基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)變電站教學(xué)系統(tǒng)研究*

李長(zhǎng)江，侯永剛，王大虎

(河南天通電力有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

目前變電站運(yùn)維人員培訓(xùn)方式主要有3種,即課堂教學(xué)、投資修建基地和桌面式仿真系統(tǒng)。課堂教學(xué)內(nèi)容枯燥，培訓(xùn)效果差；投資修建實(shí)訓(xùn)基地培訓(xùn)效果好，但成本高，更新慢;桌面式仿真系統(tǒng)成本低，但用戶(hù)沉浸感差。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)是通過(guò)各種硬件，如立體投影、頭盔顯示器等設(shè)備，把視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，利用空間位置跟蹤器、動(dòng)作捕捉等輸入設(shè)備，使得參與者完全投入一個(gè)更為逼真、可交互沉浸式虛擬環(huán)境[1]。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)變電站故障仿真系統(tǒng)引入沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可讓學(xué)員通過(guò)沉浸式設(shè)備，完全置身于虛擬場(chǎng)景中，并可以操縱場(chǎng)景中的電氣設(shè)備，帶來(lái)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)感、沉浸感，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)效率[2]；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以變電站一次設(shè)備為仿真主體，將一次設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行三維展示，做到理論與實(shí)踐結(jié)合，提高學(xué)員掌握變電站基礎(chǔ)知識(shí)能力；系統(tǒng)采用C#編程和FSM(圖形化編程方式)相結(jié)合的形式，減小了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，縮短了研發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可移植性、可擴(kuò)展性也得到保障[3]。因此,設(shè)計(jì)出沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)變電站一次設(shè)備教學(xué)仿真系統(tǒng)是對(duì)促進(jìn)變電站培訓(xùn)的一項(xiàng)改革，可加快培訓(xùn)系統(tǒng)升級(jí),對(duì)貫徹以人為本的技術(shù)宗旨具有重大的實(shí)際意義。

1994年華北電力大學(xué)在國(guó)內(nèi)曾首次成功開(kāi)發(fā)純軟件方式的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[4],該系統(tǒng)采用平面抽象符號(hào)的形式表達(dá)變電站的邏輯關(guān)系，抽象不直觀，尤其對(duì)于初學(xué)者入門(mén)門(mén)檻高。2016年期間出現(xiàn)了大量的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用報(bào)道，但這些系統(tǒng)由于沉浸感不強(qiáng)，都沒(méi)有在系統(tǒng)內(nèi)推廣和普及[5],學(xué)員培訓(xùn)效果和目標(biāo)達(dá)成度不好,有些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜龐大，讓初學(xué)者學(xué)習(xí)壓力激增。多年的虛擬仿真教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出,如何把入門(mén)級(jí)的知識(shí)要點(diǎn)形象地進(jìn)行展現(xiàn)，對(duì)提高培訓(xùn)效果相當(dāng)重要。為此本文首先選擇從變電站一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理為出發(fā)點(diǎn)，著重開(kāi)發(fā)針對(duì)初學(xué)者的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，將抽象難懂的書(shū)本知識(shí)變成場(chǎng)景逼真的三維場(chǎng)景，讓學(xué)員能快速掌握變電站知識(shí)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)仿真對(duì)象為河南平煤集團(tuán)正在運(yùn)行的謝莊變電站，該變電站是一座110 kV的變電站，主要擔(dān)負(fù)著11個(gè)廠礦的供電任務(wù)。供電主回路為3條，主備用供電線(xiàn)路1條。35 kV電壓等級(jí)現(xiàn)有饋出回路9條，6 kV電壓等級(jí)現(xiàn)有饋出回路11條。3臺(tái)主變壓器的容量分別為63 kVA、20 kVA、63 kVA，其中2臺(tái)63 kVA的1#、2#主變和20 kVA容量的3#主變?yōu)闉檫\(yùn)行狀態(tài)。日平均負(fù)荷為87 kVA左右，月最高負(fù)荷近110 kVA。

整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以各種專(zhuān)業(yè)性軟件為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的關(guān)鍵技術(shù)，選擇支持該功能的軟件，綜合各個(gè)軟件的特性，完善系統(tǒng)功能。在沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路可劃分為3步：素材的處理以及模型的準(zhǔn)備、交互功能的開(kāi)發(fā)、沉浸式培訓(xùn)的實(shí)現(xiàn)。素材以及三維模型是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，是交互仿真的前提條件，交互功能的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)仿真的核心，沉浸式培訓(xùn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的，主要是綜合各個(gè)模塊的功能達(dá)到想要的效果。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括，三維建模、三維交互引擎技術(shù)等。

2.1 三維建模技術(shù)

