沉浸式建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

曹祥紅，袁凱鑫，童 碩，杜 薇

（鄭州輕工業(yè)大學 建筑環(huán)境工程學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

《建筑供配電技術(shù)》課程是建筑電氣與智能化以及其他相關專業(yè)的必修核心專業(yè)課程，其應用性和工程實踐性強，需注重理論與實踐結(jié)合，因此開展課程相關實驗尤為重要?！督ㄖ┡潆娂夹g(shù)》的實驗課一般僅有8～10個學時，僅能開設4～5個實驗。同時由于建筑供配電實驗設備體積大、電壓高，對安全性、實驗室空間和投資要求較高，實驗內(nèi)容僅包括基本設備認知、基本線路連接等，以演示性操作為主，無法有效通過實驗課提高學生的動手能力和工程實踐能力。

近年來不斷發(fā)展的虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，主要是通過計算機模擬虛擬環(huán)境，使人們在操作過程中可以得到關于環(huán)境的最真實反饋，實現(xiàn)了人機交互。VR技術(shù)具有直觀性、多感知性、交互性和生動性等特征，在工業(yè)仿真、教育、軍事等領域得到了廣泛應用，使得突破傳統(tǒng)實驗在安全性、大空間和高投資方面的限制成為可能。目前，已有VR技術(shù)在電力行業(yè)應用的研究。例如，丁毓峰等利用Unity 3D進行虛擬場景的搭建和交互開發(fā)，并利用網(wǎng)頁動態(tài)展示機電產(chǎn)品的工作原理與拆裝過程；陳海波等探討了VR技術(shù)在電力系統(tǒng)運行維護和工程設計中的應用；陳麗丹等研究了“跌落式熔斷器的拉合操作”虛擬實驗，并使用HTC VIVE穿戴設備進行了虛擬實訓操作；陳永波等研究了沉浸式變電站仿真培訓系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于Kinect體態(tài)識別的場景漫游技術(shù)；王大虎等以某10 kV變電所為原型，將VR技術(shù)與變電所操作教學相結(jié)合，在Unity 3D軟件中利用C#語言編寫相應的腳本，完成10 kV變電教學仿真系統(tǒng)的開發(fā)。然而，關于將VR技術(shù)應用于建筑供配電技術(shù)實驗的研究還較少。

本文提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到建筑供配電技術(shù)的實驗教學中，設計并實現(xiàn)了一個沉浸式建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)。利用建模軟件和開發(fā)引擎對所需模型和實驗環(huán)境進行創(chuàng)建與搭建；基于沉浸式交互設備與開發(fā)引擎，通過UI設計、腳本設計與掛載、物理引擎添加、碰撞檢測等手段完成虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并進行了優(yōu)化、發(fā)布與實踐應用，使學生能夠在虛擬環(huán)境下進行預設實驗或自主實驗。

1 建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)的總體設計流程

系統(tǒng)設計是以調(diào)查分析、功能構(gòu)建、模型創(chuàng)建、場景搭建、交互開發(fā)、優(yōu)化發(fā)布為主線，以3D Max、Unity 3D、HTC VIVE為工具，借助3D Max的建模、材質(zhì)貼圖技術(shù)，Unity 3D的PBR渲染、物理引擎、碰撞檢測算法以及HTC VIVE的VR交互技術(shù)，完成對建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的設計與開發(fā)。系統(tǒng)的總體設計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計總體流程

1.2 系統(tǒng)的總體框架設計

虛擬實驗系統(tǒng)設計劃分為交互層、功能層、數(shù)據(jù)層。老師或?qū)W生通過交互層進行操作，比如通過VR手柄操作電氣設備的通斷；功能層主要包含各個實驗模塊，如建筑供電設備組件認知模塊；數(shù)據(jù)層針對系統(tǒng)所需的電氣設備信息、操作流程信息及操作記錄信息等建立數(shù)據(jù)庫，目的是供功能層調(diào)用和存儲學生的操作過程。系統(tǒng)總體框架設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架設計

1.3 系統(tǒng)的功能設計

建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的主要設計目的是解決真實實驗中存在的時空限制和安全性等問題，其功能包含建筑供電設備組件認知、拆裝和建筑供電故障操作等實驗操作與分析。建筑供電設備組件認知實驗主要通過漫游觀察認知設備，在虛擬環(huán)境中學習和認識設備的信息、原理、功能、結(jié)構(gòu)整體性；建筑供電設備拆裝實驗主要對某些常用的電氣設備或電氣設備的某部分進行虛擬拆分和組裝，如低壓饋線柜的斷路器抽屜；建筑供電故障操作實驗主要通過對虛擬故障設置柜進行不同的故障設置，并根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護原理和電氣主接線的“四性”要求，對隔離開關、斷路器進行通斷操作。

