基于虛擬現實技術的電網安全警示教育系統設計

蔣婷婷，張崇亮，劉志恩，馬啟林，孫晨曦，韓 凱

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000)

近年來，隨著電網規模的不斷擴大，運行人員的違章作業導致的電網安全事故時有發生，已成為電網事故的主要原因之一。安全生產培訓是提高電網員工安全素質、防范傷亡事故、減輕職業危害、確保電網安全穩定運行的有效途徑。然而，當前的安全教育主要采用理論學習和在現場跟班學習的方法進行，同時在培訓過程中不能通過實際設備直接操作進行人員培訓，更不允許人為設置一些事故讓學員觀察和體驗。這使得當前的培訓無法達到安全警示的目的，導致培訓效果不理想[1-3]。因此，改善電力安全作業人員的培訓現狀成為電力企業對培訓機構的迫切要求。

目前，國內外相繼研發出了基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統[4-6]。例如，加拿大等國家已經開發出了基于虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)的變電站仿真培訓系統。國內有針對江西贛東北供電公司的 110 kV東風變電站研制的虛擬變電站仿真培訓系統，該系統包括了變電站虛擬開關場和虛擬主控室等部分。諸如南京理工大學、武漢大學電氣工程學院等國內高校開發出的基于微機平臺的虛擬現實變電站仿真培訓系統，也已成功應用于實踐中。可見，以網絡、虛擬現實、三維圖形技術為代表的電腦信息科技的發展，為電力安全教育培訓的實施提供了新思路。

本文開展基于虛擬現實技術的電網安全警示教育系統設計研究。利用3DMAX軟件構建事故現場，利用粒子特效模擬電網事故效果，在虛擬環境中，培訓人員通過對設備的違章作業，體驗違章作業導致的相應電力事故，提高其安全作業的安全意識，達到警示教育的目的。

1 事故場景構建

開關柜模型根據浙江桐鄉變電站為參考對象(見圖1)，進行取材和測量，確保了模型的真實性和準確性。

根據圖1可知：開關柜根據結構可以分為開關柜柜體；上柜門，柜門顯示器，柜門按鈕，柜門后部按鈕接線口；中柜門，柜門按鈕；下柜門，柜門按鈕；后柜門；上柜內部，內部電表，接線盒，開關按鈕，接線按鈕；中柜內部，內部機械連鎖裝置，小車擋板，二次插口；下柜內部，避雷器，銅片，零式電流互感器，電纜；后柜內部，接地開關，電流互感器小車。

導入搭建場景所需的模型，如開關柜，房間，燈，滅火器，工器具等并調整材質球參數。

按照所需的場景擺放模型，并將警戒線與模型排列對齊。點擊場景窗口的燈光切換，將場景照明關閉。在場景上添加墻燈的模型并擺放在適當位置。選擇墻燈，右鍵添加燈光，這里的墻燈為點光源，所以單擊點光源。選擇添加的點光源，在右側的檢查器中調整燈光的強度，范圍，顏色參數(見圖2)。

檢查場景的布局，無誤后選擇房間，在層級中單擊右鍵選擇攝像機，在房間中心添加一個攝像機。在場景中移動到合適位置點擊攝像機，并使用快捷鍵Ctrl+Shift+F將攝像頭移動到當前視角。

2 事故效果構建

以爆炸效果為例，建立粒子特效：創建初步粒子物體，選中粒子物體在編輯展示界面有默認的粒子參數和形態效果；根據粒子組件的參數進行調整，調整粒子大小、播放時長、粒子變化路徑、粒子顯示范圍，粒子播放速度等調整成自己需要的粒子基礎狀態，根據Renderer調整粒子的視覺狀態，添加Materials材質賦予單個粒子最基本的形態和顏色材質，實現最佳的粒子狀態效果，利用unity3d引擎軟件制作粒子特效展示。

根據現實爆炸效果剖析爆炸形態：火煙、火花、煙霧和爆炸后的痕跡。火光、火花和煙霧三種都需要根據粒子特效的參數進行調整，由于爆炸后同時出現，所以開始時間是一致的，煙霧在爆炸后持續時間較長，可設定比火光火花時間久的時間。

2.1 修改默認粒子基礎參數

爆炸火光比較激烈，火光粒子持續時間短，速度快單次產生，修改Duration參數為2；Looping不勾選；Prewarn表示粒子從無到有符合火光產生，不勾選；開始時間不延遲Start Lifetiome為0；粒子速度Start Speed可以選擇固定速度或者區間隨機生成速度；修改粒子生成的大小Start Size為合適大小；在VR場景中單個粒子效果具有3D特性，3D Start Rotation可勾選，開始產生的粒子角度隨機旋轉，適當的調整Start Rotation；火光在剛開始爆炸是紅色，適當調整Start Color；粒子在開始產生就立即執行Play On Awake；其余參數對粒子的空間狀態效果沒有直接的影響，在綜合特效完成時再進行綜合調整。

