基于沉浸式虛擬現實變電站教學系統研究*

李長江，侯永剛，王大虎

(河南天通電力有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

目前變電站運維人員培訓方式主要有3種,即課堂教學、投資修建基地和桌面式仿真系統。課堂教學內容枯燥，培訓效果差；投資修建實訓基地培訓效果好，但成本高，更新慢;桌面式仿真系統成本低，但用戶沉浸感差。沉浸式虛擬現實仿真技術是通過各種硬件，如立體投影、頭盔顯示器等設備，把視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，提供一個新的、虛擬的感覺空間，利用空間位置跟蹤器、動作捕捉等輸入設備，使得參與者完全投入一個更為逼真、可交互沉浸式虛擬環境[1]。

沉浸式虛擬現實變電站故障仿真系統引入沉浸式虛擬現實技術，可讓學員通過沉浸式設備，完全置身于虛擬場景中，并可以操縱場景中的電氣設備，帶來真實的現場感、沉浸感，激發學員學習熱情，提升學習效率[2]；系統開發以變電站一次設備為仿真主體，將一次設備結構和工作原理進行三維展示，做到理論與實踐結合，提高學員掌握變電站基礎知識能力；系統采用C#編程和FSM(圖形化編程方式)相結合的形式，減小了系統開發難度，縮短了研發周期，降低了開發成本，系統的穩定性、可移植性、可擴展性也得到保障[3]。因此,設計出沉浸式虛擬現實變電站一次設備教學仿真系統是對促進變電站培訓的一項改革，可加快培訓系統升級,對貫徹以人為本的技術宗旨具有重大的實際意義。

1994年華北電力大學在國內曾首次成功開發純軟件方式的變電站仿真培訓系統[4],該系統采用平面抽象符號的形式表達變電站的邏輯關系，抽象不直觀，尤其對于初學者入門門檻高。2016年期間出現了大量的虛擬現實技術在變電站仿真培訓系統的應用報道，但這些系統由于沉浸感不強，都沒有在系統內推廣和普及[5],學員培訓效果和目標達成度不好,有些系統的設計過于復雜龐大，讓初學者學習壓力激增。多年的虛擬仿真教學經驗總結出,如何把入門級的知識要點形象地進行展現，對提高培訓效果相當重要。為此本文首先選擇從變電站一次設備的結構和工作原理為出發點，著重開發針對初學者的虛擬仿真教學系統，將抽象難懂的書本知識變成場景逼真的三維場景，讓學員能快速掌握變電站知識點。

1 系統方案設計

系統仿真對象為河南平煤集團正在運行的謝莊變電站，該變電站是一座110 kV的變電站，主要擔負著11個廠礦的供電任務。供電主回路為3條，主備用供電線路1條。35 kV電壓等級現有饋出回路9條，6 kV電壓等級現有饋出回路11條。3臺主變壓器的容量分別為63 kVA、20 kVA、63 kVA，其中2臺63 kVA的1#、2#主變和20 kVA容量的3#主變為為運行狀態。日平均負荷為87 kVA左右，月最高負荷近110 kVA。

整個系統的開發以各種專業性軟件為基礎，根據設計過程中所采用的關鍵技術，選擇支持該功能的軟件，綜合各個軟件的特性，完善系統功能。在沉浸式變電站故障仿真系統開發過程中，系統開發思路可劃分為3步：素材的處理以及模型的準備、交互功能的開發、沉浸式培訓的實現。素材以及三維模型是系統開發的基礎，是交互仿真的前提條件，交互功能的實現是整個仿真的核心，沉浸式培訓是系統設計的最終目的，主要是綜合各個模塊的功能達到想要的效果。系統開發技術路線如圖1所示。

2 關鍵技術分析

系統涉及的關鍵技術包括，三維建模、三維交互引擎技術等。

2.1 三維建模技術

在進行虛擬現實系統開發過程中，虛擬場景模型的建立主要通過各種建模軟件來實現。該系統采用3DMax進行建模。如圖2所示建模過程中，首先要進行資料收集，本文以變電站故障仿真為研究對象，要建立的模型主要有變電站設備、場景以及故障的三維模型，故而應收集與變電站相關的圖片素材、技術資料以及教學視屏等作為變電站建模的依據；在明確建模對象的相關參數后，要確定模型間的關系，根據Unity3d交互的要求建立模型的父子關系，依據實物的物理特征判定模型的層級關系，模型是實物在三維場景中的映射，故而實物的尺寸決定了三維場景中模型的比例關系;與此同時，可以利用收集到的素材作為模型的材質和貼圖，由于場景中主要是變電站設備，故而設備材質以鋼鐵材質為主;貼圖的好壞將反映模型最終所呈現的視覺效果，其中為使模型更具真實感,采用的貼圖方式有：凹凸貼圖、漫反射貼圖、法線貼圖、衰減貼圖等；在確定模型關系以及制作好模型材質與貼圖后，在3DMax軟件內建立三維模型，賦予模型材質與貼圖，并將模型擺放到變電站三維場景中，給場景添加燈光、陰影效果，讓其更貼近真實場景；最后對模型進行優化，并將優化后的模型以.fbx文件和動畫序列幀的形式進行輸出。

