基于VR的電力通訊故障檢修培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳青，胡大煒，楊炳勇，吳超，王治宇

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟烏蘭浩特市 137400）

0 引言

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，是為了綜合利用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)和虛擬環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互，生成一個(gè)逼真的視覺體驗(yàn)場(chǎng)景的技術(shù)，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括環(huán)境搭建、感官體驗(yàn)、技能實(shí)現(xiàn)和傳感設(shè)備交互等方面。環(huán)境的搭建是利用3DMax、UG等三維模型軟件進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，然后生成相應(yīng)的文件格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中搭建出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真虛擬環(huán)境，理想的環(huán)境搭建應(yīng)該達(dá)到讓用戶難辨真假的程度。感官體驗(yàn)是指不僅擁有計(jì)算機(jī)視覺感知，還擁有聽覺，觸覺等感知。技能實(shí)現(xiàn)是指人通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔（HMD）獲得場(chǎng)景的畫面信息，用戶通過輸入指令，計(jì)算機(jī)來處理生成和用戶輸入指令的相適應(yīng)的信息。傳感設(shè)備交互是指三維交互設(shè)備，是用戶利用動(dòng)作捕捉設(shè)備、光學(xué)跟蹤技術(shù)等數(shù)據(jù)傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中的物體或者環(huán)境進(jìn)行交互和感知，達(dá)到較強(qiáng)的仿真體驗(yàn)[1]。

目前對(duì)電力光纖故障檢修操作人員的培訓(xùn)仍停留使用教學(xué)視頻進(jìn)行教學(xué)或者現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)培訓(xùn)等傳統(tǒng)的培訓(xùn)階段。通過教學(xué)視頻進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)，學(xué)員無法獲取實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，只能學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在實(shí)際操作中仍然會(huì)遇到很多問題，并且會(huì)浪費(fèi)學(xué)員大量寶貴時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)操作真實(shí)培訓(xùn)不能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)學(xué)員，培訓(xùn)效率比較低，電力檢測(cè)都是帶電操作，學(xué)員在培訓(xùn)中極易遇到危險(xiǎn)，并且設(shè)備損耗也給企業(yè)浪費(fèi)了大量資金。VR培訓(xùn)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)難以解決的問題，操作人員可以在沒有任何危險(xiǎn)的情況下完成整個(gè)培訓(xùn)操作，并且可以反復(fù)使用，為企業(yè)節(jié)省了許多培訓(xùn)成本[2]。

本文將重點(diǎn)闡述電力通訊故障檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括場(chǎng)景搭建設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，場(chǎng)景搭建設(shè)計(jì)分為室內(nèi)電力光纖檢測(cè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)和室外電力光纖維修場(chǎng)景設(shè)計(jì)。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是基于Unity3D引擎平臺(tái)，利用面向?qū)ο蟮腃#語言編寫腳本實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于VR的電力通信故障檢修培訓(xùn)系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1故障檢修培訓(xùn)系統(tǒng)功能模塊