2 建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)基礎構(gòu)建

通過對真實實驗室的觀察可知，虛擬實驗系統(tǒng)所需模型分為高壓開關柜、變壓器柜、低壓計量柜、低壓補償柜、低壓聯(lián)絡柜、低壓饋線柜、故障設置柜等。分別采用3D Max和Unity 3D對虛擬電氣設備和虛擬實驗環(huán)境進行創(chuàng)建和搭建。

2.1 電氣設備創(chuàng)建

3D Max具有強大的建模能力，被廣泛應用于建筑設計、工業(yè)設計以及輔助教學等領域。模型的創(chuàng)建遵循“觀察→拆分→創(chuàng)建→修改→組合”這一流程。以低壓饋線柜抽屜為例來說明利用3D Max建模的過程，真實設備與虛擬模型對比如圖3所示，其他電氣設備和輔助設備建模過程和方法同理。觀察：觀察低壓饋線柜抽屜的組成部分，包括斷路器、斷路器操作機構(gòu)、電流互感器、進出線接口、信號傳遞接口、導線、顯示儀表等，并使用測量工具對其各個組成部分進行尺寸測量。拆分：確定尺寸后，將其在空間上進行拆分，拆分為接口類、導線類、電器類、機械操作類以及儀表顯示。創(chuàng)建：根據(jù)拆分后的獨立部分，選擇基本長方體對柜體、電流互感器等進行創(chuàng)建；選擇樣條線對斷路器、熔斷器等進行創(chuàng)建；選擇基本圓柱體對導線、操作手柄等進行創(chuàng)建。修改：對創(chuàng)建好的模型進行修改，目的是使創(chuàng)建的模型更加真實。對基本長方體進行插入、擠出、對齊等修改，完成對柜體、電流互感器的建模；對使用樣條線構(gòu)建的斷路器、熔斷器加載平滑修改器；使用彎曲、縮放等修改器對“導線”進行接近真實的修改。組合：將修改后的模型按照真實物體進行組合連接，組合時尤其要注意不能出現(xiàn)穿透、重合等現(xiàn)象，否則會對后期的碰撞檢測造成影響。

圖3 真實設備與虛擬模型對比圖

2.2 虛擬實驗環(huán)境搭建

Unity 3D是一個多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，具有易用性和跨平臺性等諸多優(yōu)點，近年來受到廣泛關注。本文選用Unity 3D進行整體虛擬實驗環(huán)境的搭建、渲染、貼圖等技術(shù)處理。首先將3D Max創(chuàng)建的模型以“.FBX”的格式導入Unity 3D中，并按照真實實驗室設備布局對模型進行位置變化、比例變換、坐標軸變換。圖4是利用Unity 3D搭建的虛擬實驗環(huán)境。

圖4 虛擬實驗環(huán)境

3 虛擬實驗系統(tǒng)的交互設計與實現(xiàn)

建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的交互設計與實現(xiàn)是以HTC VIVE體感設備和Unity 3D搭建的虛擬實驗環(huán)境為前提，需要通過API接口使二者建立連接以實現(xiàn)交互操作和顯示。相比于傳統(tǒng)的鼠標、觸摸屏交互手段，沉浸式交互過程中的觸覺和視覺效果更加真實。虛擬環(huán)境下的交互離不開碰撞檢測。

3.1 HTC VIVE與Unity 3D連接

交互實現(xiàn)的基礎是通過定位系統(tǒng)（Light-house）獲取VR頭顯的位置、旋轉(zhuǎn)速度來實時對應虛擬環(huán)境中攝像機的視角；通過獲取VR手持控制器的輸入來實現(xiàn)與虛擬環(huán)境設備的交互，如Trackpad可用手指進行觸摸和點擊實現(xiàn)瞬移、傳送、選擇等交互操作。Unity 3D和HTC VIVE硬件設備之間通過Steam VR接口實現(xiàn)軟硬件結(jié)合。調(diào)用Steam VR Plugin中的[CameraRig]組件實現(xiàn)對HTC VIVE硬件的虛擬化。

3.2 碰撞檢測

碰撞檢測是為了判斷同一時刻、同一空間位置下是否存在兩個物體，其結(jié)果是響應碰撞操作、顯示碰撞結(jié)果的基礎。本文主要針對空間下的普通包圍盒進行應用，分為以下三類：第一類是球包圍盒（Sphere Collider），適用于球形、橢圓形或?qū)ε鲎矙z測要求不高的模型上；第二類是矩形包圍盒（Box Collider），適用于矩形類或?qū)ε鲎矙z測要求較高的模型上；第三類是網(wǎng)格包圍盒（Mesh Collider），適用于復雜、不規(guī)則的模型，相比于前兩種碰撞盒，其最大的優(yōu)點是能精確檢測碰撞，最大缺點是耗用內(nèi)存較高。

3.3 交互設計與實現(xiàn)