圖1 系統開發設計方案圖

圖2 系統建模流程圖

以電壓互感器為例對于建模進行分析。電壓互感器主要由一、二次線圈、鐵芯、絕緣組成，此次仿真過程中電壓互感器為電容式電壓互感器，其實物與三維模型對比如圖3所示。

(a)實物

(b)三維模型

在建立電壓互感器三維模型的過程中，根據其在變電站中所屬形態將其劃分為3個部分進行建模。下部的支架部分主要由圓柱體和長方體構成，可以采用基礎建模法進行建模，選取長方體、圓柱體為建模基本體，通過縮放、鏡像等命令來實現；中部的接線盒通過將兩個長方體按比例縮放組合而成；上部的鐵芯和絕緣體通過將圓柱體轉換為可編輯的多邊形，在點、線、面、元素4個層級下，通過擠出、倒角、縮放、塌陷等命令編輯而成。電壓互感器建模如圖4所示。其他變壓器、電容器、電抗器、隔離開關等的建模方法類似。

圖4 電壓互感器建模圖

2.2 三維交互引擎技術

現今國內外用作三維交互開發的主流軟件有：Unreal4、Unity3d、Virtools、Quest3d等,綜合設計難度和系統開發成本，本設計選用Unity3d引擎進行系統開發。系統在設計過程中，考慮設計成本、系統面向對象以及用戶體驗效果等各方面因素，選擇外接式頭戴設備進行開發。在外接式頭戴設備中HTC vive是運用較廣，用戶反饋較好的沉浸式設備，故而系統開發過程中選擇HTC vive作為VR設備進行沉浸式功能開發。

通過HTC vive設備與Unity3d軟件對接，可將學員映射到變電站三維場景中，并與場景中的設備模型以及故障模型進行交互，進而實現變電站的沉浸式仿真開發；PC機是系統軟件開發的載體，PC機的硬件配置決定了場景的分辨率、系統的運行效率以及學員的最終體驗效果。

HTC vive硬件平臺的主要設備。

為使HTC vive設備正常工作，需以一定的順序對設備進行安裝，確保各個環節正確、有效地運行。HTC vive設備安裝可分為四步，具體流程如圖5所示。

圖5HTCvive設備安裝流程圖

實現VR設備與PC機間的通信，需要對其進行軟件配置。Steam VR是為HTC vive設備進行沉浸式仿真而專門構建的軟件平臺，該平臺可以讓HTC vive設備與PC機進行聯機工作，并可選擇相應的體驗方式。為使Unity3d里的變電站場景能進行沉浸式仿真，需對仿真系統進行Unity VR配置，使Unity3d軟件通過中間平臺Steam VR與HTC vive設備進行通信和數據交換，進而實現系統沉浸式仿真功能。

在Unity3d場景中使用Steam VR插件時，要充分利用Asset->SteamVR資源包下的[CameraRig]和[SteamVR]預制體。在場景開發過程中，將兩預制體拖拽到Unity3d軟件的Hierarchy面板中，即可實現Unity3d與HTC vive設備的對接，進而完成沉浸式功能開發。如圖6所示。

圖6 [CameraRig]和[SteamVR]預制

用HTC vive設備構建沉浸式仿真的硬件平臺后，具體交互功能開發在Unity3d中實現。系統設計從變電站總體入手，通過學員第一視覺認識變電站的整體構造、工作機理等；再到局部細節介紹，包括各個設備的具體組成、運行原理等；而后通過調用開發出的視屏展示模塊，以三維動畫的形式介紹變電站相關知識。

3 系統測試

通過系統軟件安裝和硬件設置后，進入仿真選擇界面，該界面將系統劃分為3個模塊：視頻教學模塊、虛擬實操模塊以及考核系統模塊。在視頻教學模塊中，以鞏固學員變電站基礎知識為目的，通過三維動畫的形式，提升學員學習熱情，縮短學習周期；在虛擬實操模塊中，學員利用HTC vive設備，在虛擬場景中獲得現實變電站體驗效果，通過視頻教學、沉浸式漫游、沉浸式設備交互等環節，提升學員專業素養以及變電站故障處理能力。變電站仿真選擇界面如圖7所示。

圖7 變電站仿真選擇界面圖

1)沉浸式漫游。學員點擊虛擬實操按鈕進入沉浸式仿真環節，該環節分為沉浸式漫游、沉浸式設備交互以及沉浸式故障處理3個模塊。學員選擇沉浸式漫游模塊，戴上HTC vive設備，即可身處變電站虛擬三維場景中，通過HTC手柄實現學員在變電站場景中的漫游以及瞬移控制。在變電站場景內進行沉浸式漫游仿真體驗如圖8所示。

圖8 變站沉浸式漫游體驗圖

2)沉浸式設備交互。為使學員對變電站內設備有更為直觀的認識，系統仿真過程中加入了沉浸式設備交互模塊。該模塊在沉浸式漫游場景的基礎上進行擴充，將需要進行展示的設備模型單獨成組，如變壓器、操作柜、隔離開關等器件，并給各個模型添加碰撞檢測組件，當學員通過HTC手柄發出射線照射至模型碰撞器時，界面跳轉至該模型的交互場景,學員在該場景中，通過手柄選擇模型的展示方式，實現設備的旋轉、拆裝，鏡頭的拉遠、拉近等操作。

4 結論

以沉浸式變電站故障仿真系統開發為宗旨，以三維建模技術、三維交互技術、數據庫技術、沉浸式仿真技術等為橋梁，開發了集虛擬實操模塊、視屏教學模塊為一體的沉浸式仿真系統。將沉浸式仿真技術融入傳統的變電站仿真系統中，該系統集三維可視化、沉浸式教學、視頻展示于一體；系統功能齊全，可移植性、可擴展性、可維護性強；采取沉浸式技術，為學員體驗帶來真實的現場感、沉浸感；激發學員興趣,以故障仿真為主，彌補以往仿真系統不足；引入考核系統，完善系統考評機制，為學員學習效果檢驗提供依據。