在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，虛擬場(chǎng)景模型的建立主要通過(guò)各種建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用3DMax進(jìn)行建模。如圖2所示建模過(guò)程中，首先要進(jìn)行資料收集，本文以變電站故障仿真為研究對(duì)象，要建立的模型主要有變電站設(shè)備、場(chǎng)景以及故障的三維模型，故而應(yīng)收集與變電站相關(guān)的圖片素材、技術(shù)資料以及教學(xué)視屏等作為變電站建模的依據(jù)；在明確建模對(duì)象的相關(guān)參數(shù)后，要確定模型間的關(guān)系，根據(jù)Unity3d交互的要求建立模型的父子關(guān)系，依據(jù)實(shí)物的物理特征判定模型的層級(jí)關(guān)系，模型是實(shí)物在三維場(chǎng)景中的映射，故而實(shí)物的尺寸決定了三維場(chǎng)景中模型的比例關(guān)系;與此同時(shí)，可以利用收集到的素材作為模型的材質(zhì)和貼圖，由于場(chǎng)景中主要是變電站設(shè)備，故而設(shè)備材質(zhì)以鋼鐵材質(zhì)為主;貼圖的好壞將反映模型最終所呈現(xiàn)的視覺(jué)效果，其中為使模型更具真實(shí)感,采用的貼圖方式有：凹凸貼圖、漫反射貼圖、法線(xiàn)貼圖、衰減貼圖等；在確定模型關(guān)系以及制作好模型材質(zhì)與貼圖后，在3DMax軟件內(nèi)建立三維模型，賦予模型材質(zhì)與貼圖，并將模型擺放到變電站三維場(chǎng)景中，給場(chǎng)景添加燈光、陰影效果，讓其更貼近真實(shí)場(chǎng)景；最后對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的模型以.fbx文件和動(dòng)畫(huà)序列幀的形式進(jìn)行輸出。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案圖

圖2 系統(tǒng)建模流程圖

以電壓互感器為例對(duì)于建模進(jìn)行分析。電壓互感器主要由一、二次線(xiàn)圈、鐵芯、絕緣組成，此次仿真過(guò)程中電壓互感器為電容式電壓互感器，其實(shí)物與三維模型對(duì)比如圖3所示。

(a)實(shí)物

(b)三維模型

在建立電壓互感器三維模型的過(guò)程中，根據(jù)其在變電站中所屬形態(tài)將其劃分為3個(gè)部分進(jìn)行建模。下部的支架部分主要由圓柱體和長(zhǎng)方體構(gòu)成，可以采用基礎(chǔ)建模法進(jìn)行建模，選取長(zhǎng)方體、圓柱體為建模基本體，通過(guò)縮放、鏡像等命令來(lái)實(shí)現(xiàn)；中部的接線(xiàn)盒通過(guò)將兩個(gè)長(zhǎng)方體按比例縮放組合而成；上部的鐵芯和絕緣體通過(guò)將圓柱體轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形，在點(diǎn)、線(xiàn)、面、元素4個(gè)層級(jí)下，通過(guò)擠出、倒角、縮放、塌陷等命令編輯而成。電壓互感器建模如圖4所示。其他變壓器、電容器、電抗器、隔離開(kāi)關(guān)等的建模方法類(lèi)似。

圖4 電壓互感器建模圖

2.2 三維交互引擎技術(shù)

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外用作三維交互開(kāi)發(fā)的主流軟件有：Unreal4、Unity3d、Virtools、Quest3d等,綜合設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，本設(shè)計(jì)選用Unity3d引擎進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮設(shè)計(jì)成本、系統(tǒng)面向?qū)ο笠约坝脩?hù)體驗(yàn)效果等各方面因素，選擇外接式頭戴設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在外接式頭戴設(shè)備中HTC vive是運(yùn)用較廣，用戶(hù)反饋較好的沉浸式設(shè)備，故而系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇HTC vive作為VR設(shè)備進(jìn)行沉浸式功能開(kāi)發(fā)。

通過(guò)HTC vive設(shè)備與Unity3d軟件對(duì)接，可將學(xué)員映射到變電站三維場(chǎng)景中，并與場(chǎng)景中的設(shè)備模型以及故障模型進(jìn)行交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變電站的沉浸式仿真開(kāi)發(fā)；PC機(jī)是系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的載體，PC機(jī)的硬件配置決定了場(chǎng)景的分辨率、系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及學(xué)員的最終體驗(yàn)效果。

HTC vive硬件平臺(tái)的主要設(shè)備。

為使HTC vive設(shè)備正常工作，需以一定的順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行安裝，確保各個(gè)環(huán)節(jié)正確、有效地運(yùn)行。HTC vive設(shè)備安裝可分為四步，具體流程如圖5所示。

圖5HTCvive設(shè)備安裝流程圖

實(shí)現(xiàn)VR設(shè)備與PC機(jī)間的通信，需要對(duì)其進(jìn)行軟件配置。Steam VR是為HTC vive設(shè)備進(jìn)行沉浸式仿真而專(zhuān)門(mén)構(gòu)建的軟件平臺(tái)，該平臺(tái)可以讓HTC vive設(shè)備與PC機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作，并可選擇相應(yīng)的體驗(yàn)方式。為使Unity3d里的變電站場(chǎng)景能進(jìn)行沉浸式仿真，需對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行Unity VR配置，使Unity3d軟件通過(guò)中間平臺(tái)Steam VR與HTC vive設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)沉浸式仿真功能。