其中，培訓(xùn)的內(nèi)容在場(chǎng)景中主要以文字界面的形式呈現(xiàn)并帶有語音提示，使操作人員能夠清楚的明白具體的操作步驟，可以減少操作過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。培訓(xùn)的目的是為了使操作人員在虛擬環(huán)境中掌握真實(shí)環(huán)境中的光纖故障檢修的技能，操作的步驟是先在室內(nèi)場(chǎng)景1中查看計(jì)算機(jī)確定線路是否出現(xiàn)問題，然后攜帶檢測(cè)設(shè)備到場(chǎng)景2中進(jìn)行線路檢測(cè)，確定線路損壞的具體位置，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告駕駛維修車攜帶維修設(shè)備去室外場(chǎng)景進(jìn)行維修；檢測(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)模塊主要以演示設(shè)備功能和使用方法為主，操作人員需要在培訓(xùn)人員的指導(dǎo)下切實(shí)掌握檢測(cè)設(shè)備的功能和使用方法。設(shè)備功能和使用方法主要包括五種光纖鉗的具體使用順序和使用方法、切割機(jī)的使用方法、熔接機(jī)的使用方法及光線反射儀的功能，在設(shè)備的操作過程中要切實(shí)掌握操作的要領(lǐng)，以免在復(fù)雜的操作中出現(xiàn)錯(cuò)誤；技能培訓(xùn)模塊是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的核心部分，根據(jù)Unity3D腳本來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的所有功能，操作人員戴上頭盔之后就進(jìn)入了虛擬環(huán)境中，在語音和文字界面的提示下，操作人員能夠按照要求完成光纖故障檢修的所有內(nèi)容，完美地再現(xiàn)了真實(shí)操作中的具體步驟。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以讓操作人員進(jìn)行無限次數(shù)的操作訓(xùn)練，不僅增加了操作人員的熟練度，還可以減少培訓(xùn)資金。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了系統(tǒng)設(shè)置報(bào)錯(cuò)和提醒功能，能夠讓操作人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)操作過程中的錯(cuò)誤，以至于能夠及時(shí)改正。

2 基于Unity3D的場(chǎng)景搭建設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域離不開三維大規(guī)模場(chǎng)景的建立，而場(chǎng)景的建立又與3DMax、Maya等基礎(chǔ)的三維建模工具密不可分。本項(xiàng)目選用3DMax 2017建模軟件進(jìn)行三維模型的建立，然后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建。

圖2建模流程圖

首先，在培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)物數(shù)據(jù)采集，準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的尺寸大小以便于在后期的模型制作中建立同等大小的物體模型，并切要在現(xiàn)場(chǎng)取景拍照，利于計(jì)算機(jī)技術(shù)制作出和實(shí)際場(chǎng)景模型表面圖形一致的貼圖；然后根據(jù)已有的實(shí)物數(shù)據(jù)和實(shí)物圖像建立三維模型，在建立三維模型時(shí)要根據(jù)動(dòng)畫渲染的要求來建立滿足實(shí)際要求的三維模型，這些模型通常都要實(shí)現(xiàn)自己獨(dú)特的功能，所以模型建立時(shí)必須考慮物體的獨(dú)特性采取適合實(shí)物的建模方式；最后導(dǎo)出.fbx格式的文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和渲染，使其和實(shí)物模型完全一致，最好能夠達(dá)到以假亂真的效果。具體導(dǎo)出流程如圖3所示。

圖3模型建立流程圖

場(chǎng)景搭建設(shè)計(jì)包括室內(nèi)場(chǎng)景搭建和室外場(chǎng)景搭建，室內(nèi)場(chǎng)景搭建又分為電腦報(bào)警查詢場(chǎng)景和光纖連接檢測(cè)場(chǎng)景搭建。兩個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景的搭建是聯(lián)通的以便于查詢報(bào)警后立刻能夠去檢測(cè)。電腦報(bào)警查詢場(chǎng)景搭建比較簡(jiǎn)單，操作人員進(jìn)入室內(nèi)通過操作電腦，電腦顯示線路是否連接，如果連接失敗進(jìn)入第二個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行光纖連接檢測(cè)。光纖連接檢測(cè)場(chǎng)景搭建比較復(fù)雜，設(shè)備比較繁多，不僅要考慮設(shè)備位置擺放的合理性，還要考慮室內(nèi)場(chǎng)景的美觀性。室外場(chǎng)景搭建包括檢修車道路行駛場(chǎng)景和光纖熔接維修場(chǎng)景搭建。檢修車道路行駛場(chǎng)景搭建主要是維修設(shè)備的裝卸，光纖熔接維修場(chǎng)景搭建主要是各種維修設(shè)備的擺放和維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建各種場(chǎng)景的搭建都要按著和實(shí)際場(chǎng)景1:1的比例來進(jìn)行模擬環(huán)境搭建，盡可能搭建出人眼難以辨別真假的虛擬場(chǎng)景。

