基于桌面虛擬現實技術的高壓柜教學系統開發

劉浩 王大虎 白帆

摘? 要： 電力行業高壓柜的工作環境危險系數比較高，誤操作不僅會導致設備的損壞，還可能危及操作人員的生命安全。用虛擬現實技術便可以突破傳統訓練方法的很多局限，使教學變得形象、易懂。文章通過3ds MAX和Torque Game Engine軟件開發了高壓柜教學系統。測試表明，該系統能增強學員的學習興趣，保證學員的人身安全，提高學員的學習效率，彌補了傳統高壓開關柜檢修教學的不足。

關鍵詞： 高壓柜; 虛擬現實; 教學; 3ds MAX; Torque Game Engine

中圖分類號：TM743? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-13-04

Abstract： The high voltage cabinet in power industry has a high risk factor of working environment. Misoperation will not only cause damage to equipment， but also may endanger the operators. Virtual reality technology can break through many constraints of traditional training methods and make the teaching visualized and understandable. In this paper， a high voltage cabinet teaching system is developed with 3ds MAX and Torque Game Engine software. The tests show that the system can enhance students' interest in learning， ensure students' personal safety， improve students' learning efficiency， and make up for the shortcomings of traditional high-voltage switchgear overhaul teaching.

Key words： high-voltage cabinet; virtual reality; teaching; 3ds MAX; Torque Game Engine

0 引言

現今我們國家的電網水平發展非常迅速，所以就需要工作人員的綜合實力越來越高，于是傳統的培訓方式已經不能達到這個現階段的要求。傳統的培訓方式一般都以課本配合教學人員的講解來實現，有時會有一些PPT課件或者圖片、視頻等來進行簡單的演示。這樣的方式極其枯燥無聊，而且學員不能馬上進行操作，也不能對自己不懂得地方進行重復的學習了解，這就導致了傳統的培訓方式中教學時的環境與實際工作的環境區別很大，而要投資建設現實的工作環境則存在著投資費用高、更新困難等問題。

虛擬現實技術是通過計算機制造出虛擬場景，與現實很接近，讓人們有一種置身于現實中的感覺[2]。近段時間，沉浸式的虛擬仿真技術基于頭盔、手柄等工具通過動作捕捉等方法來進行沉浸式的虛擬現實交互。這樣的方法雖然效果好，但需要一臺高性能的電腦主機和HTC公司的VIVE設備來支持，這樣造價就高了。同時，由于HTC VIVE設備需要進行定位才能使用，場地的布置也是一個問題。

基于桌面的虛擬現實技術的仿真培訓就很好的解決了沉浸式虛擬現實仿真技術的弊端，而且，實際培訓的效果也不比沉浸式的差。這種培訓方式主要是通過電腦來實現，所以需要的場地也就很少。因為不需要對VR設備進行支持，所以對電腦主機的硬件要求也就沒有那么高。同時也能解決傳統的培訓方式的枯燥無趣且學員不能動手操作的缺點，經濟性也比較高，后期的教學內容更新也可以通過軟件來進行改變，極大的提高了培訓效率。

1 系統總體設計

高壓柜在電力系統中起著至關重要的作用，它的作用非常多主要是起到開通、關斷、控制或者保護的效果。它是輸電、變電設備中的一個非常重要的設備，在整個電力的行業里面有著舉足輕重的位置。

由于高壓柜有很多種類型，所以就需要把每種柜型都進行三維建模，這樣才能使學員能完整且系統的學習各個柜的區別與關聯。本系統可以使受培訓人員系統地掌握不同柜的區別，以使學習人員最終能夠通過本系統提高自己的專業知識高度，全面的掌握設備知識，從而使得在實際工作的時候能夠進行正確的操作。系統的整體流程如圖1所示。

系統設計主要分成了四個部分。

⑴ 建立三維模型，然后再建立和完善設備的標準化檢修流程。要依標準來建立所需要的流程，如果不按照標準，就不能得到預期的培訓效果。

⑵ 建立設備檢修培訓系統，將設備的主要信息錄入到模型里，這樣學員在學習時能得到設備的詳細信息。之后是建立設備的場景，這里以某一變電所為場景來進行場景的布置與構建，讓學員可以在與實際場景一樣的三維場景里學習，提高學習效率。

