基于虛擬現實技術的電氣工程專業(yè)實驗平臺開發(fā)

張良力， 祝 賀， 王 斌

(武漢科技大學 信息科學與工程學院， 湖北 武漢 430081)

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基于虛擬現實技術的電氣工程專業(yè)實驗平臺開發(fā)

張良力， 祝 賀， 王 斌

(武漢科技大學 信息科學與工程學院， 湖北 武漢 430081)

在分析電氣工程專業(yè)實驗平臺技術特點的基礎上，設計了基于虛擬現實技術的電氣工程專業(yè)實驗平臺，對其內部模塊選配原則、功能劃分和適用性進行詳述。介紹了使用3ds Max構建電力設備模型，利用Irrlicht SDK生成虛擬電力系統環(huán)境的方法及其程序代碼執(zhí)行流程。實施效果表明，新型實驗平臺生成的虛擬電力系統環(huán)境沉浸感較好，運行效率較高。

虛擬現實； 電氣工程實驗平臺； 三維建模； Irrlicht

電氣工程專業(yè)課程教學由課堂教學和實驗教學兩個環(huán)節(jié)組成[1]。課堂教學環(huán)節(jié)多以簡化的二維圖形表示電力系統裝置或器件，與實際應用對象的外形尺寸、內部結構、使用方法有較大差距，要使學生建立“正確識讀、熟練操作、科學防護”等專業(yè)意識比較困難。多媒體教學視頻在一定程度上可彌補用二維圖形表達的不足，但學生只能觀看到電力系統各單元孤立的運行狀態(tài)，且無法對其進行操作。為使實驗教學手段在適用性、經濟性、靈活性等方面達到協調與并進的要求，顯著提升教學效果，筆者提出使用虛擬現實技術構建新型電氣工程專業(yè)實驗教學環(huán)境，并對電氣工程專業(yè)實驗平臺的系統架構、關鍵技術進行探討。

1 實驗平臺技術特點

現有電氣工程專業(yè)實驗平臺以實驗室內擺放的實驗裝置為主體，實驗裝置根據電力系統原理設計，按一定比例縮小并少量使用電力系統真實器件，因此可歸類為物理仿真實驗平臺。物理仿真實驗平臺在使用方法和運行效果方面近似真實電力系統，故成為高等院校電氣工程專業(yè)實驗室建設的首選方案。文獻[2]介紹的EGP系列電力系統供配電實驗平臺、EPL系列電力系統繼電特性及繼電保護實驗平臺，文獻[3]介紹的WDT系列電力系統綜合自動化實驗教學平臺、PS-5G型電力系統微機監(jiān)控實驗平臺等都屬于物理仿真實驗平臺。

使用物理仿真實驗平臺進行實驗教學的優(yōu)勢顯而易見，它的不足之處在于：(1)實驗室前期投入大、建設周期長；(2)實驗室使用期內需專人維護，設備故障率高，利用率受課程進度安排波動較大；(3)實驗平臺設計方案確定后，實驗內容、使用流程亦隨之固定，平臺的功能升級改造困難；(4)實驗設備高度封閉，學生僅能作連線、調節(jié)旋鈕、讀表、記數等簡單操作，不利于學生在實驗中加深對電力設備內部電路結構、保護器件投切動作的理解。

與物理仿真實驗平臺相對應的是“以個人計算機為載體，以應用軟件為后臺支撐”的軟件仿真實驗平臺，如PSS[4]、PSCAD[5]、ANSYS[6]等。此類平臺在安全性、靈活性等方面優(yōu)勢明顯：實驗環(huán)境建設經費投入少、建設周期短，軟件系統可長期使用并可升級；每名學生可獨自用一個實驗平臺進行實驗，且實驗時間不受課程進度影響。

采用仿真軟件開展電氣工程專業(yè)實驗的綜合效益較高，但也有不足：(1)仿真軟件運行的基礎為計算機操作系統，若學生計算機應用能力不強，則實驗操作困難；(2)仿真軟件仍采用簡化的二維圖形表示電力系統裝置或器件，建立的系統模型不直觀且無法操作。

