫服務器。

客戶端集中處理數據顯示和用戶與數據之間的交互作用；應用程序服務用于管理客戶端和遠程數據庫服務器之間的數據傳輸，協調各用戶之間的請求；遠程數據庫服務器主要完成大部分數據庫管理系統應該完成的任務。與傳統的兩層體系結構相比，使用三層結構的數據庫應用程序使軟件開發易維護它，保障系統有更高的安全性能。

系統網絡連接的關鍵是加載任務。任務是一個用于描述虛擬場景配置信息的文件，包括虛擬場景中的對象、對象的位置、對象的狀態、對象的屬性、datablock數據（TGE定義的模型的數據塊，用于對對象屬性進行說明）等。而加載任務的過程是在創建服務器的最后階段被調用的，啟動加載任務加載到服務器，然后再發送給所有鏈接的客戶端。TGE通過采取一些手段可以解決帶寬，數據包丟失和延遲這3個網絡連接的基本問題，每臺服務器最多可以連接128臺客服機[8]。但是由于3D仿真系統數據量比較大，對網絡的負擔較重，所以還要對網絡數據傳輸進行一些優化。比如，系統設計一個本地預加載任務的策略。在本地機內部創建一個臨時的僅用于加載datablock的服務器。在應用程序初始化時就預先加載datablock。用戶在進行任務加載時就能感覺加載過程大大縮短了。程序如下：

3 電力安全作業仿真培訓系統介紹

3.1 系統簡介

電力安全作業仿真培訓系統使用了計算機技術、網絡技術、虛擬現實技術，并融合電力生產專業知識，為電力企業提供了一個電力培訓的平臺。系統具有強大的仿真功能，涉及了眾多電力生產流程、工器具的使用、通過復現典型的電力生產事故來解讀電力生產安規。仿真培訓系統可以為電力生產的運行、檢修、調度等專業提供基于虛擬現場的全方位培訓。在不同地方的培訓人員都可以進入同一的平臺中，大家一起去了解電力設備的特性、獲得電力事故的教訓、明白電力系統運行特點、觀摩標準化作業的正確流程、掌握電力生產工器具的使用等。系統采用C++作為平臺開發語言，平臺上提供了虛擬培訓、實景培訓、電力安規培訓三個模塊。

3.2 系統功能

對于電力安全作業仿真培訓系統的各個模塊簡單介紹如下，其總體結構圖如圖8所示。

圖8 系統結構圖

（1）虛擬培訓

本模塊應用TGE開發了一個基于虛擬現實的電力培訓平臺。平臺采用Torque Script進行流程控制、SQL 2000數據庫記錄培訓者數據，并結合圖片、聲音等多媒體技術來輔助模擬真實世界。該平臺包含兩個小模塊：事故案例培訓和技能培訓。

事故案例培訓模塊中對過去發生的一些典型事故進行了仿真再現。在以往的事故教育中，一般都是用文字語言把事故表述出來，然后人們在頭腦中對事故進行想象。但由于每個人的理解能力不一，這些非直觀的理解就可能為以后的工作留下隱患。基于VR技術的培訓系統能將過去的一些典型事故逼真地再現，讓培訓者仿佛置身于真實事故一樣，事故發生的起因、經過、結果一目了然。培訓者可以得到最深刻的感受、接受到最有效的教育。

技能培訓模塊首先實現了現實設備的虛擬可視化。培訓人員進入虛擬培訓平臺后，虛擬設備就呈現在培訓者的面前，培訓者可以主動地在虛擬的電力系統中遨游，可以隨意地去了解設備的外部構造、變電站以及輸電線路的結構、工作現場的環境等，然后再將感受到的信息經過大腦的思考和分析，形成自己想要的動作或策略，通過輸入界面反饋給系統，實現與系統的交互和控制[9]。培訓人員通過使用這個模塊可以去深入了解電力系統。技能培訓模塊還仿真了許多電力生產流程，比如：10 kV更換地刀保險、110 kV隔離開關檢修、220 kV線路更換絕緣子、變電站倒閘操作、線路巡線等。

虛擬培訓集中了現場培訓和書本培訓的優勢，感性認識和動手能力都能夠得到提高，同時也減少了物質投入和對設備的損壞。培訓人員在虛擬現實中通過交互完成這些流程的培訓，既獲得理論上的指導又能掌握現場知識，還能通過反復的練習來提升自己的技能水平，掌握標準化作業的正確流程。同時由于TGE具有存儲量大、可擴展性強等特點，今后電力生產的眾多重要環節都能在系統中得以實現。

（2）實景培訓

本模塊主要是采用視頻拍攝手法，將電力生產的一些環節拍攝下來供電力工作者學習。培訓者通過觀看視頻，看到現實電力系統中標準作業流程，得到一些感性而直觀的認識。該模塊能增強本系統模擬現實電力作業的真實感，讓系統更加全面。

