基于VR技術(shù)的變電站運維檢修培訓(xùn)系統(tǒng)

范志遠(yuǎn)

【摘?要】經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人們對電能的需求也逐漸增加。變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運行的安全對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定非常重要。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬化現(xiàn)實技術(shù)逐漸滲透到變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)中。本文就基于VR技術(shù)的變電站運維檢修培訓(xùn)系統(tǒng)展開探討。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實;變電站;運維檢修

引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新時代的先進(jìn)技術(shù)，也得到了愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，而這種技術(shù)簡單來講就是通過精確的三維場景與邏輯模擬，使現(xiàn)實中的相關(guān)事物再現(xiàn)。尤其是對于智能變電站的運維培訓(xùn)系統(tǒng)來講，其不僅能幫助受訓(xùn)者在安全的環(huán)境下，進(jìn)行相關(guān)知識學(xué)習(xí)與設(shè)備使用練習(xí)，使各類風(fēng)險盡可能降到最低，還能夠科學(xué)有效地降低成本預(yù)算，提升學(xué)習(xí)與保留率，總體來講利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在培訓(xùn)教學(xué)中的必要性

近年來，國網(wǎng)公司對電網(wǎng)調(diào)度運行和設(shè)備運檢人員的實訓(xùn)高度重視，主要采用傳統(tǒng)的調(diào)控一體化數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、變電站數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、基于真實設(shè)備的實訓(xùn)環(huán)境、基于多媒體的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等方式對相關(guān)人員有效地開展了技能培訓(xùn)、考核及鑒定。隨著培訓(xùn)業(yè)務(wù)的增加，傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)的不足之處也日漸凸顯?；谡鎸嵲O(shè)備的實訓(xùn)方式存在占地面積大，投資費用高，有些設(shè)備難以或無法拆解，學(xué)員無法深入了解與學(xué)習(xí)內(nèi)部構(gòu)造、運行機(jī)理，無法疊加培訓(xùn)信息以及異常、故障的現(xiàn)象，設(shè)備容易損壞，無法同時支持大量學(xué)員同時開展實訓(xùn)，可擴(kuò)展性低、費用高等問題。因此，迫切需要利用當(dāng)前最新的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究成果和交互設(shè)備，構(gòu)建具有高度沉浸感的變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電站電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、環(huán)境場景以及虛擬人等的建模與仿真，進(jìn)行倒閘操作、事故處理、日常巡視和運行維護(hù)工作的真實演示和互動操作?；诙嗝襟w和虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的培訓(xùn)方式具備培訓(xùn)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化，重復(fù)利用性高，最大程度模擬真實環(huán)境，可單兵訓(xùn)練，也可以集體協(xié)同訓(xùn)練，并能支撐大量學(xué)員同時開展培訓(xùn)等特點。結(jié)合已建設(shè)智能變電站實訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建真實場景與虛擬信息“虛實融合”的培訓(xùn)情境，可以全面提升變電設(shè)備運維培訓(xùn)的學(xué)習(xí)、認(rèn)知及培訓(xùn)效果。

2 系統(tǒng)需求

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是一種計算機(jī)仿真系統(tǒng)，它可構(gòu)建出虛擬世界，并讓人體驗到現(xiàn)實世界與虛擬世界相同的環(huán)境，這種模擬環(huán)境具有交互式動態(tài)效果，旨在消除用戶與計算機(jī)系統(tǒng)之間的交互障礙。虛擬現(xiàn)實可以分為兩類：基于桌面的非沉浸式VR和沉浸式VR。沉浸式虛擬現(xiàn)實需要頭戴式顯示器、跟蹤系統(tǒng)、交互設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套或操縱桿，以及先進(jìn)的可視化系統(tǒng)，如CAVE自動虛擬環(huán)境。這些特殊的接口設(shè)備將用戶與物理世界隔離，并提供更深層次的臨場感和沉浸感。基于非沉浸式桌面的VR是最常見和最便宜的VR形式，它通常由用于可視化的標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)屏幕和用于交互的常用輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)、鍵盤和操縱桿）組成。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法要求工人離開工作崗位，前往有時遠(yuǎn)離工作地點的特殊培訓(xùn)中心進(jìn)行集中學(xué)習(xí)，這樣不僅影響日常工作，還增加培訓(xùn)成本。因此，尋找新的創(chuàng)新的勞動力培訓(xùn)技術(shù)有更高的動機(jī)和要求。以下是最重要的幾點：第一，無需出差就能融入工作環(huán)境培訓(xùn)系統(tǒng);第二，適應(yīng)不同技能水平的適應(yīng)性培訓(xùn)方法;第三，全國范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化勞動力培訓(xùn)程序;第四，公司可隨時隨地使用的靈活培訓(xùn)系統(tǒng);第五，公平評估根據(jù)能力認(rèn)證工人的知識。據(jù)上述需求，基于虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的模擬培訓(xùn)顯示出潛力，它提供了一種方法，將勞動力培訓(xùn)的現(xiàn)代需求和前面提到的必備條件整合到一個單一的應(yīng)用程序中，并擁有以下優(yōu)勢：第一，提供使用3D環(huán)境吸引用戶注意力的機(jī)會;第二，允許對對象進(jìn)行近距離檢查，可以更準(zhǔn)確地說明某些功能;第三，允許受訓(xùn)者按照自己的速度進(jìn)行程序;第四，提供多層次的互動，鼓勵參與而不是被動;第五，允許受訓(xùn)者探索否則將無法接觸或危險的工具和設(shè)備。

