基于Torque引擎的電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)

姚 凡，羅滇生，趙 靜，汪會財(cái)，匡少林

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙410082；2.河南省電力公司，鄭州450052）

面對電力生產(chǎn)中的新形勢，國家電網(wǎng)公司提出了“一強(qiáng)三優(yōu)”的發(fā)展目標(biāo)，作為電力系統(tǒng)的統(tǒng)一目標(biāo)和根本任務(wù)。在這種形勢下，電力安全教育更加凸現(xiàn)出其必要性。電力工業(yè)的迅速發(fā)展對工作人員的培訓(xùn)工作提出了較高的要求。培訓(xùn)是提高工作人員素質(zhì)及保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段之一，而電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)決定了不能通過實(shí)際設(shè)備直接操作進(jìn)行人員培訓(xùn)，而傳統(tǒng)的理論講述培訓(xùn)與手冊培訓(xùn)周期長、資金投入大、學(xué)員現(xiàn)場感差，因此進(jìn)行仿真培訓(xùn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。仿真培訓(xùn)不僅是一種實(shí)踐與理論的結(jié)合，且寓教于樂，并能夠使學(xué)員身臨其境，達(dá)到高效、安全培訓(xùn)的目的?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù) VR（virtual reality）［2］的培訓(xùn)方式應(yīng)運(yùn)而生，它具有信息容量大、多項(xiàng)演示、模擬生動、身臨其境等顯著特征，這是有限空間、有限時(shí)間的其它傳統(tǒng)培訓(xùn)方式無法比擬的。而基于Torque引擎的電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)以虛擬仿真訓(xùn)練的方式，把各個(gè)崗位的操作規(guī)程和安全規(guī)程以一種交互的方式體現(xiàn)出來，并且涵蓋了每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)陷阱。電力職工通過使用該系統(tǒng)，能夠熟悉每個(gè)崗位的操作規(guī)范和安全注意事項(xiàng)，從而在日常的工作中最大限度地減少事故的發(fā)生。

1 Torque引擎介紹

Garage Games的先驅(qū)產(chǎn)品是Torque Game Engine，簡稱TGE，它是3D計(jì)算機(jī)游戲引擎的改進(jìn)，也就是說TGE是一個(gè)專業(yè)的3D引擎，而不僅僅是一個(gè)游戲開發(fā)包。它最初由Dynamix于2001年為第一人稱射擊游戲―Tribes 2而研發(fā)。后由Garage Games向獨(dú)立開發(fā)者和專業(yè)游戲開發(fā)商授權(quán)。著名的由該引擎開發(fā)的商業(yè)版游戲有：Marble Blast Gold， "Minions of Mirth"，"TubeTwist"，"Ultimate Duck Hunting"和"Wildlife Tycoon：Venture Africa"。涵蓋了目前市場存在的各種游戲類型和風(fēng)格。

作為一款典型的游戲引擎，Torque包含了以下主要功能模塊［3，4］：

1）事件輸入模塊；任何平臺輸入事件經(jīng)由平臺層解釋遞交到游戲，然后游戲按照一張全局動作映射表檢查輸入事件，這張表取代所有其他的動作處理程序。最后這些事件都被發(fā)送到主應(yīng)用程序事件隊(duì)列中。

2）資源管理器模塊；Torque Engine會使用到為數(shù)眾多的資源，比如地形文件、位圖、形狀、材質(zhì)清單、字體以及內(nèi)景等等，因此這個(gè)管理器用于管理各種游戲資源并提供一個(gè)加載和保存資源的通用接口，它支持每次只加載一種資源的一個(gè)實(shí)例。

3）形狀和動畫處理模塊；該模塊管理各種形狀模型的顯示和動畫。圖形引擎負(fù)責(zé)渲染整個(gè)場景，并決定一個(gè)給定的對象是否需要有客戶端處理。

4）網(wǎng)絡(luò)連接模塊；該引擎提供了強(qiáng)大的C／S網(wǎng)絡(luò)模擬支持，同時(shí)處理了三個(gè)基本的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)編程問題：受限帶寬，數(shù)據(jù)包丟失和延遲。

