基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電力系統(tǒng)實驗教學(xué)軟件開發(fā)

劉志博 李志鵬 紀(jì)書軍 劉會蘭

（1、華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071000 2、國網(wǎng)河北省電力有限公司深澤縣供電分公司，河北 深澤050000 3、國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊050000）

電力系統(tǒng)的模擬實驗主要分為兩種形式：使用真實物理設(shè)備的動態(tài)模擬和使用計算機程序的數(shù)學(xué)模擬。對于數(shù)量龐大的本科生而言，前者成本高昂，若每組實驗人數(shù)較少，則需要的更多的實際設(shè)備和指導(dǎo)教師；若每組實驗人數(shù)較多，則很難引導(dǎo)全部學(xué)生有效的參與到實驗中來，很多學(xué)生實際上游離于實驗之外，實驗效果不佳；后者常常使用二維圖形表示設(shè)備，偏重于理論分析，外觀和交互方式過于抽象，對科研工作而言是有效的工具，對教學(xué)工作而言則顯得缺乏直觀性和吸引力。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術(shù)生成一個逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過交互設(shè)備，同虛擬世界中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術(shù)[1]。

其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實使用頭戴式顯示設(shè)備（頭顯）和手柄定位用戶的頭部和手部位置及朝向，用戶對虛擬世界的觀察和交互與現(xiàn)實相似，與使用顯示器和鼠標(biāo)的桌面式虛擬現(xiàn)實相比具有更好的沉浸感和便利性[2，3]。隨著VR 頭顯的普及化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不同教育階段和各個專業(yè)得到廣泛使用[4-7]，并啟發(fā)了教育工作者對革新教學(xué)模式的探索[8-10]。

本文結(jié)合沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計一種側(cè)重于操作和數(shù)據(jù)觀察、記錄的電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)軟件，通過實驗講解、設(shè)備介紹、動手操作和成績評定等環(huán)節(jié)，力圖幫助參與實驗的本科學(xué)生同時獲得真實試驗環(huán)境和虛擬實驗環(huán)境兩者的優(yōu)勢，提升實驗教學(xué)效果。

1 實驗環(huán)境構(gòu)成

本軟件內(nèi)含的實驗包括兩個同步發(fā)電機阻抗測定實驗，分別使用靜測法和三相突然短路法。軟件內(nèi)的虛擬實驗環(huán)境分為三部分：三維模型、引導(dǎo)及講解系統(tǒng)和打分系統(tǒng)。

1.1 三維模型

實驗室建筑及設(shè)備的可見部分都以三維模型的形式展示，本實驗涉及的設(shè)備包括發(fā)電機、調(diào)速柜、滑動變阻器、單相調(diào)壓器、接觸器、電壓表、電流表、功率表、錄波儀。設(shè)備上可以旋轉(zhuǎn)移動的部件，應(yīng)添加相應(yīng)的動畫及聲音，以增添虛擬環(huán)境的真實性。

在三相突然短路法測定同步發(fā)電機阻抗的實驗中，現(xiàn)實環(huán)境使用的是計算機來進行故障模擬軟件和錄波軟件的顯示和操作，而在虛擬環(huán)境中，為提高便捷性，可以直接使用類似觸摸顯示屏的元件供顯示和操作。

1.2 引導(dǎo)和講解系統(tǒng)

應(yīng)為第一次使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備的學(xué)生提供操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生熟悉移動、設(shè)備交互、菜單調(diào)出和使用等行為。

實驗講解系統(tǒng)首先介紹設(shè)計本實驗的目的，盡可能使用動畫或視頻、圖片展示實驗的意義，在提供相關(guān)理論知識后，使用選擇題的形式引導(dǎo)學(xué)生重現(xiàn)設(shè)計實驗的過程，在一定程度上幫助學(xué)生加強科學(xué)探究能力。

