基于虛擬現實技術的配電盤著火事故應急演練應用

文/王宇軒 陳立 何曉丹

1 背景介紹

對于電廠而言，配電盤是電廠中的重要設備，電廠工作中，配電盤常常會因為配電盤的布線與電器、儀表等接觸不牢，配電盤內零部件的選擇和配電盤的實際容量不符合，長期過負荷運行等原因而造成火災事故，配電盤造成的火災事故占了電廠火災事故較大比例，因此電廠中對于配電盤的事故應急培訓較為重要?，F有的著火事故應急培訓，一般分為兩種方式。一種是通過一些事故預案來進行課堂講授或桌面演練，其中部分使用了二維平面電子地圖進行培訓，但大多還是采用文字與表格的方式進行描述，缺乏嚴肅性和真實性，無法體會到若因處理不當而造成事故擴大的嚴重后果，無法較好地提升電廠運維人員事故應急處置能力，因此培訓效果不甚理想；另一種方式就是實戰演練，這種方式針對性強，容易找出問題，但是需要耗費一定的人力物力，演練的內容也有很大的局限性。

因此，現有的著火事故應急演練方式，采用課堂講授或桌面演練，存在缺乏嚴肅性和真實性，培訓效果不甚理想的問題，采用實戰演練，存在耗費人力物力，演練內容受到局限的問題。

2 改進方案

基于虛擬現實技術的配電盤著火事故應急演練模擬方法，包括以下步驟：

（1）通過三維建模技術建立虛擬現實場景（包括：收集現實的空間結構數據；構建電站的三維模型和電站運維人員的人物模型；構建電站的虛擬現實場景）；

（2）構建虛擬事故應急演練場景：設計交互界面，設計虛擬現實場景中的角色操作流程和設備模型的動畫，根據起火點的位置、火情大小和處理方式，構建不同的事故應急演練場景。設計步驟如下：

1.設計空間型UI 界面：在虛擬現實場景中定義空間參考系，將UI 界面放置在空間參考系中，保證用戶在觀看UI 界面時的舒適性；

2.設計UI 系統交互：設計UI 按鍵碰撞事件，達到與UI 系統交互的目的；

3.設計角色/設備模型交互：

①制作虛擬角色模型和各種個性行為動作，實現虛擬角色的仿真運動，完成需要實時控制的動作動畫；

②設置IK 動畫，利用虛擬現實場景中的各種物體設備控制和影響身體部位的運動，實現虛擬角色模型與物體設備交互動畫，完成事故應急演練場景的構建；

（3）將虛擬事故應急演練場景接入VR全向行動平臺；

（4）操作者通過VR 全向行動平臺進行虛擬著火事故應急演練。VR 全向行動平臺包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，眼鏡向操作者反饋視覺信息，手柄向操作者反饋動作信息，操作者輸出的操作動作信息反饋給位置追蹤器和手柄。

方案如圖1所示。

3 實施方案

基于虛擬現實技術的配電盤著火事故應急演練模擬方法，包括以下步驟：

3.1 建立虛擬現實場景

（1）通過測繪，例如三維激光掃描儀在水電站現場收集水電廠廠房以及廠房設備的現實空間結構數據；

（2）使用逆向建模的手段，利用三維激光掃描儀獲取的現實空間結構數據，在RiSCAN PRO 和3DsMax 中構建電站的三維模型和將電站的三維模型導入到Unity3D 引擎中構建電站的虛擬現實場景；

具體步驟如圖2所示。

3.2 構建虛擬事故應急演練場景

根據電廠的配電盤著火應急處置手冊、規范和處理流程，以及之前發生事故的記錄文檔、處置人員的實際經驗，設計虛擬現實場景中的角色操作流程和設備模型的動畫；根據起火點的位置、火情大小和處理方式，構建不同的事故應急演練處置場景，真實還原處理流程。包括以下步驟：

圖1：交互框架圖

圖2：建模步驟

圖3：示意圖

3.2.1 設計空間型UI 界面

（1）定義空間參考系：在虛擬現實場景中定義空間參考系，采用以頭部作為參考系，界面跟隨用戶的頭部運動；以軀干作為參考系，界面隨著身體旋轉和平移；以虛擬世界作為參考系，在利于用戶觀察的世界空間中放置UI界面；

