虛擬現實技術在UPS巡檢作業培訓中的應用分析

龍航

摘? 要：運用虛擬仿真技術真實再現UPS設備的操作環境，該環境具有高度的沉浸感，不管是從感官和操作，行為處理的反饋以及虛擬環境中完成對UPS相關流程的體驗等，學員體驗的UPS設備場景都高度真實。本課題將充分調研帶電設備的操作環境，重建具有高度沉浸感的虛擬三維空間。建設可容納多用戶的虛擬空間交互方案。搭建完整的虛擬現實UPS巡檢作業管理平臺。

關鍵詞：虛擬現實;UPS;模擬操作

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0168-04

Abstract： The virtual simulation technology is used to reproduce the operating environment of UPS device. The environment has a high sense of immersion， from the senses and operations， the feedback of behavior processing to the experience of UPS related processes in the virtual environment. The UPS device scenarios experienced by the students are highly realistic. In this paper， the operating environment of live equipment will be fully investigated， and the virtual three-dimensional space with a high sense of immersion will be reconstructed. A virtual space interaction scheme which can accommodate multiple users is constructed， and a complete virtual reality UPS patrol job management platform will be built.

Keywords： virtual reality; UPS; simulation operation

1 概述

電力系統運行的特點決定不能由實際設備直接操作培訓，利用電力仿真的模擬訓練，提高操作人員的技術水平，保證電力系統安全經濟、優質的運行，具有很大的現實意義。[1]而現有類似虛擬仿真系統存在虛擬環境不真實，沉浸感低，參與人數有限，流程固定等問題，需要進行深入研究與改進才能切實運用到UPS巡檢的培訓與考核。

2 虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術是一系列高新技術的匯集，涉及計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、人工智能以及高度并行的實時計算技術等領域。研究虛擬現實技術的目的是建立一個模擬環境，由計算機生成實時動態的三維圖像、三維聲音等人體能感受到的信息，構造一個模擬的現實世界或并不存在的虛幻世界，把抽象、復雜的計算機數據空間表達得更直觀易懂[3][4]。

3 UPS巡檢作業培訓系統結構

UPS是一種含有儲能裝置。以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設備，它可以解決現有電力的斷電、地電壓、高電壓、突波、雜訊等現象，使計算機系統運行更加安全可靠[2]。虛擬UPS巡檢作業培訓系統能模擬UPS機房正常、故障時等各種情況，如用戶自主建模功能、UPS典型故障模擬、蓄電池典型故障模擬、充放電試驗模擬等。例如在虛擬UPS機房內，訓練學員依據巡檢規范內容進行操作，系統會對場景中所有流程進行預先的設置，同時系統可通過采集操作人員頭盔和雙手手套上的實時操作數據，對操作人員進行實時判斷。一旦操作人員的操作不符合預先設置，系統即可判斷操作人員操作失誤。

3.1 硬件結構

采用以太網網絡，tcp/ip協議，高性能工作站、移動工作站以及服務器構成UPS巡檢作業培訓系統。硬件系統結構出現在圖1中。

3.2 軟件系統

虛擬UPS巡檢作業培訓系統場景制作主要包括模型、場景互動這兩大部分。

3.2.1 模型

為構建沉浸感強的虛擬現實系統，必須建立UPS機柜、蓄電池等設備模型的特征。設備特點主要包括聲學特點、材料特點、運動特點、光學特點等。建立這些真實特征的設備模型，一方面需要建立相關的數學模型。另一方面，設備模型設置的物體的幾何模型必須具有特征。例如，根據具體設備的光學特點，可以確定模型是用平行光源、局部光源、點光源、太陽光源或發光光源構建的。系統中不同設備對象的特點要求配置不同的燈光，以產生不同的照明效果。幾何模型的渲染時間通常為一個包含頂點個數、三角面個數以及實際繪制的像素個數組成的線性表達式，并根據具體的實驗模型測試計算相應的表達式系數[3]。模型的數學方程需要通過數值方法求解。因此，為了降低這些計算中的系統運行資源并提高沉浸感模擬場景的的實時性、真實性。需要適當地簡化設備模型并添加特定的假設或理想條件。模型制作流程如圖2。