在Unity3d場(chǎng)景中使用Steam VR插件時(shí)，要充分利用Asset->SteamVR資源包下的[CameraRig]和[SteamVR]預(yù)制體。在場(chǎng)景開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將兩預(yù)制體拖拽到Unity3d軟件的Hierarchy面板中，即可實(shí)現(xiàn)Unity3d與HTC vive設(shè)備的對(duì)接，進(jìn)而完成沉浸式功能開(kāi)發(fā)。如圖6所示。

圖6 [CameraRig]和[SteamVR]預(yù)制

用HTC vive設(shè)備構(gòu)建沉浸式仿真的硬件平臺(tái)后，具體交互功能開(kāi)發(fā)在Unity3d中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)從變電站總體入手，通過(guò)學(xué)員第一視覺(jué)認(rèn)識(shí)變電站的整體構(gòu)造、工作機(jī)理等；再到局部細(xì)節(jié)介紹，包括各個(gè)設(shè)備的具體組成、運(yùn)行原理等；而后通過(guò)調(diào)用開(kāi)發(fā)出的視屏展示模塊，以三維動(dòng)畫(huà)的形式介紹變電站相關(guān)知識(shí)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)軟件安裝和硬件設(shè)置后，進(jìn)入仿真選擇界面，該界面將系統(tǒng)劃分為3個(gè)模塊：視頻教學(xué)模塊、虛擬實(shí)操模塊以及考核系統(tǒng)模塊。在視頻教學(xué)模塊中，以鞏固學(xué)員變電站基礎(chǔ)知識(shí)為目的，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)的形式，提升學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，縮短學(xué)習(xí)周期；在虛擬實(shí)操模塊中，學(xué)員利用HTC vive設(shè)備，在虛擬場(chǎng)景中獲得現(xiàn)實(shí)變電站體驗(yàn)效果，通過(guò)視頻教學(xué)、沉浸式漫游、沉浸式設(shè)備交互等環(huán)節(jié)，提升學(xué)員專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)以及變電站故障處理能力。變電站仿真選擇界面如圖7所示。

圖7 變電站仿真選擇界面圖

1)沉浸式漫游。學(xué)員點(diǎn)擊虛擬實(shí)操按鈕進(jìn)入沉浸式仿真環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)分為沉浸式漫游、沉浸式設(shè)備交互以及沉浸式故障處理3個(gè)模塊。學(xué)員選擇沉浸式漫游模塊，戴上HTC vive設(shè)備，即可身處變電站虛擬三維場(chǎng)景中，通過(guò)HTC手柄實(shí)現(xiàn)學(xué)員在變電站場(chǎng)景中的漫游以及瞬移控制。在變電站場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行沉浸式漫游仿真體驗(yàn)如圖8所示。

圖8 變站沉浸式漫游體驗(yàn)圖

2)沉浸式設(shè)備交互。為使學(xué)員對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備有更為直觀的認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)仿真過(guò)程中加入了沉浸式設(shè)備交互模塊。該模塊在沉浸式漫游場(chǎng)景的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，將需要進(jìn)行展示的設(shè)備模型單獨(dú)成組，如變壓器、操作柜、隔離開(kāi)關(guān)等器件，并給各個(gè)模型添加碰撞檢測(cè)組件，當(dāng)學(xué)員通過(guò)HTC手柄發(fā)出射線(xiàn)照射至模型碰撞器時(shí)，界面跳轉(zhuǎn)至該模型的交互場(chǎng)景,學(xué)員在該場(chǎng)景中，通過(guò)手柄選擇模型的展示方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)、拆裝，鏡頭的拉遠(yuǎn)、拉近等操作。

4 結(jié)論

以沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為宗旨，以三維建模技術(shù)、三維交互技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、沉浸式仿真技術(shù)等為橋梁，開(kāi)發(fā)了集虛擬實(shí)操模塊、視屏教學(xué)模塊為一體的沉浸式仿真系統(tǒng)。將沉浸式仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)的變電站仿真系統(tǒng)中，該系統(tǒng)集三維可視化、沉浸式教學(xué)、視頻展示于一體；系統(tǒng)功能齊全，可移植性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性強(qiáng)；采取沉浸式技術(shù)，為學(xué)員體驗(yàn)帶來(lái)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)感、沉浸感；激發(fā)學(xué)員興趣,以故障仿真為主，彌補(bǔ)以往仿真系統(tǒng)不足；引入考核系統(tǒng)，完善系統(tǒng)考評(píng)機(jī)制，為學(xué)員學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)提供依據(jù)。