電力設備檢修三維仿真培訓集成系統(tǒng)的實現(xiàn)研究

摘要：介紹了運用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)電力設備檢修培訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)以三維模型為基礎，構(gòu)建電力設備檢修仿真培訓平臺，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多任務、多角色檢修培訓，并且提供開放式接口使其能夠在平臺中擴充培訓內(nèi)容和設備模型。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；電力設備檢修；仿真培訓平臺

作者簡介：朱金花（1964-），女，江蘇徐州人，江蘇省電力公司徐州供電公司，高級工程師；趙凱峰（1976-），男，吉林松原人，江蘇省電力公司徐州供電公司，工程師。（江蘇 徐州 221003）

基金項目：本文系江蘇省電力公司2012年科技項目“電力設備檢修三維仿真培訓集成系統(tǒng)研究”（項目編號：J2012050）的研究成果。

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0155-02

一、目的和意義

電力設備種類繁多，而且對其安全運行方面要求較高，電力生產(chǎn)檢修人員承擔著電力設備的檢查、修理、改裝和調(diào)試等工作，只有提高該類人員的技能操作水平，促進和加強設備檢修人員的技術(shù)管理，才能保障電力設備的安全運行。原有的培訓模式是在真實設備上進行技能培訓，但有成本高、工位有限、不能多工種協(xié)同操作的缺點，已經(jīng)不能滿足日益擴大的電力生產(chǎn)規(guī)模和不斷更新的設備帶來的對技能人員技能水平不斷提高的需求。

國內(nèi)目前的虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，在培訓方面應用十分廣泛，但大多是基于某項單項工作或某個單獨設備進行的仿真，針對所有電力設備檢修方面的仿真平臺還沒有。運用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬電力設備的基本工作原理、設備類型及結(jié)構(gòu)，并模擬各種故障以及處理方法，采用文本、聲音、圖像、動畫、視頻等多種表現(xiàn)形式，這樣就能對生產(chǎn)技能人員進行很好的現(xiàn)場演示和指導，提高他們消除缺陷的能力。通過計算機技術(shù)構(gòu)建整體平臺并使其能夠?qū)崿F(xiàn)多任務、多角色協(xié)同仿真培訓，通過開放式接口標準能夠在平臺中不斷增加電力設備種類，為將來新設備的檢修培訓提供接入方式。

二、系統(tǒng)構(gòu)成及特點

1.系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)通過計算機的軟硬件技術(shù)實現(xiàn)。通過局域網(wǎng)連接的PC機分別運行系統(tǒng)教員端和學員端程序。教員端程序負責對學員端下達操作任務，記錄操作步驟、控制學員端操作方式，學員端程序負責提供檢修仿真操作人機界面。系統(tǒng)硬件構(gòu)架圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)軟件設計及原理

本系統(tǒng)通過使用第三方的三維引擎技術(shù)（見圖2）對三維模型和三維場景進行標準化處理，使其滿足仿真平臺的要求。通過對數(shù)據(jù)庫的操作和網(wǎng)絡通訊的封裝，提供交互操作的數(shù)據(jù)傳輸。

（1）三維引擎技術(shù)。本系統(tǒng)使用的三維引擎技術(shù)是一套由多個子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，從建模、動畫到光影、粒子特效，從物理系統(tǒng)、碰撞檢測到文件管理、網(wǎng)絡特性，還有專業(yè)的編輯工具和插件，幾乎涵蓋了開發(fā)過程中的所有重要環(huán)節(jié)，也可以將三維引擎分成以下幾部分：配置系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、時間系統(tǒng)、控制臺、支持部分、渲染器/引擎內(nèi)核、接口、數(shù)據(jù)工具等。

三維引擎嵌入?yún)R編語言提高常用運算的執(zhí)行效率，調(diào)用CPU的微指令集來加快運算速度。引擎基于OpenGL圖形接口規(guī)范，通過顯卡驅(qū)動程序?qū)penGL接口規(guī)范的支持來實現(xiàn)對顯卡硬件的管理，使用顯卡硬件編程技術(shù)來實現(xiàn)各種圖像渲染效果，使其獲得硬件加速的同時，又具備優(yōu)秀的可配置性和可擴展性。三維引擎可以對3D模型和場景進行標準化處理，控制各個模型的運動、聲音等。

（2）三維模型和三維場景的處理。系統(tǒng)中所使用的設備模型在SolidWorks軟件中構(gòu)建。所有模型都是基于實體的幾何特征來建模的，如設備零配件之間的裝配關(guān)系，共點、共線、共面或者共軸等，這樣建立的幾何模型適宜在裝備的虛擬拆裝和裝備的虛擬故障檢修中，按照裝備的實際拆裝方法和檢修方法，設計出虛擬裝備的相應動作，以此實現(xiàn)的動作可以逼真、準確地展示現(xiàn)實的拆裝和檢修。

在后期的仿真功能開發(fā)中，仿真平臺本身也是基于幾何特征屬性來設計仿真裝備動作的，這樣從建模到功能設計都基于幾何特征屬性，方便了設計和實現(xiàn)。仿真平臺的腳本系統(tǒng)也有相應的操作接口，在腳本中也能方便地生成和制作模型動作，在很大程度上能減少系統(tǒng)的開發(fā)周期。

系統(tǒng)中的三維場景是在3DSMax軟件中設計，3DSMax的特點是直接在三維物體上造型，利用線、面來逼近三維實體的形狀，形狀的相似性可以做到以假亂真的程度。缺點是它不是以幾何特征建模的，造型出來的模型只具有逼真的外觀，但模型的零配件之間不具有幾何約束和物理約束，涉及到運動的可操作性很差，不太適合表現(xiàn)物理實體的運動關(guān)系，但可以實現(xiàn)檢修設備的場景模擬，主要包括電力設備檢修環(huán)境（如變電站場景、檢修廠房場景）、檢修使用工器具（如扳手、螺絲刀、萬能表等）、環(huán)境或設備輔助效果（如煙、火、閃光燈）。