⑶ 建立考試系統，考試系統分為三個部分。一是試題庫的維護，因為現在變電設備經常會有一些小變化，所以題庫也需要隨著設備的變化而變化，維護即在需要的時候對考試系統進行升級或者添加內容。二是學員在線考試系統，學員在這個功能模塊進行在線測試，對自己的學習效果進行一個評測。三是對測試結果進行分析，系統有一個評估標準，可以對學員的評測結果進行分析，分析學員哪些地方比較薄弱，可以更好的提升培訓效率。

⑷ 用戶權限的管理，用戶登錄分為管理員和學員班級登錄兩種。管理員登錄是為維護系統服務的，包括管理后臺儲存的學員信息。學員需要在登錄界面注冊，然后在學員登錄界面進行登錄。登錄后即可完成學習與測試等相應工作。如圖2所示。

2 變電柜三維模型的構建

2.1 構建原則

三維模型的構建是最基礎和最重要的，因為一個好的三維場景可以給學員更真實的視覺回饋，這樣才能更好的提升培訓效果。建模時候需遵循幾個原則。

⑴ 還原度。本身三維建模就是根據現實的物體來進行三維重現，所以就要盡可能的做到高還原度，這樣學員看到的跟真實的一樣才能達到培訓效果。如果模型效果很差，還原度非常低學員的學習效果就會非常低，甚至還不如傳統的培訓方式。

⑵ 主次結構。在建模和場景的布置中都要考慮到這個方面，在某一個模塊需要突出什么就把這部分構建的相對精細一些，讓其顯得更加突出，這樣能夠更好的被識別。

⑶ 色調統一。在建模中色彩要盡量保持協調，首先有一個主色調，然后其他的地方盡量選擇可以與主色調能夠相輔相成的色彩，有時候還可能有的物體會出現曝光或過暗的現象，這時就要考慮整體的亮度，盡量向其靠近。這樣能夠顯得更加的有整體性。

2.2 模型構建

模型的構建用的是3ds MAX軟件來實現的，3ds MAX是一個常用的三維建模軟件，它性能很好且價格適中，不僅能帶來良好的制作效果還可以節約很多不必要的成本，一般的電腦配置就可以運行操作[3]。

建模方法采用實地拍照后對比對照片進行建模。由于變電柜的線條太多，所以在建模過程中要注意卡線的規則性，否則會出現錯誤。在建模過程中合理的使用切角、擠出和鏡像等功能可以大大減少建模的時間，增加效率。因為人類是感官動物，而主要的獲取信息的手段是通過視覺，所以就需要盡可能的還原真實場景，這是一個工作量很大的部分。建模完成后我們就要使用烘培技術來進行優化，由于現在計算機的硬件水平普遍不高，而且高配置的計算機價格昂貴，就需要使用烘培技術，這樣既可以保證模型的效果又可以降低對硬件配置的需求。烘培技術是將高模的紋理映射到簡模上，高模即紋理細膩跟真實物體幾乎一樣的模型，底模是保留了大概整體，如圖3所示。通過烘培可以用低模的模型來顯示出高模的效果。主要步驟是將低模進行UV拆解，拆解后擺放在方形格內，再用渲染技術將高模的細節烘培到底模上。有的高模圓滑度不夠的話可以使用NURBS變換來進行優化后再進行烘培操作，這樣還原度更高。

3 系統設計

3.1 工具的選擇

系統的開發引擎選擇是很重要的，通常使用的是Unity 3D和Quest 3D來進行系統的設計。一個合適的引擎可以提供穩定的交互效果，還可以簡化整個設計的工作流程。通過比較與研究，最后選用了Torque Game Engine，它不同于通常廣泛使用的Unity 3D和Quest 3D，這個軟件本身是廣泛用于游戲制作的一種3D游戲引擎，所以擁有更優秀的光影效果，它主要有以下四個模塊：平臺模塊、控制模塊、資源管理模塊和網絡連接模塊。

3.2 模型優化

之前已經介紹了建模的過程，這里利用Torque Game Engine將其進行再開發并結合3ds MAX來進行整個系統三維場景的構建。

同時，還利用了Torque Game Engine來優化建模過程。由于建模過程是兩個軟件來實現，所以就要對建模的過程進行檢測，以免在投入使用后出現錯誤。我們使用了一個數學公式來實現檢測工作，這樣就能提前避免模型出錯，公式如下：