虛擬現實場景模型按照真實UPS機房場景及相關工作崗位職責為藍本，根據實際應用的需要建立合適的虛擬環境模型。在Windows操作系統擁有諸多成熟模型建造軟件，如：3DMAX、C4D等。主要采用樣條線、擠出、車削、放樣、倒角等建模方式構建完整的三維虛擬UPS機房場景，同時虛擬相關崗位作業人員及設備，在正常情況下的不同崗位之間的協作與配合，共同完成任務。

（1）渲染模型及光源測試

設置照明系統，設置全局照明，設定場面的照明效果。進行渲染測試，并不斷調整參數，得到想要的模型渲染結果。

（2）設備動畫

人物動作動畫：把人物骨骼進行綁定制作動畫。

設備開門動畫：首先，門與手鏈接。即，如果開門一起移動。然后重心轉移到軸，做門旋轉的動畫。

（3）烘焙模型

虛擬模型貼圖的逼真程度是沉浸感的直接表現。視覺表現和實時性能是沖突的，因為模型更逼真，復雜詳細的精美渲染需要更多的實時性能。在一般情況下，為了避免與連續的場景的不真實，場景每秒鐘刷新至少24幀/秒。最小化場景的多邊形數量可以有效增強畫面幀數，還可使用諸如并行計算、離線預先計算等方法提高渲染運行效率。使用xnormal烘焙軟件，可完成對虛擬模型貼圖的渲染和生成。xnormal比3Dmax、maya等軟件的渲染速度快幾倍，是烘培的主要工具。

3.2.2 虛擬UPS場景交互

UPS巡檢作業培訓系統采用Unity3D三維引擎，交互技術是虛擬現實的關鍵，可以使系統具有更好的可操作性，使用戶的體驗性更加真實。Unity3D引擎中的交互技術[4]滿足3D虛擬場景的基本要求。主要內容包括：場景、特效、碰撞器、剛體、渲染器、腳本語言、用戶圖形界面、預制、標簽和層、模型、音頻、視頻、粒子系統、相機、光照、烘焙、地形等。

（1）模型導入

Unity3D是虛擬現實開發的引擎，而不是3D模型開發軟件。虛擬場景所需的3D資源通常是使用其他3D軟件開發出來，然后將制作的資源導出。傳達給Unity3D，Unity3D將這種資源組合成一個完整的虛擬現實系統。

模型導入流程如圖：

（2）特效制作

主要通過Unity3D開發工具提供的粒子系統（Particle System）進行電火花、漏液等特效的設計，旨在通過執行詳細的參數設置來最終實現所需的效果。模型系統的仿真過程應該與實際情況的特征相匹配，所有效果和功能都不同，在這里我們需要對每種漏液做特殊效果。

這里使用Unity3D提供的粒子系統實現與泄漏相關的特殊效果，首先，打開Unity3D開發工具，然后在GameObject菜單下選擇Create Other子菜單。將彈出下一級子菜單。在此處選擇Particle System將在Hierarchy面板中顯示Particle System項。選擇后，單擊此項以更改名稱。選擇剛剛添加的粒子系統時，與粒子系統相關的設置將顯示在Inspector面板中。粒子系統的最終效果取決于這些設置。經過常數參數更改以查看效果后，最終的漏液效果參數在表1中設置。

（3）紋理貼圖

渲染圖像是Unity Shader的主要功能，本次主要用Shader做紋理映射效果。本研究使用AssetBundle技術進行資源包裝，AssetBundle技術可對不同部件進行不一樣的貼圖，該技術為Unity引擎提供了一種存儲資源文件格式[5]，利用這種技術，可以實現貼圖的實時更換。

（4）碰撞檢測功能

碰撞檢測功能使得當漫游角色遇到墻，裝置等障礙物時，可模擬物理反應，物理無法繼續進行。快速的沖突探測對提高虛擬場景的可靠性和對虛擬場景的投入度起著非常重要的作用。當人物靠近物體時，系統會根據碰撞探測算法檢測此對象的尺寸。如果探測到的物體高度低于預設，物體就可以通過這個角色，否則這個物體就無法移動，只能繞著障礙物繼續前進。Unity3D配備physx物理引擎，具有物體碰撞和重力等物理效應，可以有效地進行仿真模擬。根據UPS設備的形狀，添加類似形狀的網格、盒、膠囊碰撞器等等，使虛擬交互場面更加真實。

