面向變電檢修數字化培訓的虛擬拆裝系統設計

摘 要：在變電檢修三維數字化培訓仿真平臺中，由于傳統的虛擬拆裝訓練方法往往僅關注幾何模型的零部件信息，而忽視零部件形狀與物理互動的影響，導致虛擬拆裝操作與真實拆裝過程產生很大的出入，降低三維數字化培訓仿真平臺的互動便捷性和真實感。為克服傳統方法帶來不便與局限性，該文通過基于自由度約束的拆裝零件定位方法，實現虛擬拆裝交互過程的改進，同時在模塊化設計、Unity3D模型激活和交互功能等方面對系統進行全方面設計，并通過展示隔離開關模型的拆裝過程，展示系統的實現與應用。該系統的設計與實現，為變電檢修三維數字化培訓的有效展開、增強其互動性和沉浸感提供技術支持。

關鍵詞：三維建模;虛擬拆裝;Unity3D;幾何約束;變電檢修

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0024-04

Abstract： In the three-dimensional digital training and simulation platform for substation maintenance， the traditional virtual disassembly and assembly training methods often only focus on the part information of the geometric model and ignore the influence of the interaction between the shape of the parts and the physics， resulting in a large gap between the virtual disassembly and assembly operation and the real disassembly process， reducing the interactive convenience and realism of the three-dimensional digital training and simulation platform. In order to overcome the inconvenience and limitations caused by traditional methods， this paper improves the virtual disassembly and assembly interactive process through a disassembly and assembly part positioning method based on degrees of freedom constraints. At the same time， the system is designed in aspects such as modular design， Unity3D model activation and interactive functions， and the realization and application of the system are demonstrated by displaying the disassembly and assembK0iMhXTiiAl1Fw0y+6BYlg==ly process of the isolating switch model. The design and implementation of this system provide technical support for the effective development of three-dimensional digital training for substation maintenance and enhance its interactivity and immersion.

Keywords： 3D modeling; virtual disassembly; Unity3D; geometric constraints; substation maintenance

在電力變電站運維維修培訓中，虛擬拆裝是至關重要的一環，對培養維修人員的技能水平和現場作業效率具有重要意義。傳統對于虛擬拆裝的研究主要側重于基于幾何模型的零部件信息及其之間的拆裝關系，忽視了真實拆裝過程中零部件形狀與物理互動的影響。為更全面地反映拆裝體的各種信息，可采用在虛擬環境中模擬拆裝物理過程的手段，因此，必須關注和推進包含幾何、物理、行為等多維屬性在內的新型拆裝模擬方法的研究。

傳統的語義識別虛擬裝配系統主要依賴于虛擬交互來建立模型，通過實時監測干擾情況以模擬裝配過程。但這種方式在應用上存在限制，且其可靠性不高。針對該情況，本文提出了基于自由度約束的虛擬拆裝方法，通過對拆裝體自由度信息的實時變換，實現其物理信息與幾何約束的合理配合，保持了幾何與物理信息完整性，使得虛擬拆裝過程中對零部件的拆裝定位準確度大幅提高，從而顯著提高虛擬拆裝訓練的操作便捷性和培訓效果，并進一步提高變電檢修數字化培訓的培訓效率，節約培訓成本。

1 基于自由度約束的拆卸組件定位方法

采用約束自由度的拆卸組件定位策略的傳統方法通過對自由度的解析來解決幾何上的組件拆卸問題，然而這種方式無法滿足拆卸流程、工程術語及組件管理的需要，尤其是缺乏一種靈活有效并能存儲的管理系統。所以，在虛擬拆卸過程中，詳細而徹底地解析組件屬性的重要性就顯得尤為突出，不僅僅只涉及到常規的幾何形態，還需包含如質心、重量、旋轉慣性和表面摩擦因子等物理特性，以達到更為全面與真實的效果。根據自由度的劃分，可分為移動自由度和旋轉自由度，具體見表1。

表1 零部件自由度分類

在三維拆裝過程中，自由度分析法的主要目標在于識別并確認各幾何體所在的位置與朝向，以便保證符合所有的制約因素。事實上，分解組裝的過程就是通過逐一適應這些制約對零件的自由度實施控制。每當新的制約被引入時，零件的自由度就會相應地減小。開始時，每個零件都具有全部自由度，然而隨著越來越多約束的應用，其自由度會持續下降，直至達到無自由度的狀態或者所有現行的運作層面的約束均已得到滿足為止。在受限的自由度中，零件的移動需要同時滿足所有既有的制約要求。

