基于VR技術的變電站運維檢修培訓系統

范志遠

【摘?要】經濟的發展，城市化進程的加快，人們對電能的需求也逐漸增加。變電站作為電力系統的重要組成部分，其運行的安全對電力系統的穩定非常重要。隨著信息化技術的發展，虛擬化現實技術逐漸滲透到變電站的仿真培訓系統開發中。本文就基于VR技術的變電站運維檢修培訓系統展開探討。

【關鍵詞】虛擬現實;變電站;運維檢修

引言

虛擬現實技術作為新時代的先進技術，也得到了愈發廣泛的應用，而這種技術簡單來講就是通過精確的三維場景與邏輯模擬，使現實中的相關事物再現。尤其是對于智能變電站的運維培訓系統來講，其不僅能幫助受訓者在安全的環境下，進行相關知識學習與設備使用練習，使各類風險盡可能降到最低，還能夠科學有效地降低成本預算，提升學習與保留率，總體來講利遠遠大于弊。

1 虛擬現實技術在培訓教學中的必要性

近年來，國網公司對電網調度運行和設備運檢人員的實訓高度重視，主要采用傳統的調控一體化數字仿真培訓系統、變電站數字仿真培訓系統、基于真實設備的實訓環境、基于多媒體的仿真培訓系統等方式對相關人員有效地開展了技能培訓、考核及鑒定。隨著培訓業務的增加，傳統培訓系統的不足之處也日漸凸顯。基于真實設備的實訓方式存在占地面積大，投資費用高，有些設備難以或無法拆解，學員無法深入了解與學習內部構造、運行機理，無法疊加培訓信息以及異常、故障的現象，設備容易損壞，無法同時支持大量學員同時開展實訓，可擴展性低、費用高等問題。因此，迫切需要利用當前最新的虛擬現實技術研究成果和交互設備，構建具有高度沉浸感的變電仿真培訓系統，實現對變電站電氣設備、輔助設備、環境場景以及虛擬人等的建模與仿真，進行倒閘操作、事故處理、日常巡視和運行維護工作的真實演示和互動操作。基于多媒體和虛擬現實仿真技術的培訓方式具備培訓內容標準化，重復利用性高，最大程度模擬真實環境，可單兵訓練，也可以集體協同訓練，并能支撐大量學員同時開展培訓等特點。結合已建設智能變電站實訓系統，構建真實場景與虛擬信息“虛實融合”的培訓情境，可以全面提升變電設備運維培訓的學習、認知及培訓效果。

2 系統需求

虛擬現實（VR）技術是一種計算機仿真系統，它可構建出虛擬世界，并讓人體驗到現實世界與虛擬世界相同的環境，這種模擬環境具有交互式動態效果，旨在消除用戶與計算機系統之間的交互障礙。虛擬現實可以分為兩類：基于桌面的非沉浸式VR和沉浸式VR。沉浸式虛擬現實需要頭戴式顯示器、跟蹤系統、交互設備，如數據手套或操縱桿，以及先進的可視化系統，如CAVE自動虛擬環境。這些特殊的接口設備將用戶與物理世界隔離，并提供更深層次的臨場感和沉浸感。基于非沉浸式桌面的VR是最常見和最便宜的VR形式，它通常由用于可視化的標準計算機屏幕和用于交互的常用輸入設備（如鼠標、鍵盤和操縱桿）組成。傳統的培訓方法要求工人離開工作崗位，前往有時遠離工作地點的特殊培訓中心進行集中學習，這樣不僅影響日常工作，還增加培訓成本。因此，尋找新的創新的勞動力培訓技術有更高的動機和要求。以下是最重要的幾點：第一，無需出差就能融入工作環境培訓系統;第二，適應不同技能水平的適應性培訓方法;第三，全國范圍內標準化勞動力培訓程序;第四，公司可隨時隨地使用的靈活培訓系統;第五，公平評估根據能力認證工人的知識。據上述需求，基于虛擬現實（VR）技術的模擬培訓顯示出潛力，它提供了一種方法，將勞動力培訓的現代需求和前面提到的必備條件整合到一個單一的應用程序中，并擁有以下優勢：第一，提供使用3D環境吸引用戶注意力的機會;第二，允許對對象進行近距離檢查，可以更準確地說明某些功能;第三，允許受訓者按照自己的速度進行程序;第四，提供多層次的互動，鼓勵參與而不是被動;第五，允許受訓者探索否則將無法接觸或危險的工具和設備。