5）窗口管理模塊；此模塊包含了游戲的菜單、設(shè)置、選項(xiàng)、對話框以及每個(gè)游戲進(jìn)行時(shí)的消息系統(tǒng)，能控制游戲視覺外觀并接受用戶控制輸入，提供各種按鈕控件。

游戲引擎的元素由用戶輸入、圖形、音頻、事件、時(shí)序與同步、場景圖、腳本、對象和資源、網(wǎng)絡(luò)、文件I／O九部分組成。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Torque引擎與3D模型組合

本引擎全面支持3ds Max與maya建模，由于本次項(xiàng)目采用3ds Max建模，所以可通過引擎規(guī)定的導(dǎo)出插件，把3ds Max所搭建的模型導(dǎo)出為.dts格式文件。Torque引擎在內(nèi)部已經(jīng)封裝好固定格式的數(shù)據(jù)塊，只需要在腳本文件中填寫該模型文件的屬性信息，所需要的模型就可以在虛擬場景中得到加載和實(shí)現(xiàn)。整個(gè)流程簡單易操作，而且虛擬場景中的所有3D模型都可以自由地設(shè)置其大小、位置。電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)的變電站三維模型場景如圖1所示。

圖1 Torque引擎中變電站的模型場景Fig.1 Substation model scene of Torque engine

2.2 Torque引擎與3D動畫組合

3D動畫整合與3D模型整合大致相似，3D動畫也可以說是帶有動作的3D模型，都是通過加載.dts格式文件，填寫數(shù)據(jù)塊屬性值來指定給引擎，所不同的是由于有動作，3D建模會有兩個(gè)部分，即骨骼和蒙皮。導(dǎo)出時(shí)骨骼與蒙皮是分開的，蒙皮也就是一個(gè)3D模型，而骨骼是一些存儲蒙皮變換的矩陣，引擎通過不同的矩陣來控制虛擬人物的不同動作。當(dāng)模型加載入引擎以后會再加載一個(gè)動作列表，該列表也可以在腳本文件中編寫。程序員編寫邏輯代碼判斷培訓(xùn)人員的鍵盤或者鼠標(biāo)操作，通過匹配動作列表中動作各動作名稱，達(dá)到不同操作不同動作的播放。

電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)中的人物驗(yàn)電動作如圖2所示。

圖2 Torque引擎中的人物驗(yàn)電Fig.2 People examining electricity in Torque engine

2.3 Torque引擎與SQL Server數(shù)據(jù)庫組合

本引擎在網(wǎng)絡(luò)支持方面存在著缺陷，引擎本身也不支持SQL Server數(shù)據(jù)庫連接，但可以用改動引擎的方法達(dá)到支持。

由于Torque是基于Win32平臺，對MFC不支持，所以在改動引擎時(shí)選用 Win32連接數(shù)據(jù)庫的方法，把該功能加進(jìn)引擎源代碼后對引擎進(jìn)行再次編譯，達(dá)到通過腳本文件，指定數(shù)據(jù)庫類型、連接地址、表名、用戶名、密碼等，即可連接數(shù)據(jù)庫，對SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀取、修改、添加、刪除操作。

3 電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡介

電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，為電力企業(yè)提供了一個(gè)3D互動電力安全教育培訓(xùn)平臺。系統(tǒng)運(yùn)用TorqueScript進(jìn)行培訓(xùn)流程控制，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫記錄受訓(xùn)人員的信息，采用xmlhttp的service技術(shù)與流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電的無刷新實(shí)時(shí)電力安規(guī)培訓(xùn)操作場景，以3D游戲開發(fā)引擎Torque作為基礎(chǔ)平臺進(jìn)行二次開發(fā)。

系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，綜合運(yùn)用圖形、3D動畫和聲音等多種媒體模擬電力現(xiàn)場作業(yè)的實(shí)際情形，將電力標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程和安全規(guī)程以一種交互的方式體現(xiàn)出來，涵蓋各種典型違章事故案例。同時(shí)，系統(tǒng)引入110kV、220kV變電站仿真系統(tǒng)，供變電運(yùn)行人員進(jìn)行巡視、操作、異常及事故處理的仿真模擬訓(xùn)練及考核，可供電力企業(yè)的各級管理人員和生產(chǎn)技術(shù)人員進(jìn)行安全生產(chǎn)規(guī)程考核培訓(xùn)使用。