為了有效管理這個過程，需要考慮零部件的各種物理和幾何屬性，確保拆裝過程的準確性和高效性。此外，實現動態且高效的信息存取管理機制對于改進拆裝工藝、工程語義和零部件管理至關重要。

在模擬的環境里，各個組件的分解和安裝步驟可能會被多樣的幾何條件制約。每一個這樣的條件都會對該組件在特定的空間內移動的能力施加限定。當多種條件同時發生影響時，這個組件最后的可動范圍是由所有單項條件的交疊部分決定的。假設某個組件受到了若干種約束的束縛，那么其數量就是約束總數的n值，而與之相對應的自由度則由約束集C={ci，0≤i≤n}來定義

式中：∑代表了自由度規約計算，Ti表示平移方向矢量，Ri表示旋轉方向矢量。

這個過程可以理解為是動作靈活度的降低或者約束范圍的壓縮。經過對各種幾何約束的解析處理后，各個組件獲得了其有效行動靈活度。本研究在此基礎上的傳統活動度評估方式中，利用屬性和機制建立了各組件的幾何約束與其實際特征間的對應聯系。以實際特點為主體的虛構拆分，主要是通過運動副的約束關系描繪各組件之間相互關系的拆分情況。

零部件的自由度與其約束有直接關聯。利用自由度，可以將解構AyyPm9BDh5QZx31UlpBeZRX9efgghAmIFBrFxKhqOFg=的幾何約束與運動副的約束聯系起來，實現從幾何約束到運動副約束的轉化。常見的運動副約束與自由度的對應關系見表2。

在對電氣裝置組件的分解和裝配操作中，每一個組件都會受到多維度的幾何制約的影響。所以，首先需要的是深入研究各個組件之間幾何關系的精細處理。這一步驟是通過解構所有運動自由度界定的活動范圍并找出其相交部分，從而識別出組件的轉動自由度（R）和位移自由度（T）。然后，根據這些運動自由度如何被特定的運動連接器制約的情況，我們可以明確地建立起組件間具體的運動連接器的關系。

記Tr1，r2表示零件r1與零件r2間的平移自由度，Rr1，r2表示零件r1與零件r2間的旋轉自由度。圖1中零件r1與零件r2間的拆裝幾何約束關系為：a1-a2面貼合;b1-b2面貼合;c1-c2面對齊。詳情如圖1所示。

一旦明確了部件之間的組裝與拆卸的幾何限制，就可以依據這些限制條件設置適當的運動副屬性。面面接觸的幾何限制可以通過映射技術轉化為平面對應的限制，這樣可以讓我們從中獲取到重要的幾何參數，比如準確的幾何表面坐標及其法向量指向。這些確立的運動副約束基礎上，進而可構建相應的約束方程

式中：ω（t）為角速度，（t）為角加速度。

在執行拆裝操作時，其核心目的在于精準地確認組件的空間位置，并限制其移動范圍，從而保證這些組件可以按照既定的規范被正確安裝或拆解。關于定位求解，其重要性體現在根據既定的定位條件來進行自由度的分析上，進而依據這些分析結果來計算出必要的變換矩陣。此變換矩陣主要應用于調節組件的空間定位，以確保其精確對準。

分析組件的約束狀態有助于在其允許的移動范圍內進行必要的旋轉和平移操作，以達到新的約束需求。在拆裝系統中，組件所處的特定空間位置是通過其空間位姿信息來描述。這種空間位姿信息包括2個部分：其一是位置信息，它指明了組件的具體空間位置;其二是姿態信息，它描述了組件的方向。在拆裝系統內，組件的位置和姿態通常通過位姿矩陣來表達，此矩陣揭示了組件坐標與拆裝系統坐標之間的相對關系。

零部件的空間位姿信息的矩陣表示如下

零部件坐標系中，Xv、Yv、Zv表示零部件的方向，而Xs、Ys、Zs則描述了零部件的位置，分別對應了零部件坐標系中的3個坐標軸及坐標原點。

部件在當前空間位置P上移動，最終到達目標空間位置Pa。實際上，這就是原始位置P經歷了一個矩陣轉換過程，最終到達了目標位置Pa，也就是Pa=PA。矩陣A描述了相應零部件的位姿變換信息。

在電力設備的維修與組裝過程中，部件在三維空間中位置與方向的調整實質上涉及到空間位姿矩陣的轉換。該過程包括部件的平動和轉動：平動主要體現為部件空間定位的改變，而轉動則反映為部件朝向的調整。拆裝操作的關鍵在于，精確地使用位姿矩陣和運動矩陣描述和模擬三維空間中部件的位姿及其動態變化，這對于準確捕捉拆裝過程中各種運動情景至關重要。