（2）放置UI 界面：利用人體工學資料信息將UI 界面放置在空間參考系中的適當位置，保證用戶在觀看UI 界面時的舒適性。具體操作為，計算出當人體保持不動，只轉動眼睛觀察時最適合的視場角，以及當人眼保持不動，只轉動頭部觀察時最適合的視場角，將這些視場角數據進行整合，確定在虛擬現實環境中人眼最舒適情況下所看到的區域，并在此區域內設計UI 界面布局，經過反復測試，確保所有UI 界面都清晰可見，并且無論用戶頭部如何轉動UI 界面始終在舒適范圍內。

3.2.2 設計UI 系統交互

設計UI 按鍵碰撞事件，利用與UI 按鍵進行碰撞檢測，達到與UI 系統交互的目的，包括以下步驟：

（1）為UI 界面中的UI 控件添加Box Collider，設 置Box Collider 的Size 屬 性，使Box Collider 和控件大小尺寸一致，并設置Box Collide 的Is Trigger 屬性為true；

（2）編寫代碼文件，處理碰撞事件，并將代碼文件指定給相應的UI 控件；

如圖3所示。

3.2.3 設計角色/設備模型交互

（1）將電站運維人員的人物模型導入unity3d 中，調整人物模型的紋理貼圖，模擬水電站工作人員的真實形象，建立虛擬角色模型；基于骨骼蒙皮技術優化人體骨骼并且設計動畫控制器，手動調整各關鍵幀的骨架節點位置和骨骼轉向，創建跑步、走路、等待等個性行為動作作為動畫片段，將建立的虛擬角色模型和對應的動畫片段導入素材庫，使虛擬角色模型和個性行為動作相擬合，從而實現虛擬角色的仿真運動，完成需要實時控制的個性行為動作動畫。

（2）設置IK 動畫，通過骨骼子節點帶動骨骼父節點，利用虛擬現實場景中的各種物體設備控制和影響身體部位的運動；利用代碼根據末端子關節的位置移動來動態的計算出每個父關節的旋轉控制動畫的播放，使虛擬角色和虛擬現實場景更加貼合，從而達到更加真實的虛擬現實體驗效果，可以實現虛擬角色模型與物體設備交互動畫，例如拿起滅火器等。如圖4所示。

3.3 將虛擬事故應急演練場景接入VR全向行動平臺

VR 全向行動平臺打破了現實和虛擬的隔閡，只需要一平米的現實空間，就能為用戶提供無限的虛擬世界，沒有場地大小的限制，也不需要采用折中的非自然的移動方式，在保證絕對安全的前提下，能將用戶做出的行走、奔跑等動作映射到虛擬場景中，使視覺運動狀態和自身實際身體運動狀態一致，在解決了暈動癥的同時，讓用戶感受身臨其境的震撼感。

3.4 操作者通過佩戴虛擬現實設備來讀取虛擬事故應急演練場景

通過VR 全向行動平臺在虛擬現實演練場景中進行虛擬著火事故應急演練，虛擬著火事故應急演練中，VR 全向行動平臺向操作者反饋操作信息，操作者根據反饋的操作信息調整操作，并向VR 全向行動平臺輸出操作動作信息。VR 全向行動平臺包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，三維虛擬事故應急演練場景通過眼鏡向操作者反饋視覺信息，UI/角色/設備模型交互處理通過手柄向操作者反饋動作信息，操作者根據反饋信息調整自己的操作，輸出的操作動作信息反饋給位置追蹤器和手柄，位置追蹤器和手柄再反饋到UI/角色/設備模型交互處理中。如圖5所示。

4 結論

與現有技術相比，該方法通過建立高度逼真的真實電站的虛擬現實模型和虛擬現實演練場景，操作者戴上虛擬現實頭盔即置身于電站的虛擬現實場景中，在三維虛擬現實場景中真實地進行火災事故的應急響應演練與指揮訓練，提升電廠運維人員事故應急處置能力，培訓效果良好；運維人員可以不受時間、空間和內容的限制在虛擬環境中進行配電盤著火事故的應急演練，提高培訓效率，減少人力物力和耗費。通過使用VR 全向行動平臺，打破虛擬現實場景的空間壁壘，解決了在虛擬現實環境中因身體和眼睛接收到的空間信息不一致產生的眩暈感，能夠正確接收信號和處理信息，體驗效果好，反應真實、靈活、嚴肅，不會對人體造成傷害，方便運維人員進行培訓。

因此，該方法既具有嚴肅性和真實性高，培訓效果良好的特點，又具有減少人力物力和耗費，演練內容不受局限的特點。

圖4：示意圖

圖5：系統架構圖