（5）場景漫游互動

場景互動是UPS巡檢作業培訓系統最重要的一個部分。Unity3D導入模型后，導入包裹，加入Unity自帶的第一人稱預設，導入碰撞體給模型，完成一個仿真虛擬場景，操作員通過虛擬人化身與環境交互。利用動作捕捉設備對受訓者的肢體運動進行捕捉，得到運動軌跡數據來驅動虛擬人物的動作。在Unity3D中，學員可以進行查看各個角度的設備。特別是新學員可以通過場景的漫游使其對UPS機房有更加深刻的了解。場景漫游一般使用拋物線定位移動，拋物線位移分為四部分來實現：

測量導航空間：系統使用Unity生成的導航測距儀，以達到學員可以傳送的臨界水平，不讓學員通過邊界或傳遞不透明物體內部。

選擇定位移動目的地：采用直觀的拋物線式選擇機制，通過簡單運動學方程式。如果將控制器調得更高角度，控制點就會走得更遠。如果把控制器調到45度，（拋物線的最大距離）角度就會鎖在相應的距離上。

訓練區域：系統會在防護墻四周設定一個盒子使學員不能走出邊界。

減少眩暈：瞬間移動（表示為“眨眼”）的屏幕淡出可以降低用戶的疲勞和頭暈。

（6）交互事件

在許多傳統的教育系統中，學員只能通過非對話的方式看到課堂內容，這種學習方式是傳統的填鴨式教育，學員的參加性不強。在本系統中，用戶可通過使用虛擬現實設備控制虛擬人物，自由進行UPS場景下的交互探索，并通過選擇與場景設備進行交互。本文只描述虛擬人物在巡檢蓄電池的交互。其他交互設定與之相同。

3.2.3 系統實現的主要功能

考核分析模塊對學員的所有操作進行考核，針對現場實際的操作可能造成的危害進行完整性、正確性與操作順序進行評估[6]。評估學員是否完全無錯誤掌握UPS機房培訓技能。對學員操作及安全意識進行分析，對錯誤進行統計分析，針對每個學員得出個性化分析報告。

通過項目成果應用，為UPS培訓人員的業務技能培訓及考核提供了一個軟件應用平臺，通過即時及反復培訓及考核，提高UPS培訓人員對UPS非正常和事故狀態的判斷、處理能力，為UPS穩定運行提供良好保障，防止不必要的損失并具有可觀的經濟效益。

4 結束語

通過虛擬現實技術建造出的UPS巡檢作業培訓場景，通過虛擬化身在虛擬環境下完成動作進行任務訓練，由沉浸感環境充分體現UPS工作的難度和危險性，以此提高受訓人員在復雜現場正確操控的能力，強化學員操作技能，提升學員在日常工作過程中的專業水平和心理適應能力，提高學員應對復雜危險工作時的效率，縮短上崗適應期。

參考文獻：

[1]陳天翼，邱家駒，邱淘西.電力系統虛擬現實場景開發研究[J].電力系統及其自動化學報，2000，12（5）：7-10.

[2]侯欣宇.UPS技術及其改造分析[J].經濟技術協作信息，2010（14）：194-194.

[3]ROSSIGNAC J ，BOWEL P.Multi-resolution 3D approximation for rendering complex scenes[C]. Proceedings of the 20th Conference Modeling in Computer Graphic. Berlin， 1993：453-465.

[4]Li K，Tiwari A，Alcock J，et al. Categorisation of visualisation methods to support the design of human-computer interaction systems [J] . Applied Ergonomics ，2016，55：85-107.

[5]He L. Beyond asset ownership：employment and assetless firms in the property rights theory of the firm [J]. Journal ofEconomic Behavior & Organization，2016，130：261-273.

[6]趙梓蓉.四川220kV變電站仿真培訓考核系統的設計與實現[J].四川電力技術，2012，35（6）.