分析發(fā)現，物理仿真實驗平臺與軟件仿真實驗平臺可優(yōu)勢互補。若利用虛擬現實(virtual reality, VR)技術開發(fā)實驗平臺，使之既具有物理仿真實驗平臺的直觀性和可操作性，又具有軟件仿真實驗平臺安全可靠、經濟實用等特點，將對完善電氣工程專業(yè)實驗平臺技術體系，對電氣工程專業(yè)課程教學以及電力系統從業(yè)人員培訓方法改革起到積極的推動作用。

2 虛擬現實技術及適用性分析

虛擬現實是以計算機技術為核心，綜合運用系統仿真技術、圖形圖像技術、傳感器技術、通信技術、人工智能等先進科技生成的具有沉浸感、可進行人機交互的虛擬環(huán)境。目前，VR技術廣泛應用于軍事仿真訓練和民用行業(yè)培訓[7-8]，例如文獻[9]使用高層體系結構(high level architecture, HLA)構建的分布交互式虛擬戰(zhàn)場；文獻[10]使用虛擬現實建模語言(VRML)開發(fā)了變電站仿真培訓系統。使用VR技術開發(fā)三維視景仿真系統可以增強用戶對客觀事物的直觀感受，降低實際耗材購置成本。

基于VR的仿真訓練系統的技術路線為：(1)利用三維建模工具，按視覺效果建立與仿真對象相似的立體模型；(2)利用圖形圖像渲染引擎編寫可執(zhí)行仿真程序并顯示仿真畫面；(3)利用實物操縱機構或圖形用戶接口(graphical user interface, GUI)實現人機互動。

VR技術同樣適用于電氣工程專業(yè)實驗平臺開發(fā)。根據實驗室建設投入以及對虛擬環(huán)境沉浸感需要，將基于VR技術的電氣工程專業(yè)實驗平臺分為兩類：視覺場景漫游平臺和虛擬監(jiān)控中心。

視覺場景漫游平臺與軟件仿真實驗平臺在硬件方面均使用PC機作為軟件運行主體。兩者的區(qū)別在于：視覺場景漫游平臺應用程序畫面不再使用二維簡化圖形表示器件或設備，而是參照真實電力系統設備及其環(huán)境建立三維模型并復原場景，使用GUI、計算機輸入設備(如鼠標、鍵盤等)控制場景漫游路徑、視覺角度、電力設備或器件屬性、系統運行狀態(tài)等參數。

虛擬監(jiān)控中心可視作物理仿真實驗平臺與場景漫游平臺的融合與功能延伸。實驗室按真實的電力系統監(jiān)控中心布置，計算機仿真程序模擬遠端設備與監(jiān)控中心之間的數據交換、處理；數字儀表、故障波形采用圖形化控件實現；遠程監(jiān)控畫面以三維仿真場景通過顯示設備(如點陣屏、液晶顯示器、投影儀等)輸出。

3 電氣工程VR實驗平臺設計

3.1 實驗平臺系統框架

以計算機為核心的電氣工程VR實驗平臺架構如圖1所示，其中包括硬件系統和軟件系統兩大部分。

計算機主機之外的硬件以輸入輸出(input/output,IO)設備為主。標準IO設備包括USB操縱桿、CRT顯示器、音箱，也包括構建虛擬電力系統的執(zhí)行器、顯示設備等。非標準IO設備與計算機主機無法直接連接，需構建信號處理電路將上下行數據進行調理、轉換，利用串行總線實現上下位機數據通信。

用以構建硬件系統的器件、設備選取條件為：(1)使用安全電壓供電，可操作對象均采用低壓器件，若器件輸入電壓額定值仍高于安全電壓值，則需根據動作特征進行電路改造，使其符合安全電壓值適配要求，以保障使用者的安全；(2)輸入輸出采用標準信號，處理電路輸入輸出均調整至標準信號范圍0～5 V或4～20 mA，所選傳感器、變送器、執(zhí)行器的輸入輸出信號也在此范圍內，以減少信號電位值不一致的情況。硬件系統是電氣工程VR實驗平臺供用戶觀察、操作的直接對象，硬件系統設置合理性、運行可靠性決定了所建虛擬電力系統環(huán)境的沉浸感以及使用者接受度。