3 基于Unity3D的程序設(shè)計(jì)

電力檢測(cè)操作培訓(xùn)系統(tǒng)是基于Unity3D引擎平臺(tái)，利用面向?qū)ο蟮腃#語言編寫腳本實(shí)現(xiàn)的，程序設(shè)計(jì)中包括場(chǎng)景類圖和實(shí)體類圖，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的場(chǎng)景類圖如圖4所示。

圖4面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)場(chǎng)景類圖

程序中所有場(chǎng)景類都繼承了ISceneManger父類，在場(chǎng)景類圖中，有三個(gè)場(chǎng)景管理器，分別對(duì)程序中的三個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行控制，初始化以及回收實(shí)體等。

圖5面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)體類圖

實(shí)體類都繼承了AEnity父類，且由實(shí)體管理器EnityManger類進(jìn)行管理，這些類中聲明了程序中用到的方法和屬性。

在實(shí)體類圖中，基類AEntity中定義了實(shí)體的創(chuàng)建、初始化，及銷毀的方法；各個(gè)繼承該類的實(shí)體類均可以繼承重寫這些方法；在實(shí)體類圖中，還有各種實(shí)體的類，它們中各自定義了自身的屬性和需要使用的方法，例如：門的類：Door類中有開門的方法（Open（））和關(guān)門的方法（Close()）；光時(shí)域反射儀的類：OTDR類中有屬性接口（port）以及使用OTDR的方法（Test）等。

面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)類圖利用C#編寫腳本實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)交互功能：

（1）利用手柄實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)中UI界面的交互：用戶可通過按下手柄的Trigger鍵發(fā)射射線與系統(tǒng)中的提示UI、菜單、以及各種儀器的操作界面進(jìn)行交互。

（2）對(duì)物體抓取和觸碰進(jìn)行交互：用戶可以通過按下手柄的Grab鍵抓取物體實(shí)現(xiàn)使用光時(shí)域反射儀（OTDR）檢測(cè)故障時(shí)光纖的連接、剝光纖時(shí)對(duì)各種鉗子的拿取，以及對(duì)熔接光纖時(shí)對(duì)光纖的拿取等；

（3）按下手柄觸摸板進(jìn)行移動(dòng)：用戶在系統(tǒng)內(nèi)可以通過按下手柄的Touch面板進(jìn)行前后左右的移動(dòng)。

系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了如下的告警功能：

（1）在使用光時(shí)域反射儀（OTDR）檢測(cè)故障時(shí)，連接OTDR和機(jī)柜的線需要按順序插，如果插錯(cuò)，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警聲音。

（2）在使用鉗子對(duì)光纖剝層時(shí)，必須按順序使用鉗子對(duì)光纖剝層，如果拿錯(cuò)鉗子，系統(tǒng)語音提示拿取錯(cuò)誤。

（3）在熔接光纖時(shí)，如果光纖沒有進(jìn)行切割或者沒有擦拭，以及擦拭不干凈，熔接機(jī)系統(tǒng)界面會(huì)出現(xiàn)熔接失敗界面，此時(shí)應(yīng)重新切割或擦拭。

4 結(jié)語

首先根據(jù)光纖熔接具體要求規(guī)范操作流程，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)，確定對(duì)光纖、光纜剪、光纖熔接機(jī)、檢測(cè)儀器等利用3DMax軟件進(jìn)行三維建模與渲染，之后在Unity3D軟件上編程實(shí)現(xiàn)光纖熔接的每一個(gè)步驟，結(jié)合HTC VIVE頭顯設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信檢修人員的光纖熔接培訓(xùn)，將虛擬現(xiàn)實(shí)與工業(yè)具體實(shí)例化操作相結(jié)合，解決了企業(yè)當(dāng)前針對(duì)電網(wǎng)檢修人員培訓(xùn)難的難題，滿足了企業(yè)需求。