每個虛擬設(shè)備具有相應(yīng)的說明，學(xué)生可以逐一選擇了解實驗設(shè)備，以便進行操作和完成實驗。

對于學(xué)生經(jīng)常遇到的問題，在軟件中提供疑難解答，教師可自主更新其中的條目。若實驗軟件對實驗室外人員開放，則需增加提問功能，方便指導(dǎo)教師遠程解答。

1.3 打分系統(tǒng)

根據(jù)每名學(xué)生的操作數(shù)量和操作正誤進行打分，小組實驗中盡量避免操作較多的學(xué)生因個別錯誤得分反而低于操作較少的學(xué)生的情況。由于接線情況是小組所有成員都可以檢查的，提交接線結(jié)果時應(yīng)征得小組全體成員同意，因此若接線錯誤，應(yīng)對全體成員統(tǒng)一扣除分?jǐn)?shù)。

2 實驗流程及細(xì)節(jié)

為提高沉浸感和實驗操作的便利性，本文使用VR 頭顯配合手柄和定位基站作為輸入輸出設(shè)備。由于頭顯的屏幕顯示效果不如顯示器，容易出現(xiàn)模糊的情況，實驗中彈出的菜單及平面圖、文本框等組件最好與屏幕的相對位置保持不變，以盡可能避免顯示不清的問題。

程序開始后，學(xué)生首先進入實驗選擇界面。選擇要進行的實驗后，進入對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境，界面中會彈出操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握移動和轉(zhuǎn)身的操作。

由于本實驗的操作區(qū)域較小（實驗臺前），移動方式建議選擇空間追蹤，以提高真實性和代入感。若移動空間不足，或?qū)W生想要近距離觀察發(fā)電機等設(shè)備的三維模型時，再使用瞬移作為移動方式。

操作引導(dǎo)結(jié)束后，學(xué)生可在虛擬實驗環(huán)境中自由查看，也可調(diào)出主菜單，點擊“實驗介紹”按鈕。之后軟件使用文字、圖片等形式介紹實驗?zāi)康暮拖嚓P(guān)理論知識，學(xué)生確認(rèn)學(xué)習(xí)完畢后，需思考實驗方式，通過一步步回答選擇題來完整理清實驗思路。在對實驗方法了然于胸之后，學(xué)生可以開始著手準(zhǔn)備實驗。

在默認(rèn)模式下，點擊設(shè)備特定位置可以進行操作。若學(xué)生對實驗儀器尚不熟悉，可調(diào)出主菜單，切換為學(xué)習(xí)模式，在此模式下，學(xué)生點擊設(shè)備時，畫面中會彈出設(shè)備介紹窗口；若點擊特定的組件，則會彈出對應(yīng)的專門說明（如某個按鈕或接線柱的作用）。在設(shè)備介紹窗口，點擊“操作說明”按鈕，則窗口消失，出現(xiàn)操作提示文字和語音說明。學(xué)生根據(jù)說明進行操作后，程序提示將設(shè)備復(fù)位，復(fù)位后則操作說明結(jié)束。

在了解實驗設(shè)備之后，學(xué)生便可以開始進行實驗。

在實驗中，學(xué)生需要先在主菜單選擇接線模式，使用導(dǎo)線連接實驗設(shè)備，搭建實驗所需的電網(wǎng)模型。因為存在多種可能的正確接線方式，所以需要為程序設(shè)置判定規(guī)則，判斷接線是否滿足要求。

在三相突然短路法實驗中，電路如圖1 所示。

圖1 三相突然短路法測定同步發(fā)電機阻抗實驗電路圖

若錄波儀和接觸器的三相都已固定，則有不同接法的只有勵磁繞組的負(fù)極和電流表級電壓表。其中，勵磁繞組的負(fù)極既可接在110V 電源的負(fù)極，也可接在滑動變阻器的負(fù)極，正確接法只有兩種，可逐個判斷；電壓表只需兩端分別接于不同的兩相，電流表兩端分別接電樞繞組和錄波儀的同一相，或錄波儀和接觸器的同一相即可。