虛擬交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主界面如圖4所示。

圖3 虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of virtual interactive training system

圖4 虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)的主界面Fig.4 Main interface of virtual interactive training system

3.2 系統(tǒng)功能

為了給電力設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、檢修人員提供全方位的仿真培訓(xùn)，通過構(gòu)建一個(gè)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺，為變電、線路運(yùn)行人員提供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、變電站設(shè)備、運(yùn)行原理、運(yùn)行規(guī)程、生產(chǎn)流程等的培訓(xùn)。盡可能地提供與實(shí)際工況相一致的軟、硬件環(huán)境，使受訓(xùn)人員有身臨其境的感受，掌握變電、線路運(yùn)行操作控制的基本技能。進(jìn)一步提升檢修人員和老員工的業(yè)務(wù)水平，也為新員工提供對專業(yè)設(shè)備的感性認(rèn)識，并具備一定的操作技能。通過使用虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺，在一定程度上解決了電力安全培訓(xùn)中不可視、不可摸、不可入危險(xiǎn)性場所的的難題。同時(shí)對于變電站日常運(yùn)行過程中并非每個(gè)員工都會遇到的故障和事故，可以利用本系統(tǒng)的預(yù)設(shè)場景，使受訓(xùn)人員在虛擬事故中得到"真實(shí)"鍛煉，一旦真實(shí)的事故發(fā)生，得到"真實(shí)"鍛煉的人員就可鎮(zhèn)定自若地正確應(yīng)對，把事故影響減至最小范圍。

系統(tǒng)功能主要分三個(gè)模塊，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊Fig.5 System function block diagram

1）實(shí)景培訓(xùn)

本模塊采用現(xiàn)場實(shí)拍視頻方式，完整記錄電力標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程的各個(gè)現(xiàn)場操作。學(xué)員通過觀看各種知識點(diǎn)的實(shí)際操作過程，對每一步操作都有一個(gè)感性的認(rèn)識，理論結(jié)合實(shí)際，更有助于將安全意識融入到實(shí)際操作中。

2）虛擬交互培訓(xùn)

本模塊采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)，提供了一個(gè)3D互動電力安全教育培訓(xùn)平臺。系統(tǒng)根據(jù)不同學(xué)員的培訓(xùn)需求，提供了整體、隨機(jī)和游戲三種培訓(xùn)模式。

整體模式：該模式主要針對于新學(xué)員。在系統(tǒng)的提示下，學(xué)員可完成整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程操作，讓其熟悉整個(gè)操作流程，并了解操作流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨機(jī)模式：系統(tǒng)將整個(gè)培訓(xùn)流程做內(nèi)容分解，提取各個(gè)不同的關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)并隨機(jī)地供學(xué)員自由選擇進(jìn)行培訓(xùn)。

游戲模式：學(xué)員可自由選擇培訓(xùn)內(nèi)容，并能觸發(fā)相關(guān)任務(wù)事件，可以獲取成就、金錢、積分等，增加培訓(xùn)的趣味性。

培訓(xùn)開始時(shí)，系統(tǒng)將會下達(dá)培訓(xùn)任務(wù)書。任務(wù)書起作業(yè)指導(dǎo)作用，其中列出了要完成相應(yīng)知識點(diǎn)正確操作步驟，是初學(xué)者順利完成任務(wù)的有利保障。當(dāng)完成培訓(xùn)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)將會給出任務(wù)報(bào)告，任務(wù)報(bào)告將總結(jié)作業(yè)過程，指出其中需改進(jìn)的地方，給你任務(wù)評價(jià)，同時(shí)提供了作業(yè)時(shí)間、事故列表等參考信息，有助于規(guī)范操作，避免事故發(fā)生。

3）典型案例分析

本模塊歸類收集了國內(nèi)近年來發(fā)生在供電企業(yè)的大量典型事故案例，以供電企業(yè)發(fā)生的典型違章事故案例為原形，采用事故現(xiàn)場資料和3D動畫仿真的表現(xiàn)手法，生動形象地演示了事故過程，并結(jié)合《安規(guī)》相關(guān)條款，詳實(shí)地分析了事故發(fā)生的主要原因，提出相應(yīng)的防范措施，對電力職工的安全教育起到警示作用。

