基于VR技術(shù)的跌落式熔斷器操作試驗(yàn)?zāi)M與仿真技術(shù)

葉德云 謝瑞靈 甘文棋

摘要 本文以跌落式熔斷器拉合操作試驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)作為案例，闡述了利用虛擬現(xiàn)實(shí)（ VR）技術(shù)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的具體流程和開發(fā)效果，對基于VR技術(shù)的電氣試驗(yàn)仿真項(xiàng)目開發(fā)具有較好的參考應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】電氣試驗(yàn) VR技術(shù) 仿真培訓(xùn)

VR技術(shù)（virtual reality又稱虛擬現(xiàn)實(shí)）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種能使用戶有沉浸感以及良好交互性和構(gòu)想性的多源信息融合的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為相結(jié)合的系統(tǒng)仿真。其可以彌補(bǔ)目前職業(yè)院校電力專業(yè)的學(xué)生在實(shí)訓(xùn)方面場地、設(shè)備和時間限制的不足，使受訓(xùn)者可以安全頻繁操作。本文以跌落式熔斷器試驗(yàn)的VR仿真為例，闡述VR開發(fā)的具體流程及效果，實(shí)踐證明具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 跌落式熔斷器操作與VR技術(shù)概述

（1）跌落式熔斷器是1OkV配電線路分支線和配電變壓器最常用的一種短路保護(hù)開關(guān)，它具有經(jīng)濟(jì)、操作方便、適應(yīng)戶外環(huán)境性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于1OkV配電線路和配電變壓器一次側(cè)作為保護(hù)和進(jìn)行設(shè)備投、切操作之用。跌落式熔斷器安裝在1OkV配電線路分支線上，可縮小停電范圍，因其有一個明顯的斷開點(diǎn)，具備了隔離開關(guān)的功能，給檢修段線路和設(shè)備創(chuàng)造了一個安全作業(yè)環(huán)境，增加了檢修人員的安全感。安裝在配電變壓器上，可以作為配電變壓器的主保護(hù)，所以，在1OkV配電線路和配電變壓器中得到了普及。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)），是利用3D Max軟件進(jìn)行跌落式熔斷器場景三維模型搭建，生成fbx格式文件導(dǎo)入Unity引擎進(jìn)行交互設(shè)計(jì)與制作，采用頭戴式HTC vive與手柄進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)互動，應(yīng)用VRTK（虛擬現(xiàn)實(shí)工具包）開發(fā)。另一方面，通過人機(jī)交互技術(shù)以及觸覺反饋技術(shù)，使用者可以在虛擬空間中進(jìn)行模擬操作，從而獲得身歷其境一般的體驗(yàn)和感受。

（3）基于VR技術(shù)的跌落式熔斷器操作試驗(yàn)?zāi)M與仿真技術(shù)研究意義，構(gòu)建基于VR技術(shù)的跌落式熔斷器操作試驗(yàn)?zāi)M與仿真技術(shù)項(xiàng)目有利于解決電力操作人員培訓(xùn)和實(shí)操訓(xùn)練的現(xiàn)象情景和事故演練的感受性、重復(fù)性以及整體縮減規(guī)模培訓(xùn)投入，對大大降低培訓(xùn)設(shè)施損壞和事故可能性，提高培訓(xùn)成效等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基于VR技術(shù)的跌落式熔斷器操作試驗(yàn)?zāi)M與仿真開發(fā)技術(shù)

本項(xiàng)目基本上按照典型VR項(xiàng)目開發(fā)流程實(shí)施，包括如下部分（如圖1所示）。

2.1 場景選擇

場景有三個場景：開頭場景，單憑文字介紹項(xiàng)目，然后進(jìn)行選擇實(shí)戰(zhàn)演練與回大廳新手指引。如圖2所示。

2.2 新手指引場景

（1）此場景為新手指引場景，介紹如何使用穿戴式HTC Vive頭顯及手柄操作介紹。設(shè)計(jì)交互功能有：如圖3所示。

1-菜單鍵一一選擇菜單功能;

6-系統(tǒng)鍵一一系統(tǒng)功能;

7-扳機(jī)鍵一一拾取功能;

8-握持鍵一一抓取功能;

9-觸摸板鍵一一位移功能。

（2）實(shí)現(xiàn)位移傳送功能，通過觸摸板鍵來進(jìn)行在場景中移動功能，通過這種方式可以減小現(xiàn)實(shí)中的體力損失，可快速熟練找到移動點(diǎn)。如圖4所示。

（3）同時本項(xiàng)目還設(shè)定了語音提示與文字指引功能，通過次方式讓用戶有深刻的感受指引，讓教學(xué)的學(xué)生不知不覺中學(xué)習(xí)到操作的流程。如圖5所示。