電氣工程VR實驗平臺軟件系統可分為仿真執(zhí)行程序、素材文件、數據庫平臺3部分。

仿真執(zhí)行程序是電氣工程VR實驗平臺軟件系統的執(zhí)行入口，包含了虛擬電力系統環(huán)境所有情景及其響應，因此也涵蓋了開發(fā)者所有設計思路、仿真模型、解算方法。仿真執(zhí)行程序由開發(fā)者使用計算機編程語言和VR軟件開發(fā)包(software development kit,SDK)編寫代碼并編譯實現。為了快速實現虛擬場景視、聽、光影、動作等效果，SDK提供了圖形渲染、光影特效、聲音觸發(fā)、自由度計算等動態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)文件及其用戶編程接口函數(application programming interface,API)。另外，利用SDK

圖1 電氣工程VR實驗平臺架構

提供的GUI可開發(fā)出生動活潑的人機交互界面。

素材文件是仿真執(zhí)行程序讀取并實施處理的具體對象。電氣工程VR實驗平臺素材文件包括電力系統設備三維場景文件(立體模型、紋理、音頻、粒子等)、初始化參數文件、執(zhí)行腳本文件等。素材文件由多媒體開發(fā)者根據虛擬環(huán)境場景要求設計并實現，存放于計算機外部存儲器的指定文件夾內；仿真執(zhí)行程序執(zhí)行在初始化階段時，將指定文件夾中的素材文件讀入內存，繼而轉化為視聽虛擬場景并顯現。

隨著電力系統虛擬場景的多樣化和精細化，平臺軟硬件數據上下行頻次增加，電氣工程VR實驗平臺內部各類數據文件讀寫、存儲和管理操作必須借助于數據庫平臺實現。軟件系統中，數據庫平臺的功能是：管理素材文件、緩沖軟硬件接口數據、提供仿真執(zhí)行程序接口。數據庫運行參數設置完畢后，軟件系統中的仿真執(zhí)行程序和素材文件可分別開發(fā)更新，互不影響對方進度。

3.2 虛擬電力系統建模

一般意義上的場景建模，僅是從視覺角度對物體進行外形建模，包括物體三維空間尺寸、表面顏色和光澤、擺放位置等。而對VR環(huán)境中的仿真對象，則是針對所有感官建模[11]。例如，從認知角度對開放式變電站常用油浸式配電高壓變壓器建模(見圖2)。

圖2 高壓變壓器3ds Max模型

但是在實際應用中，因磁致伸縮效應，變壓器會產生低頻噪聲和振動。因此，在VR環(huán)境內的變壓器不僅要有外部特征，還應從聽覺、觸覺體現出變壓器的運行狀態(tài)。虛擬變壓器建模對象及其參數如表1所示。

變壓器模型通過素材管理器將三維結構體文件(后綴為3ds、md2、mesh等)、紋理文件(后綴為bmp、jpeg、tga等)、音效文件(后綴為wav、mp3、mod等)進行關聯，供仿真執(zhí)行程序讀取。

表1 虛擬變壓器建模對象及其參數

注：視覺效果來源于顯示器、投影儀；聽覺效果來源于音箱；觸覺效果來源于可觸平臺

3.3 電氣工程VR實驗平臺虛擬環(huán)境生成

電氣工程VR實驗平臺中的虛擬電力系統環(huán)境通過仿真執(zhí)行程序產生。編譯生成仿真執(zhí)行程序的SDK決定了虛擬電力系統環(huán)境的逼真程度與運行效率。常用于生成虛擬環(huán)境的SDK包括開源的OGRE、Crystal Space、Irrlicht以及常用于游戲開發(fā)的NeoEngine、RealmForge、Delta3D等。本文以Irrlicht[12]為例闡述電氣工程VR實驗平臺虛擬環(huán)境生成方法。