在軟硬件正確建立通信的基礎上，對虛擬環(huán)境設計UI界面，對模型做進一步處理，如物理引擎的添加、組件的掛載、腳本的編寫與加載等，完成對虛擬環(huán)境交互的設計與開發(fā)。以虛擬計算機交互體現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的經(jīng)濟性，以低壓饋線柜結(jié)構(gòu)認知交互體現(xiàn)不受時空限制性，以低壓饋線柜通斷負荷供電交互體現(xiàn)不受安全性限制。

3.3.1 虛擬計算機交互

虛擬計算機是將UI Canvas融入到虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)，與虛擬計算機的交互相當于與UI Canvas的交互。實現(xiàn)交互過程如下：首先創(chuàng)建UI Canvas，在其Panel上添加UI組件完成基本布局，UI組件主要包含了Button、Text、Image、Scrollbar；其次修改所創(chuàng)建UI組件的參數(shù)和屬性，編寫相應的腳本；最后將修改完成的UI Canvas植入到虛擬環(huán)境的計算機上，并對UI Canvas掛載VRTK_UI Canvas組件，對虛擬操作手柄掛載VRTK_UI Pointer組件，通過試運行、調(diào)試和修改完成對虛擬計算機的交互。在虛擬實驗環(huán)境中，通過手柄選擇實驗項目，可以對任何實驗項目的目的、任務、內(nèi)容和結(jié)果進行選擇和查看。圖5是與虛擬計算機的交互效果。

圖5 虛擬計算機交互效果

3.3.2 低壓饋線柜結(jié)構(gòu)認知交互

低壓饋線柜的主要功能是分配電能。其結(jié)構(gòu)認知的交互設計和實現(xiàn)過程為：對搭建好的模型進行包圍盒的加載，選用Box Collider對整體柜體和分布模塊進行加載并修改其屬性和大小；然后運行交互腳本。圖6反映了低壓饋線柜的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)拆分交互。

圖6 低壓饋線柜內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的拆分交互

3.3.3 通斷負荷供電的交互

低壓饋線柜的交互主要實現(xiàn)兩種功能：一是對其整體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用的基本認識；二是對模擬負荷的通電和送電操作，通過給定的實驗要求進行通斷電的操作，并觀察供配電系統(tǒng)模擬屏指示燈的變化。通斷負荷供電的交互設計和實現(xiàn)過程如下：首先進行精確檢測碰撞，在旋轉(zhuǎn)操作手柄上加載Mesh Collider，并且掛載Hinge Joint，設置其Limits為0～90°；然后編寫腳本并掛載到操作手柄上，實現(xiàn)操作手柄旋轉(zhuǎn)時配電屏指示燈顏色改變；最后為手柄掛載旋轉(zhuǎn)腳本組件，并進行試運行、調(diào)試和修改。圖7是通斷負荷的交互效果。

圖7 通斷負荷的交互效果

4 虛擬實驗系統(tǒng)的優(yōu)化、發(fā)布及實踐應用

虛擬系統(tǒng)設計開發(fā)完成后，為保證系統(tǒng)流暢運行，需要進行優(yōu)化來減少電腦運行資源的消耗，提高渲染速度。主要分為兩個方面：一是優(yōu)化模型，每個模型都由很多三角形面構(gòu)成，越復雜的模型需要的三角面越多，因此將配電柜內(nèi)部的部分模型用簡單的模型代替，以減少渲染時的面數(shù)；二是采用LOD細節(jié)層次技術(shù)，當距離視角近時顯示更多的模型細節(jié)，距離視角遠時顯示較少的模型細節(jié)，采用LOD技術(shù)可以減少GPU的消耗，使運行更加流暢。

Unity 3D開發(fā)引擎可跨平臺發(fā)布，將場景文件的Assets資源文件夾打包，通過File＞Build Settings設置系統(tǒng)發(fā)布平臺為PC、選擇發(fā)布系統(tǒng)的屏幕分辨率為1 920×1 080，然后生成“.exe”文件，完成虛擬仿真實驗系統(tǒng)的發(fā)布。

為了檢驗建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)，在PC版實驗平臺基礎上建立“建筑電氣與智能化虛擬仿真教學平臺”網(wǎng)站，并將建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)以資源包的形式嵌入到網(wǎng)站中，學生可以下載和安裝資源包并借助HTC VIVE硬件設備進行實驗操作。

5 結(jié) 語

沉浸式建筑供配電虛擬實驗系統(tǒng)的設計過程中引入了VR技術(shù)，通過3D Max和Unity 3D完成了模型的創(chuàng)建和虛擬環(huán)境的搭建，利用HTC VIVE體感設備和腳本編寫完成了系統(tǒng)的設計與開發(fā)。系統(tǒng)設計以建筑供配電實驗為重點，將實驗分為認知型實驗和操作型實驗，學生可以進行實驗選擇，按照內(nèi)容和步驟進行實驗，并查看實驗結(jié)果，實現(xiàn)了完全的沉浸式交互。解決了真實實驗時存在的安全性、時空性、經(jīng)濟性問題，提高了學生的興趣，在實踐中取得了良好效果，也為電氣類實驗提供了新的參考。