VR技術在變電站技能培訓中的應用

俞云+黃鑫

摘 要

基于VR技術的變電站技能培訓通過虛擬現(xiàn)實技術的應用，構造變電站三維模型、虛擬觸控、3D實景操作等一系列實用場景，實現(xiàn)虛實結合、人機交互的變電站操作技能培訓與考核。本文通過對變電站的日常維護流程與培訓考核進行研究，采用信息融合技術，將各種數(shù)據(jù)信息在可視化載體上進行綜合展現(xiàn)，全面輔助業(yè)務人員對變電站日常操作與設備維護進行實時培訓與考核。

【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實 變電站 虛實交互 考核分析

1 引言

隨著電網規(guī)模越來越大，結構越來越復雜，變電站數(shù)量越來越多，電網對變電站的維護與日常操作的工作量越來越大。現(xiàn)有變電站仿真培訓系統(tǒng)難以使得維護人員快速掌握技能，因此需要在現(xiàn)有仿真培訓系統(tǒng)的基礎上，通過對變電站設備如變壓器、母線、刀閘等進行3D建模，模擬變電站仿真運行，實現(xiàn)變電站各種運行工況展示及日常維護操作，模擬變電站故障定位及事故處理，培訓學員通過頭盔顯示器和操作手柄等交互設備，實現(xiàn)與3D虛擬現(xiàn)實變電站場景設備的操作交互功能，改善培訓效果，從而有利于較快提升變電站設備維護人員技能。

2 虛擬培訓系統(tǒng)結構

虛擬變電站技能培訓系統(tǒng)能模擬變電站正常、異常和故障時的各種工況及操作過程，如工器具的檢查、變電站日常巡視、操作票的流程與操作、事故處理等。例如在虛擬變電站內，受訓人員按照操作票的內容進行操作，VR系統(tǒng)將會判斷受訓人員的每一步操作是否符合操作要求，同時變電站設備將根據(jù)操作進行正確反應，這樣，模擬操作的過程和結果就與實際現(xiàn)場基本一致了。

一個完整的三維交互系統(tǒng)主要包括設備建模、場景建模、場景交互這三個部分。將采用3DS MAX、Maya等專業(yè)三維建模軟件來進行設備和場景的建模。由于電力仿真中需要模擬設備的狀態(tài)和缺陷，并且要完成場景切換、設備操作等功能，因此實現(xiàn)的三維交互系統(tǒng)提供了設備編輯器來輔助設備建模。它主要包括了以下幾個模塊：

（1）虛擬變電站對于用戶是可見的，用戶可以直接在其中模擬各種操作。

（2）建立變電站的一次設備及其操作機構、自動化裝置及系統(tǒng)等的詳細模型。

（3）在構建的虛擬變電站中，使用工器具、工作票許可、操作票培訓與事故處理等，操作設備，改變設備狀態(tài)，驗證VR技術在變電站技能培訓中的效果。

3 虛擬培訓系統(tǒng)設計

3.1 設計思路

由于該系統(tǒng)是一套完整的基于VR的人機交互培訓系統(tǒng)，第一步工作是要把整個變電站場景模擬出來。采用3dsmax軟件做出一個完整的變電站模型，采用unity3D引擎把美工做的模型表現(xiàn)出。

第二步的工作是實現(xiàn)在虛擬的場景里進行模擬現(xiàn)實的操作。即把變電站標準化，實現(xiàn)對變電站的日常巡視工作、檢查工具與設備、操作設備與更換操作等，方便工作人員施工前和新員工的培訓與考核。

3.2 三維引擎

本系統(tǒng)使用Unity3D三維引擎，滿足三維仿真的基本要求。主要內容包括：基本對象表現(xiàn)、模型導入、圖片導入、碰撞檢測、燈光、材質和紋理、粒子系統(tǒng)、公告牌、天空體和天空盒、BSP和視景體裁剪（用以提高渲染效率）、動態(tài)圖像序列（實現(xiàn)閃電、流水等效果）。

3.3 人機交互

人機交互是三維模擬培訓系統(tǒng)最重要的一個部分。通過將場景文件導入unity3D實現(xiàn)場景的顯示，用戶可以自由的瀏覽場景，實現(xiàn)人機的交互。在unity3D中，場景中的設備都具有標準規(guī)格，操作人員可以從各個角度對設備進行觀察。特別是新員工可以通過場景的漫游使其對變電站有更加深刻的了解，增強了培訓的真實感。

4 具體實施方式

4.1 三維建模

3D建模通俗來講就是通過三維制作軟件通過虛擬三維空間構建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。通過maya，3Dmax等軟件，根據(jù)真實的變電站場景，進行標準的三維建模，實現(xiàn)變電站的標準化改造和虛擬的場景漫游。

4.2 碰撞檢測

需要檢測到碰撞現(xiàn)象，即碰撞檢測。首先，在unity3d中，能檢測碰撞發(fā)生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。這兩種方式的應用非常廣泛。碰撞器是一群組件，它包含了很多種類，比如：Box Collider，Capsule Collider等，這些碰撞器應用的場合不同，但都必須加到GameObjecet身上。

4.3 VR頭顯

VR頭顯是一種利用頭戴式顯示設備將人的對外界的視覺、聽覺封閉，引導用戶產生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息后在腦海中產生立體感。

4.4 手柄操作

通過手柄選擇與操作場景中的設備是人機交互系統(tǒng)必不可少的功能，在unity3d中實現(xiàn)了選擇與反饋機制來滿足用戶使用手柄實時操作三維圖形的需要。

4.5 考核分析

考核分析模塊對學員的所有操作進行考核，針對現(xiàn)場實際的操作可能造成的危害進行完整性、正確性與操作順序進行評估。評估學員操作是否完整、是否有被遺漏的步驟、是否正確、是否嚴格按照順序進行操作。同時對學員的操作進行統(tǒng)計分析，針對一些遺漏與錯誤的步驟進行統(tǒng)計，針對每個學員出具考核評估與改進報告。

5 小結

本文建立的基于VR的變電站技能培訓系統(tǒng)十分直觀形象，培訓人員可以直接動手操作而不會有危險。通過虛擬變電站與變電站仿真培訓系統(tǒng)間的通信可實現(xiàn)用戶與虛擬變電站的交互，很好的滿足虛擬變電站實時仿真、實時動作的要求。通過3D虛擬技術模擬真實場景使電力培訓更加生動形象，極大的提高了變電站培訓考核效率，提高變電站運行人員的操作技能，降低了事故風險，并降低了培訓的成本。

參考文獻

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作者簡介

俞云（1990-），女，廣西壯族自治區(qū)桂林市人。助理工程師，工學學士，從事信息系統(tǒng)安全與運維管理工作。

作者單位

廣西電網有限責任公司桂林供電局 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541002endprint