3 虛擬現(xiàn)實變電站的功能

3.1Unity3D

采用Unity3D引擎進(jìn)行變電站的功能開發(fā)，Uni-ty3D引擎功能非常強(qiáng)大，含有大量的插件，能夠補充自身所存在的缺陷，開發(fā)的環(huán)境逼真，有較高的靈活度。變電站中的電氣設(shè)備的參數(shù)信息以及結(jié)構(gòu)原理都需要工作人員進(jìn)行掌握，根據(jù)場景的基本功能實現(xiàn)設(shè)備的學(xué)習(xí)以及故障的培訓(xùn)等內(nèi)容，相比其他培訓(xùn)系統(tǒng)而言，虛擬現(xiàn)實仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能在建模的過程中隨時刪除內(nèi)部的點面，并利用Unity3D進(jìn)行消隱以及貼圖的功能，以此提高系統(tǒng)的運行速度，真實感得到明顯提高，實現(xiàn)人機(jī)之間的交互，并利用計算機(jī)與虛擬設(shè)備，實現(xiàn)兩者的同步運行，能夠通過鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行基本的操作，也可以利用頭盔和手柄進(jìn)行控制。

3.2變電站三維場景模擬

虛擬變電站模型的搭建由三維建模和真實化處理兩部分構(gòu)成，三維模型是系統(tǒng)的前提基礎(chǔ)，真實化處理是獲取沉浸感的必要條件之一。三維建模是變電站三維場景在VR技術(shù)中的精確體現(xiàn)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可操作性和虛擬場景的真實效果。同時也應(yīng)考慮到精確建模導(dǎo)致的內(nèi)存增加、畫質(zhì)不流暢等問題，所以建模時適當(dāng)舍棄一定的真實度，采用輕量化建模技術(shù)。將虛擬變電站的場景導(dǎo)入到工程中，為VR技術(shù)的研究打好基礎(chǔ)，生成的虛擬變電站的三維場景。真實化處理是為確?；赩R技術(shù)設(shè)計的虛擬變電站三維場景可以真實、有效地反應(yīng)出變電站運行狀態(tài)，主要包括賦予模型材質(zhì)和貼圖以及設(shè)置燈光等操作。材質(zhì)、貼圖是顯示變電站三維模型設(shè)備的表面紋理，增強(qiáng)細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的主要手段。為使場景中模型的整體效果更為逼真還需進(jìn)行打燈操作，根據(jù)模型在實際環(huán)境中的亮度、陰影效果等。

3.3漫游巡視

三維場景漫游技術(shù)能為學(xué)員提供設(shè)備巡視與場景故障處理的練習(xí)機(jī)會，其中以箱柜門打開與閉合、隔離開關(guān)以及倒閘操作等為例的動畫極多，這不僅是確保用戶沉浸感與體驗感增強(qiáng)的關(guān)鍵，也是學(xué)員身臨其境巡視變電站的重要平臺，對其全面了解變電站構(gòu)造或者是現(xiàn)場故障分析與處理模擬等十分有幫助。

3.4虛擬變電站故障仿真

靜態(tài)故障模擬的方式，主要是通過對程序進(jìn)行控制，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)箱門沒有上鎖，通過RotateAround函數(shù)進(jìn)行實現(xiàn)，機(jī)箱未鎖結(jié)構(gòu)圖。在Unity3D中實現(xiàn)動態(tài)仿真，通過引擎系統(tǒng)中的粒子系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)備著火情況，如果并聯(lián)電抗器出現(xiàn)著火情況，需要在模型上設(shè)置粒子系統(tǒng)，并制作火焰，使模型出現(xiàn)冒煙著火的情況，更改設(shè)備的貼圖模擬設(shè)備著火后的現(xiàn)象，通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)實現(xiàn)著火現(xiàn)象。

3.5適合的交互工具

首先，學(xué)員在智能變電站場景內(nèi)漫游期間，需合理交互場景中的相關(guān)設(shè)備，在運維操作訓(xùn)練中，學(xué)員應(yīng)根據(jù)具體的操作內(nèi)容，靈活選擇諸如電腦鑰匙、手電、紅外測溫儀、萬用表等多種類型的設(shè)備，尤其在基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)中，良好的操作方式是實現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵。同時，考慮到VR市場目前的整體情況，相關(guān)人員在設(shè)計系統(tǒng)時也要選擇最合適的設(shè)備，通常情況下需準(zhǔn)備一個頭戴式顯示器以及兩個單手持控制器，以及能同時展開顯示器與控制器追蹤的定位系統(tǒng)。

結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了場景漫游、技能訓(xùn)練、測試分析和信息查詢的關(guān)鍵內(nèi)容。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入電力系統(tǒng)運維檢修培訓(xùn)，在保證培訓(xùn)效果的基礎(chǔ)上，大大節(jié)省教學(xué)成本，對提高電力運維檢修的效果以及保證電力系統(tǒng)的安全具有至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司）