文獻(xiàn)［5］描述的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的培訓(xùn)功能主要有現(xiàn)場漫游、電路圖培訓(xùn)、安全工器具規(guī)范化操作指導(dǎo)、運(yùn)行操作培訓(xùn)、維護(hù)檢修培訓(xùn)、倒閘操作票培訓(xùn)、典型案例仿真處理、教員 －學(xué)員互動平臺、學(xué)員－學(xué)員互動平臺等，這些功能本系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)以上培訓(xùn)功能，本系統(tǒng)須在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）自動行走：利用引擎把鍵盤按鍵事件和人物動作做出綁定，在程序中判斷其按鍵鍵值做出相應(yīng)的動作。在碰撞檢測中，給每一個(gè)物體套上一個(gè)和物體大小相同的盒子，并做出統(tǒng)一的命名，在虛擬人物身上也會有一個(gè)相同的盒子，當(dāng)盒子與盒子發(fā)生碰撞時(shí)判斷其盒子屬性，其盒子屬性分為：可站立，不可通過，事件觸發(fā)等。

2）案例重現(xiàn)：將虛擬人物在電桿的操作過程全部存儲在數(shù)據(jù)庫中，每一次重要操作都會進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)操作的判定，是否為可操作，是否為正確操作等。如有錯(cuò)誤發(fā)生將正確的數(shù)據(jù)提示，或在操作結(jié)束后，用正確數(shù)據(jù)將操作步驟以重放方式進(jìn)行。

3）操作流程：由于每一個(gè)操作步驟都是在數(shù)據(jù)庫中存放，所以可在數(shù)據(jù)庫中動態(tài)的改變操作順序以及匹配操作動作，程序?qū)⒃诔跏蓟臅r(shí)候讀取數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)流程表，所以每一個(gè)場景的操作流程根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的不同動態(tài)的改變，但所改變的數(shù)值必須是虛擬人物動畫中存在的動作。

4）娛樂性：在虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)中將人物劃分等級，以勛章數(shù)目表示，人物等級越高，其勛章越多，而且生命值也會有所增長，在虛擬培訓(xùn)中，生命值等于可出現(xiàn)錯(cuò)誤的次數(shù)，而致命錯(cuò)誤是不受生命值多少影響的，當(dāng)然考試中是不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤的，既等級以及生命只對培訓(xùn)有作用，管理人員可根據(jù)安規(guī)規(guī)定在數(shù)據(jù)庫中標(biāo)識出致命錯(cuò)誤，而且可考慮把培訓(xùn)人員的等級以百分比方式納入考試中。

5）音樂播放：根據(jù)每個(gè)動作以及動作產(chǎn)生后的效果播放音效，而音樂采用三維立體聲，既離聲源的遠(yuǎn)近及角度不同會改變耳麥中左右聲道的大小，讓人能感覺到聲源的位置，使整個(gè)操作更逼真。

6）虛擬場景：場景根據(jù)實(shí)拍照片所編輯，整個(gè)布局都可以靈活變動，在規(guī)定文本當(dāng)中會存儲某一個(gè)物體的大小，位置，碰撞體盒，而場景中的各種建筑都是由3ds max所鍵，這樣很方便以后對場景的改動，也方便新增加場景。

7）工作虛擬：將一個(gè)電力工人所有工作流程以數(shù)據(jù)方式存儲，而該數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫當(dāng)中匹配，因此只需要在數(shù)據(jù)庫中制定好正確的工作流程，虛擬人物會在接受培訓(xùn)人員命令后進(jìn)行相對應(yīng)的操作，很好地處理了重復(fù)動作問題，即在整個(gè)操作流程中可能會出現(xiàn)多次的相同動作，而人物只有一個(gè)對應(yīng)的動作，在數(shù)據(jù)庫中將這個(gè)動作名稱在不同的地方多次放置，就可達(dá)到該動作多次操作的功能。

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)利用Torque引擎，設(shè)計(jì)出了一個(gè)人機(jī)交互的虛擬交互培訓(xùn)平臺，與傳統(tǒng)的電力安規(guī)培訓(xùn)系統(tǒng)相比，具有以下與眾不同的特點(diǎn)：