開發(fā)者在計算機內安裝Irrlicht SDK完成后，利用Microsoft Visual Studio建立虛擬電力系統環(huán)境仿真執(zhí)行程序C++解決方案。將Irrlicht所提供的靜態(tài)鏈接庫文件(后綴為lib)、API函數所在文件(后綴為h)所在目錄設置于上述解決方案中，實現Irrlicht SDK與編譯環(huán)境之間的關聯。在編譯環(huán)境中利用C++語言調用Irrlicht API，可調用與體驗者沉浸感相關的計算機硬件資源?；贗rrlicht的虛擬電力系統環(huán)境仿真Win32程序代碼執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 虛擬環(huán)境仿真Win32程序代碼執(zhí)行流程

在進入循環(huán)仿真之前，Win32程序任務為“系統初始化”。通過調用createDevice函數創(chuàng)建IrrlichtDevice指針類型設備對象device。創(chuàng)建成功后，可通過device依次創(chuàng)建視頻驅動對象(指針類型，下同)driver、場景管理對象smgr、用戶接口對象guienv。場景管理對象smgr是虛擬電力系統環(huán)境仿真Win32程序中的“指揮棒”。在初始化階段，smgr負責將外部存儲器內的素材文件讀入內存，為場景設置光澤、動畫效果(通過創(chuàng)建IAnimatedMeshSceneNode指針類型對象node并調用相關函數實現)，隨后通過調用addCameraSceneNode函數將用戶視窗以攝像機模式置于場景內。進入循環(huán)仿真后，程序將循環(huán)執(zhí)行相應代碼直至用戶下達中止命令。

首先，driver調用beginScene函數啟動場景繪制資源；其次，smgr根據外設輸入、模型算法、動畫特效等參數變化更新虛擬電力系統環(huán)境中的網格節(jié)點位置與視覺角度等參數，實現虛擬環(huán)境與外部設備輸入之間的聯動，調用drawAll函數繪制更新后的畫面；第三，guienv調用drawAll函數更新圖形化界面及文本；最后，由driver調用endScene函數顯示單幀畫面。Win32程序退出仿真循環(huán)時，由driver調用drop函數回收調用的資源并釋放指針對象。

4 結束語

本文提出的電氣工程VR實驗平臺以沉浸感為主要目標，無論是視覺場景漫游平臺還是虛擬監(jiān)控中心，平臺硬件系統都使用安全電壓以及標準輸入輸出信號(或提供標準信號硬件接口)，并以仿真執(zhí)行程序、素材文件、數據庫平臺作為框架主體，確保平臺軟件開發(fā)的靈活性。平臺中虛擬電力系統建模及虛擬環(huán)境生成取決于三維建模工具與VR-SDK。將VR技術應用于電氣工程專業(yè)實驗平臺開發(fā)，有利于電氣工程專業(yè)的課程教學以及從業(yè)人員培訓方法革新。應用示例表明，采用上述方案構建的平臺軟件系統運行效率較高。

References)

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Development of electrical engineering experimental platform based on virtual reality technology

Zhang Liangli， Zhu He， Wang Bin

(School of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Based on the analysis of technical characteristics of the current electrical engineering experiment platform (EEEP), the virtual reality (VR) technology is proposed to be used for EEEP development, and the suitability of it is discussed. Then, the frameworks of EEEP based on VR are designed, and their inner configuration and software function are described in detail. In an instance, 3D electrical power equipment is modeled with 3ds Max, and a virtual environment with the electrical power system is rendered by an execution compiled by Irrlicht SDK. Effects of the implementation indicate that the new-style EEEP with virtual electrical power system has distinct immersion, and the efficiency of its software is acceptable.

virtual reality； electrical engineering experimental platform； 3D modeling； Irrlicht

2014- 06- 08

國家自然科學基金項目(51308426)；湖北省教育廳科學研究計劃項目(B2013234)資助

張良力(1981—)，男，湖北武漢，博士，副教授，主要研究方向為電力系統及其自動化系統仿真.

E-mail：zhangliangli@wust.edu.cn

TM743;V448.15+3

A

1002-4956(2015)2- 0123- 04