2.2 調整粒子發射模式和形狀板塊

首先調整粒子發射Emision的數量：根據Rate over Time來確定每秒鐘發射的粒子個數，嘗試調試自己認為合適的粒子數量；根據Rate over Distance確定每個粒子之間的距離多少進行調整；Bursts用來調整每個時間段內里面的粒子數量。

調整粒子形狀Shape，其中Sphere為球體，HemiSphere為半球體，Cone為椎體，Box為長方體，Mesh為網格。

火焰為井噴式效果，只需要改成Cone椎體效果；限制了產生的粒子在Cpne椎體框范圍內的效果，調整椎體的傾斜角度Angle；嘗試調整椎體上下面Radius的大小來達到符合場景需要的效果。

2.3 粒子產時長限速和粒子收到力的影響

(1)調整粒子方向軸的運動速度。調整Separate Axes，根據單個粒子在X-Y-Z三軸的方向來進行運動方向調整，選擇Space的空間坐標方向，局部Local和世界World的方向軸使粒子進行不同模式的運動軸向。Speed和Drag來根據速度和總的周期長度來進行的阻尼大小。

(2)Force over Lifetime粒子在受到外作用力的情況的運動情況。選擇粒子在局部空間和世界空間里受到外作用力運動的軸向，針對X-Y-Z調整不同大小的作用力的軸向和運動距離情況。

(3)最終調試粒子阻尼和外作用力的參數。

2.4 調整粒子發射中的顏色變化和大小變化

(1)在參數項Color over LifeTime中的色卡中選擇需要的顏色值，在粒子發射過程中修改粒子的顏色值，Color中只選擇一種顏色值代表粒子狀態顏色只有一種，再附加顏色是漸變顏色值。

(2)在參數選項Size over LifeTime中修改粒子變化的大小，根據不同時間在下方列表中選擇適當需要的粒子變化過程大小，在選項中粒子變化和時間是相關的，在不同時間間隔中根據兩種粒子大小狀態，進行均勻縮放大小狀態，實現最終粒子形態。

2.5 調節單個粒子的渲染器和材質

(1)選擇粒子的類型。依次是面向攝像機S軸的、H軸的、速度方向的(拉長射線)、模型樣式的粒子，主要模型樣式的粒子不可以用序列圖，如果用必須Key UV動畫。

(2)調整發射期間的粒子排序方式Sort Mode：

None：無排序(隨機)。

By Distance：固定距離間隔。

Oldest in Front：最大單個粒子在前面。

Youngest in Front：最小單個粒子在前面。

根據實況VR效果，為了使爆炸效果更有沖擊力煙霧會在爆炸的瞬間遮擋住人物的視線(VR眼鏡：場景相機[CameraRig])，可以選擇Oldest in Front/Youngest in Front。粒子煙霧在產生過程中為了使粒子效果在VR場景中更加真實，考慮到粒子效果受到實際光照的陰影效果，開啟陰影投射Cast Shadows選項On；接收其他物體投射的陰影Receive Shadows勾選。

(3)選擇渲染器的材質Material。材質主要表現在粒子表面的色彩和視覺形態，修改材質的粒子shader和需要的火焰紋理。

根據對粒子組件參數項的修改和調整，完成粒子效果的預覽效果。根據場景需要可以調整粒子個數的多少，單個粒子的大小，粒子范圍和粒子速度的修改，爆炸效果預覽見圖3。

至此而言，爆炸效果中的火光效果制作完成，后續還有火花特效、特效音效、多路徑爆炸物散射特效的制作，最終融合起來以后，得到了一個完整的爆炸特效，可以在需要的時候使用。

3 安全事故體驗

安全事故體驗部分以高壓開關柜帶電合接地開關導致的安全事故為例，詳細描述整個事故體驗。

點擊體驗后，自動開始描述開關柜狀態。

接下來會提示順時針扳動接地刀閘的搖把(合閘)。

由于高壓開關柜帶電合接地開關，導致開關柜爆炸。

爆炸結束后，會用文字UI的形式顯示事故原因，并且可以觀看事故回放(見圖4)。

點擊事故回放后，會播放第三人稱視角的開關柜狀態，可以完全看清事故發生的原因(見圖5)。

回放結束后，可以再次體驗事故或者返回選擇其他的事故體驗。至此整個高壓開關柜帶電合接地開關導致的安全事故就結束了。這個體驗的是事故的結果、過程和原因，通過爆炸特效和音效，可以讓體驗者身臨其境，感受到如果做錯了操作，發生了事故，會導致多么可怕的事情發生，來提高操作者的警惕性。

4 結語

通過對基于VR的電網安全警示教育系統設計和制作，通過利用3DMAX軟件對電力設備和場景三維構建和渲染，利用粒子效果對事故效果的制作，實現對電力安全事故場景的還原。在所構建的虛擬三維場景中，作業人員通過模擬違章作業，沉浸式體驗到違章作業導致的電力安全事故，使其了解違章作業導致的相應后果(如觸電事故、高空墜落事故等)，提高其作業過程中的安全防范意識。