2 虛擬拆裝過程交互實現方法

本系統的模塊化設計理念促進了其功能擴展性。通過定義虛擬拆裝系統的各個模塊，并通過接口傳遞參數，實現模塊間的互動。系統利用C#腳本激活電力設備的Unity3D模型，允許用戶使用鍵鼠操作觸發模型動作，調節電力設備模型的動態展示，實現場景和設備交互操作。所有交互過程均借助Unity3D的API和其他工具完成。

系統的設計注重場景的豐富性和生動性，特別是在操作交互方面的創新。以隔離開關為例，用戶可以通過拖拽來移動和旋轉隔離開關模型，甚至使模型外殼變為透明，以便深入了解內部結構和細節。在場景中，采取調整主攝像頭的方式，實現對模型的移動和旋轉操作，具體實現方式為，在主攝像機上配置了驅動腳本，通過監測鼠標操作事件來調整攝像機的旋轉和模型的位置。在每次Update函數中，系統根據鼠標的左鍵或右鍵點擊，控制主攝像頭圍繞模型旋轉，同時，通過調整旋轉角度和移動距離，確保操作體驗的流暢。具體流程如圖2所示。

為增強從宏觀角度觀察電力設備內部結構的便捷性，本系統引入了電力設備模型外殼透明化的功能。通過場景內設置的On/Off樣式UI按鈕，用戶可簡單點擊實現外殼的透明化操作。此功能的實現依賴于NGUI插件，它支持輕松地添加組件如Atlas和Button，進而設計外殼透明化按鈕。在添加Button組件后，通過Inspector面板中的OnClick屬性，用戶可選擇點擊后要觸發的腳本方法，實現特定動作。

按鈕點擊通過gameObject.SetActive方法控制當前按鈕的觸發，并與關聯按鈕實現聯動控制。透析功能則是依靠對電力設備殼體進行不同材質屬性的賦予實現的。在Inspector面板中，對需要被透析的對象指定透明與不透明2種材質，根據按鈕的激活狀態，切換Renderer組件的Material屬性，即可更改物體材質，實現透明化效果。

此外，為便于用戶理解電力設備的構造，系統采取了將電力設備零件分組拆裝的策略。電力設備的拆裝過程遵循逐級拆裝原則，即完成一組零件的拆裝后方可進行下一組的操作。而且，僅在完成所有拆裝步驟后，用戶才能開始裝配過程，確保了操作的邏輯性和系統性。交互拆裝的流程如圖3所示。

拆卸與裝配控制功能則是直接利用OnGUI方法，以按鈕的形式內置于UI系統當中。用戶點擊模型的第一組虛擬實體后，第一組零件將沿預定軌跡開始拆卸過程。此外，Unity的射線檢測功能通過API中的OnMouseDown方法，用于識別和響應碰撞體的點擊事件。

3 系統實現與應用

本研究基于前述的零部件定位與虛擬拆裝交互方法，成功設計并應用了變電站電力設備的虛擬拆裝系統，特別是展現了隔離開關模型的拆裝過程，如圖4所示。

4 結束語

本文所介紹的電力設備虛擬拆裝系統為變電檢修數字化培訓提供一種創新的解決方案。通過將物理互動融入拆裝過程中，該系統能夠更真實地模擬實際操作，提升培訓效果。相比于傳統的線下教學或實地訓練，虛擬拆裝系統可以節省時間成本、提高學習效率，并且能夠在安全的9865de684b6bfab829ec04edb8ce509e環境下進行反復練習。這對于電力設備維護檢修領域來說，意味著更為便捷和高效的培訓方式，有望培養出更多專業技能嫻熟的人才。

然而，雖然本文所述系統已經取得了一定的成果，但仍然存在著一些挑戰和改進的空間。例如，虛擬拆裝系統的模擬程度是否能夠完全達到實際操作的水平，以及系統的穩定性和可靠性等方面的問題都需要進一步的研究和改進。此外，隨著技術的不斷發展和應用領域的拓展，虛擬拆裝系統還有待于不斷更新和完善，以滿足不斷變化的培訓需求和技術要求。因此，未來的研究方向之一是進一步優化虛擬拆裝系統的功能和性能，提高其在實際應用中的適用性和可靠性。

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第一作者簡介：袁樂（1990-），男，工程師。研究方向為電力系統運行優化。