虛擬仿真技術(shù)在軌道交通供電中的應(yīng)用研究*

鞏文東，趙青龍，徐明智，董智超，韓澤臣

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南255014；2.青島市技師學(xué)院，山東 青島266003；3.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東 青島266003）

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-Virtual Reality）技術(shù)通過仿真生成一個(gè)逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)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。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)VR 技術(shù)在培訓(xùn)的應(yīng)用方面已經(jīng)做了一定的研究。國(guó)外學(xué)者C. F. Cayo 等人將VR 技術(shù)應(yīng)用于牙科培訓(xùn)，并取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)四川大學(xué)周學(xué)東等人設(shè)計(jì)了虛擬口腔解剖實(shí)習(xí)平臺(tái)。哈爾濱工程大學(xué)張敬男等人把計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)引入電力拖動(dòng)類課程的培訓(xùn)中，構(gòu)建了電力拖動(dòng)自動(dòng)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

城市軌道交通供電技術(shù)專業(yè)具有“高空、高壓、高?！钡膶I(yè)技能訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)，借助VR 仿真技術(shù)，配備真實(shí)的城軌供配電設(shè)備，可搭建虛實(shí)結(jié)合、聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練的綜合訓(xùn)練平臺(tái)。通過虛擬仿真技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)調(diào)節(jié)各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)的原有數(shù)據(jù)，更改運(yùn)行的外部環(huán)境，從而模擬各種不同的場(chǎng)景。切身體驗(yàn)到視覺、心理沖擊，提高現(xiàn)實(shí)中解決危機(jī)的能力。模擬各種電力事故現(xiàn)場(chǎng)，身臨其境感受事故的危害和破壞力，在模擬真實(shí)場(chǎng)景中看到各種各樣的故障，充分發(fā)揮了信息化技術(shù)的作用。

1 虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 高空作業(yè)、高電壓作業(yè)、高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)仿真型轉(zhuǎn)化

城市軌道交通供電技術(shù)作業(yè)的過程包括安全措施和檢修作業(yè)兩部分，VR 技術(shù)模擬各種電力事故現(xiàn)場(chǎng)，身臨其境感受事故的傷害和破壞，事故仿真畫面如圖1所示。

圖1 事故仿真畫面

1.2 設(shè)備操作

運(yùn)用三維虛擬與仿真技術(shù)模擬搭建一個(gè)與真實(shí)空間一致的操作環(huán)境，模擬高壓電力設(shè)備真實(shí)帶電運(yùn)行狀態(tài)，開展在現(xiàn)實(shí)條件下無法進(jìn)行的各種實(shí)操技能訓(xùn)練，如圖2 所示。

圖2 設(shè)備操作仿真

1.3 零部件拆卸與裝配仿真實(shí)訓(xùn)

城市軌道交通供電設(shè)備的拆卸與裝配應(yīng)該是技術(shù)人員的必備技能，以剛性接觸網(wǎng)更換絕緣子為例，需要知道利用哪些工具，按照哪些步驟實(shí)現(xiàn)絕緣子的拆卸，然后按照何種規(guī)范實(shí)現(xiàn)絕緣子的更換。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬更換絕緣子的場(chǎng)景，如圖3 所示，選取工具和需要組裝的零件，然后按照組裝順序，一步一步按要求完成組裝。通過交互設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)信息查詢和知識(shí)培訓(xùn)。

圖3 絕緣子更換虛擬仿真

1.4 工程設(shè)計(jì)

利用互聯(lián)網(wǎng)+VR 交互技術(shù)，可以對(duì)工程圖進(jìn)行仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖中的問題。圖4 所示為牽引變電所線路布置圖的工程設(shè)計(jì)仿真。

圖4 牽引變電所線路布置圖仿真

1.5 變電站及線路巡視仿真

變電站及線路巡視仿真就是運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)牽引變電所及線路各部分的操作環(huán)境，該環(huán)境具有高度的沉浸性，使進(jìn)入環(huán)境的操作人員無論從感覺上、操作上，還是從行動(dòng)處理上的反饋都會(huì)表現(xiàn)得與真實(shí)牽引變電所及線路的反應(yīng)高度一致，從而達(dá)到對(duì)環(huán)境及受訓(xùn)人員的分析、培訓(xùn)與考核。接觸網(wǎng)線路巡視仿真如圖5 所示。

圖5 接觸網(wǎng)線路巡視仿真

2 效果

在設(shè)備操作和零部件拆裝中，虛擬仿真系統(tǒng)帶來的效果非常明顯，這是由于虛擬仿真系統(tǒng)使整個(gè)過程更加直觀。虛擬仿真系統(tǒng)能夠提供一個(gè)虛擬的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以通過技術(shù)上、工藝上對(duì)供電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行大膽的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行和計(jì)算的結(jié)果對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）虛擬仿真系統(tǒng)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中能充分發(fā)揮信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

（2）目前應(yīng)用的虛擬仿真系統(tǒng)主要是基于VR，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）也是未來虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，下一步將重點(diǎn)研究如何在實(shí)際場(chǎng)景中使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。