VR技術(shù)在變電站技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

俞云+黃鑫

摘 要

基于VR技術(shù)的變電站技能培訓(xùn)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)造變電站三維模型、虛擬觸控、3D實(shí)景操作等一系列實(shí)用場景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互的變電站操作技能培訓(xùn)與考核。本文通過對變電站的日常維護(hù)流程與培訓(xùn)考核進(jìn)行研究，采用信息融合技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)信息在可視化載體上進(jìn)行綜合展現(xiàn)，全面輔助業(yè)務(wù)人員對變電站日常操作與設(shè)備維護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)培訓(xùn)與考核。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí) 變電站 虛實(shí)交互 考核分析

1 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，變電站數(shù)量越來越多，電網(wǎng)對變電站的維護(hù)與日常操作的工作量越來越大。現(xiàn)有變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)難以使得維護(hù)人員快速掌握技能，因此需要在現(xiàn)有仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對變電站設(shè)備如變壓器、母線、刀閘等進(jìn)行3D建模，模擬變電站仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變電站各種運(yùn)行工況展示及日常維護(hù)操作，模擬變電站故障定位及事故處理，培訓(xùn)學(xué)員通過頭盔顯示器和操作手柄等交互設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與3D虛擬現(xiàn)實(shí)變電站場景設(shè)備的操作交互功能，改善培訓(xùn)效果，從而有利于較快提升變電站設(shè)備維護(hù)人員技能。

2 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬變電站技能培訓(xùn)系統(tǒng)能模擬變電站正常、異常和故障時(shí)的各種工況及操作過程，如工器具的檢查、變電站日常巡視、操作票的流程與操作、事故處理等。例如在虛擬變電站內(nèi)，受訓(xùn)人員按照操作票的內(nèi)容進(jìn)行操作，VR系統(tǒng)將會判斷受訓(xùn)人員的每一步操作是否符合操作要求，同時(shí)變電站設(shè)備將根據(jù)操作進(jìn)行正確反應(yīng)，這樣，模擬操作的過程和結(jié)果就與實(shí)際現(xiàn)場基本一致了。

一個(gè)完整的三維交互系統(tǒng)主要包括設(shè)備建模、場景建模、場景交互這三個(gè)部分。將采用3DS MAX、Maya等專業(yè)三維建模軟件來進(jìn)行設(shè)備和場景的建模。由于電力仿真中需要模擬設(shè)備的狀態(tài)和缺陷，并且要完成場景切換、設(shè)備操作等功能，因此實(shí)現(xiàn)的三維交互系統(tǒng)提供了設(shè)備編輯器來輔助設(shè)備建模。它主要包括了以下幾個(gè)模塊：

（1）虛擬變電站對于用戶是可見的，用戶可以直接在其中模擬各種操作。

（2）建立變電站的一次設(shè)備及其操作機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化裝置及系統(tǒng)等的詳細(xì)模型。

（3）在構(gòu)建的虛擬變電站中，使用工器具、工作票許可、操作票培訓(xùn)與事故處理等，操作設(shè)備，改變設(shè)備狀態(tài)，驗(yàn)證VR技術(shù)在變電站技能培訓(xùn)中的效果。

3 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

由于該系統(tǒng)是一套完整的基于VR的人機(jī)交互培訓(xùn)系統(tǒng)，第一步工作是要把整個(gè)變電站場景模擬出來。采用3dsmax軟件做出一個(gè)完整的變電站模型，采用unity3D引擎把美工做的模型表現(xiàn)出。

第二步的工作是實(shí)現(xiàn)在虛擬的場景里進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)的操作。即把變電站標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)對變電站的日常巡視工作、檢查工具與設(shè)備、操作設(shè)備與更換操作等，方便工作人員施工前和新員工的培訓(xùn)與考核。

3.2 三維引擎

本系統(tǒng)使用Unity3D三維引擎，滿足三維仿真的基本要求。主要內(nèi)容包括：基本對象表現(xiàn)、模型導(dǎo)入、圖片導(dǎo)入、碰撞檢測、燈光、材質(zhì)和紋理、粒子系統(tǒng)、公告牌、天空體和天空盒、BSP和視景體裁剪（用以提高渲染效率）、動(dòng)態(tài)圖像序列（實(shí)現(xiàn)閃電、流水等效果）。

3.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互是三維模擬培訓(xùn)系統(tǒng)最重要的一個(gè)部分。通過將場景文件導(dǎo)入unity3D實(shí)現(xiàn)場景的顯示，用戶可以自由的瀏覽場景，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。在unity3D中，場景中的設(shè)備都具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，操作人員可以從各個(gè)角度對設(shè)備進(jìn)行觀察。特別是新員工可以通過場景的漫游使其對變電站有更加深刻的了解，增強(qiáng)了培訓(xùn)的真實(shí)感。

4 具體實(shí)施方式

4.1 三維建模

3D建模通俗來講就是通過三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。通過maya，3Dmax等軟件，根據(jù)真實(shí)的變電站場景，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的三維建模，實(shí)現(xiàn)變電站的標(biāo)準(zhǔn)化改造和虛擬的場景漫游。

4.2 碰撞檢測

需要檢測到碰撞現(xiàn)象，即碰撞檢測。首先，在unity3d中，能檢測碰撞發(fā)生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。這兩種方式的應(yīng)用非常廣泛。碰撞器是一群組件，它包含了很多種類，比如：Box Collider，Capsule Collider等，這些碰撞器應(yīng)用的場合不同，但都必須加到GameObjecet身上。

4.3 VR頭顯

VR頭顯是一種利用頭戴式顯示設(shè)備將人的對外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息后在腦海中產(chǎn)生立體感。

4.4 手柄操作

通過手柄選擇與操作場景中的設(shè)備是人機(jī)交互系統(tǒng)必不可少的功能，在unity3d中實(shí)現(xiàn)了選擇與反饋機(jī)制來滿足用戶使用手柄實(shí)時(shí)操作三維圖形的需要。

4.5 考核分析

考核分析模塊對學(xué)員的所有操作進(jìn)行考核，針對現(xiàn)場實(shí)際的操作可能造成的危害進(jìn)行完整性、正確性與操作順序進(jìn)行評估。評估學(xué)員操作是否完整、是否有被遺漏的步驟、是否正確、是否嚴(yán)格按照順序進(jìn)行操作。同時(shí)對學(xué)員的操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對一些遺漏與錯(cuò)誤的步驟進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，針對每個(gè)學(xué)員出具考核評估與改進(jìn)報(bào)告。

5 小結(jié)

本文建立的基于VR的變電站技能培訓(xùn)系統(tǒng)十分直觀形象，培訓(xùn)人員可以直接動(dòng)手操作而不會有危險(xiǎn)。通過虛擬變電站與變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)間的通信可實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬變電站的交互，很好的滿足虛擬變電站實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)動(dòng)作的要求。通過3D虛擬技術(shù)模擬真實(shí)場景使電力培訓(xùn)更加生動(dòng)形象，極大的提高了變電站培訓(xùn)考核效率，提高變電站運(yùn)行人員的操作技能，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)，并降低了培訓(xùn)的成本。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

俞云（1990-），女，廣西壯族自治區(qū)桂林市人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，從事信息系統(tǒng)安全與運(yùn)維管理工作。

作者單位

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541002endprint