在靜測法實驗中，電路如圖2 所示。

圖2 靜測法測定同步發(fā)電機阻抗實驗電路圖

此電路有不同接法之處在于電樞繞組與單相調(diào)壓器之間。在任一時刻，電樞繞組只有兩相接入電路中，另外一相閑置。為判斷串/并聯(lián)關(guān)系，可為接線端做相別標(biāo)記。電樞繞組三相分別標(biāo)記為A/B/C，任意兩個用導(dǎo)線相連接的接線端，若皆無標(biāo)記或標(biāo)記相同則不作改變；若其中一個有標(biāo)記，則為另一個接線端添加同樣的標(biāo)記；若皆有標(biāo)記且不相同，則報錯。電流表兩個接線端的標(biāo)記方式同上。標(biāo)記流程如圖3 所示。

其中A 和B 為設(shè)備的兩個接線端。為避免已經(jīng)接好的接線端標(biāo)記無法刷新的情況，對任意設(shè)備進行接線操作后，所有設(shè)備接線端的標(biāo)記都要刷新。

圖3 標(biāo)記功能流程圖

標(biāo)記好相別后，程序便可判斷接線是否正確。具體判斷方法為：電壓表兩接線柱、功率表兩電壓接線柱和單相調(diào)壓器兩接線柱標(biāo)記為相同的兩相；電流表兩接線柱相別相同，且為電壓表兩接線柱對應(yīng)的其中一個相別；功率表兩電流接線柱與電流表判斷方法相同。

接線完成之后，學(xué)生還需要對表計的量程進行調(diào)節(jié)。一些表計用來觀測特定物理量是否達到目標(biāo)值，這些表計的量程實驗前可以計算，因此若學(xué)生選錯應(yīng)當(dāng)扣分；其他表計則可以根據(jù)實際情況進行選擇，只要最終記錄數(shù)據(jù)時量程選擇正確即可。

之后便可開始實驗操作。在某些情況下，操作對象很小，手柄方向容易偏離。在編寫軟件時，需注意當(dāng)指示射線偏離操作對象指向其附近物體（如柜體）時，射線應(yīng)停留在附近物體表面，而不應(yīng)穿透物體射向后方，以方便學(xué)生查看偏離情況，微調(diào)手柄指向的位置。

實驗成績的評定主要依據(jù)數(shù)據(jù)記錄和處理情況。學(xué)生可調(diào)出實驗記錄表，查看不同實驗項目應(yīng)滿足的條件，并在對應(yīng)條件下進行實驗。需觀察的表計應(yīng)具有記錄按鈕，若表計顯示實際值，則按下按鈕時的數(shù)據(jù)直接自動填入實驗記錄表中；若表計只顯示格數(shù)，則格數(shù)、量程和總格數(shù)都會填入實驗記錄表，學(xué)生需課后計算實際值。實驗數(shù)據(jù)和波形圖通過局域網(wǎng)傳輸?shù)浇處煹挠嬎銠C上，打印出來作為學(xué)生實驗報告的一部分。

3 結(jié)論

使用虛擬實驗的形式進行本科生教學(xué)實驗，可很好的解決實際設(shè)備和指導(dǎo)教師數(shù)量不足的問題，并且可以通過靈活分組調(diào)整實驗小組的人員數(shù)量，保證各成員之間可以相互協(xié)作，避免任務(wù)過于繁重或人數(shù)過多部分成員無事可做的情況。學(xué)生在操作時調(diào)取設(shè)備說明，可提高學(xué)習(xí)的主動性和針對性。同時計算機又可以很方便的對學(xué)生的操作行為做出評分。本文設(shè)計的虛擬實驗軟件既符合以上優(yōu)點，又解決了在正確接線方式不止一種的情況下如何判定接線正誤的問題，為學(xué)生的操作提供了自主性和更多的可能性。