（1）頂級的三維游戲享受

本系統(tǒng)充分借鑒三維游戲的開發(fā)模式和技術(shù)。一方面以逼真的顯示方式，為學(xué)員營造身臨其境的感受，使學(xué)員得到與現(xiàn)場操作相近的效果。例如：在對電力施工流程建模中，除了模擬相關(guān)的電力設(shè)備，同時(shí)也需要模擬雨、雪之類的自然現(xiàn)象和觸電時(shí)火花四濺等狀況（系統(tǒng)中所涉及的3D模型均以實(shí)物為原型），并對相關(guān)地方配以聲音。同時(shí)，在模擬電力操作時(shí)，常常按三維動力學(xué)的思想來設(shè)計(jì)，從而很好地模擬了系統(tǒng)中電力工具、設(shè)備受到外力時(shí)，產(chǎn)生的諸如自由落體、滾動、傾斜等動作。使得整個(gè)培訓(xùn)場景繪聲繪色，給人的感覺與所模擬的客觀世界非常相像，如同在真實(shí)世界一樣。

另一方面采用人機(jī)交互運(yùn)行方式和積分制。在虛擬環(huán)境中，操作人員通過自主選擇推動情節(jié)向前發(fā)展，若操作錯(cuò)誤，便扣除相應(yīng)積分，這樣便可充分發(fā)揮其積極主動性。

（2）靈活的人機(jī)交互

本系統(tǒng)通過OpenGL程序，完成移動、旋轉(zhuǎn)和放縮過程中物體的三維幾何坐標(biāo)的平移、放大和縮小、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)［6］。根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)關(guān)于物體和坐標(biāo)系統(tǒng)變換公式，計(jì)算物體被操縱后的目標(biāo)坐標(biāo)值，從而使學(xué)員可使用鼠標(biāo)、鍵盤對可視化的人機(jī)交互界面中的三維場景模型進(jìn)行操作：平移物體、旋轉(zhuǎn)物體、對物體拉伸、在場景中進(jìn)行瀏覽、電力系統(tǒng)元件工作原理演示、將系統(tǒng)元件與其相聯(lián)系的工作元件聯(lián)合演示、出現(xiàn)故障如何進(jìn)行搶修等。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

圖6描述的是電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)各個(gè)部分之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，即系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig.6 System data flow diagram

5 結(jié)語

基于Torque引擎的電力安規(guī)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)是集實(shí)用性與有效性于一體的電力現(xiàn)場作業(yè)人員的培訓(xùn)方式，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于湖南省電力公司及其各下屬單位，提高了電力工業(yè)企業(yè)和電力職工培訓(xùn)的積極性，在培訓(xùn)過程中人們充分享受培訓(xùn)的樂趣，改變了原來那種呆板的培訓(xùn)，使人們由“要我培訓(xùn)”到“我要培訓(xùn)”的轉(zhuǎn)變，培訓(xùn)的效果大幅度提高。系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、3D動畫技術(shù)的完美整合，使整個(gè)系統(tǒng)不但大量節(jié)省了培訓(xùn)成本，而且提高了培訓(xùn)效率。

［1］ Frank Paul.Using simulations to provide safety and operations training in the electric power industry［C］∥IEEE Engineering Society Winter Meeting，New York，USA：1999.

［2］ 陳天翼，邱家駒，邱淘西（Chen Tianyi，Qiu Jiaju，Qiu Taoxi）.電力系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)場景開發(fā)研究（PC－based VR environment of a power system training system）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2000，12（5）：7－10.

［3］ Kenneth C Finney.3D游戲開發(fā)大全［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］ 李志丹（Li Zhidan）.應(yīng)用游戲設(shè)計(jì)思想開發(fā)指控系統(tǒng)引擎的研究（Feasibility Study of Building Command and Control System Engine Based on Game Engine）［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程（Computer ＆ Digital Engineering），2010，38（8）：118－121.

［5］ 徐良軍，章建，蔣毅，等（Xu Liangjun，Zhang Jian，Jiang Yi，etal）.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力安監(jiān)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（Simulation training system for supervision of power work safety based on virtual reality）［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用（Computer System ＆ Applications），2010，19（11）：162－165，147.

［6］ 檀英杰 （Tan Yingjie）.OpenGL在變電站仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用 （Application of OpenGL in Substation Simulation System）［D］.天津：天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation of Tianjin University），2008.