2.3 操作場景（主場景）

跌落式熔斷器操作流程，需要進(jìn)行的操作步驟大致有如下9項(xiàng)：

（1）整備工作，帶電操作流程及操作介紹，跌落式熔斷器是1OkV配電線路分支線和配電變壓器最常用的一種短路保護(hù)開關(guān)，它具有經(jīng)濟(jì)、操作方便、適應(yīng)戶外環(huán)境性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于1OkV配電線路和配電變壓器一次側(cè)作為保護(hù)和進(jìn)行設(shè)備投、切操作之用。（界面有語音講解與文字提示）。如圖6所示。

（2）簽署操作票，進(jìn)行操作。如圖7所示。

（3）檢查操作工具，檢查工具是否破碎，有沒有超出試驗(yàn)電壓等級，本次操作所需要用到的工具。如圖8所示。

（4）操作前做好防護(hù)工作，做好指示牌標(biāo)示工作，防護(hù)圍欄工作。如圖9所示。

（5）進(jìn)行跌落式熔斷器帶電操作拉閘

（先操作拉中間相，在拉迎背風(fēng)邊相，在拉迎風(fēng)邊相）如圖10所示。

（6）檢查工作如圖11所示。

（7）合閘操作（先合迎風(fēng)邊相，在合迎背風(fēng)邊相，在操作合中間相），如圖12所示。

（8）撤離現(xiàn)場，帶離工具，簽署結(jié)束操作票。如圖13所示。

（9）在本次系統(tǒng)中，監(jiān)護(hù)人上方查看本次操作的分?jǐn)?shù)，是否合格。如圖14所示。

3 總結(jié)

VR技術(shù)應(yīng)用于跌落式熔斷器操作試驗(yàn)中做模擬培訓(xùn)是一種低成本、高效率、安全可靠的方式，有助于降低工作難度和應(yīng)用于培訓(xùn)中提高培訓(xùn)效率，本項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)充分體現(xiàn)了VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：虛擬化，沉浸性交互式的體驗(yàn)效果能激發(fā)人們參加電力教育的興趣，提升對安全事故的感性認(rèn)識。標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，培訓(xùn)內(nèi)容具有廣泛的通用性和適應(yīng)性，確保培訓(xùn)效果達(dá)到安全要求。沉侵感，通過智能可穿戴設(shè)備直觀的三維界面對虛擬試驗(yàn)變壓器等設(shè)備進(jìn)行操控，提升了用戶體驗(yàn)及視覺沖擊。交互性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶在沉浸模式下使用虛擬的手柄操作設(shè)備或開關(guān)，還可以對三維場景內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行拆解和組裝，既提高了管理效率，也降低了由于誤操作造成的風(fēng)險。

基于VR技術(shù)的跌落式熔斷器操作試驗(yàn)?zāi)M與仿真技術(shù)研究項(xiàng)目實(shí)施包括數(shù)字化建模、交互，反饋、測試等環(huán)節(jié)，本文使用3D Max建模軟件技術(shù)進(jìn)行場景模型搭建，創(chuàng)建跌落式熔斷器，絕緣操作桿和建筑結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)電力實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場的三維場景逼真呈現(xiàn)，利用功能強(qiáng)大的Unity虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎，導(dǎo)入虛擬的數(shù)字化場景，模擬現(xiàn)有的物理世界，設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)并超越現(xiàn)實(shí)的各種虛擬交互場景，實(shí)現(xiàn)各種特有的交互功能;采用HTC Vive設(shè)備使學(xué)生能夠在虛擬場景中進(jìn)行沉浸式漫游和跌落式熔斷器的拉合操作訓(xùn)練，充分感受沉浸式的人、機(jī)交互體驗(yàn)，在交互中學(xué)習(xí)、感知，感受學(xué)習(xí)的樂趣。該項(xiàng)目沉浸感強(qiáng)、界面友好、功能豐富、使用簡單、安全性好，為電力員工操作訓(xùn)練提供平臺，在電力人員培訓(xùn)、電力公司和電力類院校的崗前和專業(yè)技能培訓(xùn)方面有良好的應(yīng)用前景。如圖15所示。

參考文獻(xiàn)

[1]陳麗丹，張哲，梁豐驛，劉蘊(yùn)樟.基于VR設(shè)備的跌落式熔斷器操作虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017 （09）： 27.

[2]葉德云，謝瑞靈，王運(yùn)莉，黃煒杰，基于VR的電氣試驗(yàn)?zāi)M與仿真技術(shù)研究TM8 31：G642; TP391.9.