3 虛擬現實變電站的功能

3.1Unity3D

采用Unity3D引擎進行變電站的功能開發，Uni-ty3D引擎功能非常強大，含有大量的插件，能夠補充自身所存在的缺陷，開發的環境逼真，有較高的靈活度。變電站中的電氣設備的參數信息以及結構原理都需要工作人員進行掌握，根據場景的基本功能實現設備的學習以及故障的培訓等內容，相比其他培訓系統而言，虛擬現實仿真培訓系統能在建模的過程中隨時刪除內部的點面，并利用Unity3D進行消隱以及貼圖的功能，以此提高系統的運行速度，真實感得到明顯提高，實現人機之間的交互，并利用計算機與虛擬設備，實現兩者的同步運行，能夠通過鼠標鍵盤進行基本的操作，也可以利用頭盔和手柄進行控制。

3.2變電站三維場景模擬

虛擬變電站模型的搭建由三維建模和真實化處理兩部分構成，三維模型是系統的前提基礎，真實化處理是獲取沉浸感的必要條件之一。三維建模是變電站三維場景在VR技術中的精確體現，以增強系統的可操作性和虛擬場景的真實效果。同時也應考慮到精確建模導致的內存增加、畫質不流暢等問題，所以建模時適當舍棄一定的真實度，采用輕量化建模技術。將虛擬變電站的場景導入到工程中，為VR技術的研究打好基礎，生成的虛擬變電站的三維場景。真實化處理是為確保基于VR技術設計的虛擬變電站三維場景可以真實、有效地反應出變電站運行狀態，主要包括賦予模型材質和貼圖以及設置燈光等操作。材質、貼圖是顯示變電站三維模型設備的表面紋理，增強細節表現力的主要手段。為使場景中模型的整體效果更為逼真還需進行打燈操作，根據模型在實際環境中的亮度、陰影效果等。

3.3漫游巡視

三維場景漫游技術能為學員提供設備巡視與場景故障處理的練習機會，其中以箱柜門打開與閉合、隔離開關以及倒閘操作等為例的動畫極多，這不僅是確保用戶沉浸感與體驗感增強的關鍵，也是學員身臨其境巡視變電站的重要平臺，對其全面了解變電站構造或者是現場故障分析與處理模擬等十分有幫助。

3.4虛擬變電站故障仿真

靜態故障模擬的方式，主要是通過對程序進行控制，如果發現機箱門沒有上鎖，通過RotateAround函數進行實現，機箱未鎖結構圖。在Unity3D中實現動態仿真，通過引擎系統中的粒子系統，可以實現設備著火情況，如果并聯電抗器出現著火情況，需要在模型上設置粒子系統，并制作火焰，使模型出現冒煙著火的情況，更改設備的貼圖模擬設備著火后的現象，通過調整相應的參數實現著火現象。

3.5適合的交互工具

首先，學員在智能變電站場景內漫游期間，需合理交互場景中的相關設備，在運維操作訓練中，學員應根據具體的操作內容，靈活選擇諸如電腦鑰匙、手電、紅外測溫儀、萬用表等多種類型的設備，尤其在基于虛擬現實技術的培訓系統中，良好的操作方式是實現上述功能的關鍵。同時，考慮到VR市場目前的整體情況，相關人員在設計系統時也要選擇最合適的設備，通常情況下需準備一個頭戴式顯示器以及兩個單手持控制器，以及能同時展開顯示器與控制器追蹤的定位系統。

結語

基于虛擬現實技術的實踐教學系統，實現了場景漫游、技能訓練、測試分析和信息查詢的關鍵內容。將虛擬現實技術引入電力系統運維檢修培訓，在保證培訓效果的基礎上，大大節省教學成本，對提高電力運維檢修的效果以及保證電力系統的安全具有至關重要的作用。

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（作者單位：國網浙江省電力有限公司檢修分公司）