（3）模型和場景的控制及封裝。將SolidWorks構(gòu)建的模型和3DSMax構(gòu)建的場景利用三維引擎技術(shù)導入到三維引擎平臺中，在三維引擎中利用OpenGL編程接口對各個模型進行渲染。利用LOD技術(shù)提高模型圖形的生成速度，使模型在運動中的顯示更為流暢。

通過三維引擎平臺提供的功能設計模型的動作，主要包括三種：模型本體動作、工具本體動作、工具與模型交互動作。每個動作都由平移運動、旋轉(zhuǎn)運動、軌跡運動組合而成。

（4）界面設計和邏輯控制。系統(tǒng)界面中菜單、按鈕或多媒體信息由三維引擎中腳本來編寫定義。如Button（按鈕或菜單項）定義（見圖3）。

系統(tǒng)的邏輯控制由三維引擎中邏輯交互腳本編寫，通過定義控制點（Ctrlpt）、響應（Reaction）和觸發(fā)器（Trigger，見圖4）來實現(xiàn)邏輯控制。

（5）擴展接口設計。系統(tǒng)中除了實現(xiàn)典型電力設備模型的交互式仿真外，還提供了將來新設備或其他設備檢修仿真的接口。接口標準主要包含兩部分：一是模型載入標準。模型載入標準規(guī)定了設備模型的文件格式，使其能夠通過三維引擎導入到開發(fā)平臺中，進行進一步設計。二是仿真子模塊數(shù)據(jù)通訊標準。通過定義仿真子模塊數(shù)據(jù)通訊標準可以使系統(tǒng)中各個電力設備檢修仿真互相聯(lián)系，實現(xiàn)多工種協(xié)同操作訓練，同時標準中規(guī)定了第三方仿真程序接入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)定義，包括網(wǎng)絡通訊字段定義、Windows系統(tǒng)中動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE數(shù)據(jù)定義。第三方仿真程序只要具有遵循上述定義的接口，即可接入到此系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享或統(tǒng)一管理。

三、系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)將主要電力設備尤其是變電設備在三維環(huán)境中組裝成一個變電站，通過三維交換界面實現(xiàn)對變電設備檢修仿真訓練。系統(tǒng)主要分為教學、考核、系統(tǒng)管理三大模塊。

教學模塊又細分為設備介紹、檢修動畫、操作練習三大模塊。學員通過選擇工種、角色進入對應的設備檢修教學模塊，并根據(jù)系統(tǒng)提供的功能實現(xiàn)原理學習、檢修操作流程學習以及檢修操作訓練。

考核模塊由教員端設置某些操作任務和設備故障、由學員端進行針對性檢修仿真操作、系統(tǒng)記錄所有操作步驟并且給予評分。

系統(tǒng)管理模塊由教員在教員端實現(xiàn)，主要功能包括：設置工種和角色、設置變電站內(nèi)設備型號（系統(tǒng)根據(jù)設置自動調(diào)用對應的設備，以實現(xiàn)對不同型號的同一類設備的檢修訓練）、設置需連接外部仿真模塊、設置評分標準等。

四、系統(tǒng)主要特點

1.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)

整個系統(tǒng)場景仿真使用自主研發(fā)的三維引擎，使用圖像渲染系統(tǒng)對三維真實場景進行仿真，使用動畫腳本系統(tǒng)控制培訓劇本發(fā)展，通過聲效引擎模擬聲音效果。

2.全面強大的交互性

在三維環(huán)境中，通過鼠標和模型之間的點擊、拖動，構(gòu)建簡單方便的人機交互體驗，學員需要和現(xiàn)實中一樣，拆卸螺絲需要選擇扳手工具，模型拆卸檢修有物體干涉碰撞的約束，使學員能夠體驗到實物一樣的檢修體驗。

3.模塊化和可擴展性

系統(tǒng)中涉及到的所有設備檢修仿真都是獨立模塊，后期如添加其他設備，只要制作出符合系統(tǒng)接口標準的模塊即可融入到系統(tǒng)中（見圖5）。第三方制作的仿真程序只要具有符合系統(tǒng)接口標準的接口也可納入到系統(tǒng)統(tǒng)一管理，為以后系統(tǒng)功能的擴充提供了基礎。

五、結(jié)束語

電力設備檢修三維仿真培訓集成系統(tǒng)在Windows環(huán)境中，借助三維引擎技術(shù)實現(xiàn)三維模型渲染、管理和界面設計、動作邏輯設計等。研發(fā)過程中使用了C++編程技術(shù)、DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、SolidWorks、3DSMax、OpenGL編程接口等，在實現(xiàn)過程中我們對上述技術(shù)有了更深一步的理解。

系統(tǒng)中涉及到的設備原理、設備檢修流程、圖片和視屏、聲效等專業(yè)數(shù)據(jù)由電力設備檢修技能專家編寫和提供，使系統(tǒng)中的設備結(jié)構(gòu)、動作流程等與真實現(xiàn)場保持一致，提高了系統(tǒng)仿真逼真度。

系統(tǒng)可以運用到檢修人員自主學習、技能操作訓練、技能操作考核等多項培訓考核工作中，減少了培訓設備購置費用、縮短了培訓時間、提高了單次培訓的人均培訓時間，使整體培訓效率有了大幅提高。

（責任編輯：孫晴）