（3）電力安規培訓

本模塊主要以flash制作的二維動畫來演繹電力安全規定的電力安規、觸電急救等相關知識。Flash是美國Adobe公司推出的一款多媒體動畫制作軟件。采用Flash的形式來進行電力安規方面的培訓，可以給培訓系統注入娛樂性、生動性等元素，讓枯燥的東西變得活潑，讓培訓者對系統產生濃厚的興趣，主動地進行培訓，寓教于樂。同時由于flash具有文件容量小、下載時間短的特點，可以方便系統推廣與使用。

3.3 系統應用

本系統提供了一個人機交互的電力安全作業仿真培訓平臺，是虛擬技術的成功應用。系統將多種培訓模式融合，讓人有耳目一新的感覺。目前該系統已經驗收，并在湖南省電力公司穩定運行，正準備向河南省電力公司推廣。

4 結論

基于虛擬現實技術的電力安全作業仿真培訓系統是融合了實用性、互動性、娛樂性等特點于一體的電力生產培訓系統，其突破了事物傳統表達方法的局限，是虛擬現實技術在電力培訓上的具體應用。通過完成對三維建模、場景搭建、碰撞檢測、網絡連接等問題的處理，系統終于搭建成型。其網絡培訓的模式方便了電力職工的學習；其娛樂性、互動性的特點提高了員工參與培訓的興趣；其高度仿真性的特點提高了培訓的效果；其純軟件的形式大大節約了培訓的費用。

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[5]侯俊，李蔚清，林昌年.變電站三維交互場景仿真關鍵技術研究[J].電網技術，2005（29）：70-75.

[6]Anderson B，McGrath A.Strategies for mutability in virtual environments[C]//Virtual Worlds on the Internet.Los Alamitos，Calif：IEEE CS Press，1988：123-134.

[7]劉翼.三維游戲中碰撞檢測算法的研究與實現[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[8]Finney K C.3D game programming all in one[M].[S.l.]：Cengage Learning，2006.

[9]周澤偉，馮毅萍，吳玉成，等.基于虛擬現實的流程工業過程模擬仿真系統[J].計算機工程與應用，2011，47（10）：204-208.

基于虛擬現實技術的電力作業仿真培訓系統

陳奇朋1，羅滇生1，胡 強2，何洪英1，康 童1，毛 田1，謝夏慧1

CHEN Qipeng1,LUO Diansheng1,HU Qiang2,HE Hongying1,KANG Tong1,MAO Tian1,XIE Xiahui1

1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China
2.Changde Electric Power Bureau,Changde,Hunan 415000,China

This paper introduces a simulation training system for electric power safety designed from angle of skills and safety training,combing the power grid’s physical characteristics and virtual reality techniques.The article presents the main key technologies such as 3d modeling technology based on the model parameter database,virtual scene building technology based on characteristics of electrical connections and internet connection technology used in the system.And the paper describes the three large modules including virtual training,imaging training,electric power safety training in detail.This system brings a new look to the power companies and also does great benefits for the enhancement of the operators’skill level and the improvement of their security awareness of operating.

virtual reality;three-dimensional modeling;visualization;network connection

從技能和安全培訓的角度出發，將電網物理特點和虛擬現實相結合，設計了電力安全作業仿真培訓系統，介紹了系統包含的基于模型參數數據庫的三維建模技術、基于電氣連接特性的虛擬場景搭建技術、可視化交互技術、網絡連接等關鍵技術，詳細介紹了系統的虛擬培訓、實景培訓、電力安規培訓3個大模塊。系統的開發給電力企業培訓帶來了新的面貌，對于提升作業者技能水平、提高作業人員安全作業也大有裨益。

虛擬現實；三維建模；可視化交互；網絡連接

A

TP391.9；TM743

10.3778/j.issn.1002-8331.1110-0114

CHEN Qipeng,LUO Diansheng,HU Qiang,et al.Power safety simulated-training system based on virtual reality technology.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：232-236.

湖南省自然科學基金委員會與衡陽市政府自然科學聯合基金資助（No.11JJ8003）。

陳奇朋（1984—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統虛擬可視化；羅滇生（1971—），男，博士，教授，研究方向為電力系統虛擬可視化、電力市場理論及其應用；胡強（1975—），男，工程師，研究方向為電網規劃與工程前期；何洪英（1976—），女，博士，講師，主要從事戶外線路高壓絕緣檢測、戶外線路覆冰檢測、圖像處理等方面研究；康童（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力市場軟件開發；毛田（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力市場軟件開發；謝夏慧，女，碩士研究生，研究方向為高電壓試驗。E-mail：372922558@qq.com

2011-10-10

2011-12-05

1002-8331（2013）11-0232-05

CNKI出版日期：2012-03-08 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120308.1520.020.html