公式里面的f代表著計算機在正常工作下的消耗功率，其余的都是常數，經過此公式檢測后就能知道建模的工作流程里面是否發生的錯誤，如果出現了還可以由此計算出偏差的數值。

3.3 軟件設計

3.3.1虛擬場景構建

把之前建好的模型導入到Torque Game Engine中，把場景布置好。場景共分為兩部分，分別是室外場景和室內場景。室外場景是一些互感器、避雷器和輸電線路等，如圖4所示;室內場景是主要的學習區域，其中包含多種高壓柜，如圖5所示。

添加室外場景是為了盡可能的還原一個完整的變電站，這樣可提高培訓的效果。一個美觀且完整的場景才能夠更好的吸引學員的學習興趣，這樣也能更好的區別于傳統的培訓方式且更加具有真實感[4]。室內的學習區域有多種配電柜，是學員進行學習的主要區域。

3.3.2 教學內容

系統主要是熟悉操作場景和學習各種高壓柜的知識，室內場景置放了多種配電柜，每個高壓柜都有其特有的控制面板與設備具體信息。當視角面對某個配電柜時，可以選擇觀看設備的面板信息和設備型號、尺寸和具體功能等。且設備面板也是可操作的，如圖6所示。每個旋鈕與開關都可以進行操作，比如打開屏幕開關屏幕就會由關閉狀態變為明亮的開通狀態，按下按鈕就會由暗紅變為亮綠等。

此外還有針對五防操作的教學，眾所周知電氣五防在電氣設備的操作中是非常重要的，因為它是確保設備正常工作甚至是操作人員人身安全的重要防護措施。很多意外事故的發生都是因為沒有認真學習五防操作而造成的。在系統里也加入了針對五防操作的學習，在界面的左下方有五防操作的視頻，點擊即可進行觀看學習，這樣把現實中的操作結合語音反饋給學員，可以使學員結合高壓柜獲得更好的學習效果，如圖7所示。

3.3.3 考試系統

最后為了檢驗學員的學習效果還加入了考試系統。每個學員都有其專屬的賬號，點擊考試后所得的成績都會記錄在程序里，而且每次系統都會根據學員的成績進行評測，指導學員下一步需要在哪個地方加深學習[5]。

考試系統有其獨立的數據庫，以管理學員數據和更新題庫。當需要更新或者修改測試內容時，管理員可以隨時進行升級與維護。這樣可以根據實際需要隨時進行更新，可以更好的提高培訓效果。

4 結論

本文研究的教學系統改善了傳統培訓方式的很多缺點，實用性強、互動性高，而且具有一定的娛樂性，增強了學員的學習興趣，提高了學習效果，使得培訓效率大大提高。目前現在虛擬現實技術已經日趨成熟，在各種教育培訓中都得了廣泛的開發與應用，且已證實應用效果是非常好的，不僅授課教師覺得很便捷，受訓學員也能更好更快的融入到培訓中。學員可以通過登錄系統學習和掌握傳統培訓模式所不能提及的很多細節，這樣可以快速高效的提高受訓學員的技術水平。

虛擬現實技術在電力系統的教學當中已經有了較為廣泛的應用，擁有著一個非常好的前景[6]。目前本系統只仿真了正常工作的系統，當誤操作時會發生什么樣的后果還未進行仿真，需要在下一步完善。

參考文獻（References）：

[1] 王大虎，盧正帥，賈倩.塔架式抽油機安裝培訓虛擬仿真系統開發[J].電子測量技術，2017.40（5）：95-108

[2] 陳昊，閆龍川，陳新鵬.劉軍，李君婷，梁曉傳，陳亮.虛擬現實技術及其在電力行業的應用[J].電力信息與通信技術，2017.5：16-21

[3] 王大虎，高會爭，陳俠.精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統開發[J].實驗室研究與探索，2016.35（10）：85-89

[4] 劉森.VR虛擬現實技術在變電站智能電氣運維及培訓領域的應用[J].電氣時代，2017.4：94-96

[5] 陳海波，鄭健，費瑞軼，王媚，陳錦.虛擬現實技術在電力系統中的典型應用[J].電網與清潔能源，2017.11：43-45

[6] 王敬沖，王大虎，劉海洋.無極繩絞車三維可視化系統設計[J].測控技術，2015.46（9）：123-129