虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用分析

龍航

摘? 要：運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)UPS設(shè)備的操作環(huán)境，該環(huán)境具有高度的沉浸感，不管是從感官和操作，行為處理的反饋以及虛擬環(huán)境中完成對(duì)UPS相關(guān)流程的體驗(yàn)等，學(xué)員體驗(yàn)的UPS設(shè)備場景都高度真實(shí)。本課題將充分調(diào)研帶電設(shè)備的操作環(huán)境，重建具有高度沉浸感的虛擬三維空間。建設(shè)可容納多用戶的虛擬空間交互方案。搭建完整的虛擬現(xiàn)實(shí)UPS巡檢作業(yè)管理平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);UPS;模擬操作

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0168-04

Abstract： The virtual simulation technology is used to reproduce the operating environment of UPS device. The environment has a high sense of immersion， from the senses and operations， the feedback of behavior processing to the experience of UPS related processes in the virtual environment. The UPS device scenarios experienced by the students are highly realistic. In this paper， the operating environment of live equipment will be fully investigated， and the virtual three-dimensional space with a high sense of immersion will be reconstructed. A virtual space interaction scheme which can accommodate multiple users is constructed， and a complete virtual reality UPS patrol job management platform will be built.

Keywords： virtual reality; UPS; simulation operation

1 概述

電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)決定不能由實(shí)際設(shè)備直接操作培訓(xùn)，利用電力仿真的模擬訓(xùn)練，提高操作人員的技術(shù)水平，保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。[1]而現(xiàn)有類似虛擬仿真系統(tǒng)存在虛擬環(huán)境不真實(shí)，沉浸感低，參與人數(shù)有限，流程固定等問題，需要進(jìn)行深入研究與改進(jìn)才能切實(shí)運(yùn)用到UPS巡檢的培訓(xùn)與考核。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一系列高新技術(shù)的匯集，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能以及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)等領(lǐng)域。研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是建立一個(gè)模擬環(huán)境，由計(jì)算機(jī)生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維圖像、三維聲音等人體能感受到的信息，構(gòu)造一個(gè)模擬的現(xiàn)實(shí)世界或并不存在的虛幻世界，把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空間表達(dá)得更直觀易懂[3][4]。

3 UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置。以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，它可以解決現(xiàn)有電力的斷電、地電壓、高電壓、突波、雜訊等現(xiàn)象，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠[2]。虛擬UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)能模擬UPS機(jī)房正常、故障時(shí)等各種情況，如用戶自主建模功能、UPS典型故障模擬、蓄電池典型故障模擬、充放電試驗(yàn)?zāi)M等。例如在虛擬UPS機(jī)房內(nèi)，訓(xùn)練學(xué)員依據(jù)巡檢規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行操作，系統(tǒng)會(huì)對(duì)場景中所有流程進(jìn)行預(yù)先的設(shè)置，同時(shí)系統(tǒng)可通過采集操作人員頭盔和雙手手套上的實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，對(duì)操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷。一旦操作人員的操作不符合預(yù)先設(shè)置，系統(tǒng)即可判斷操作人員操作失誤。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，tcp/ip協(xié)議，高性能工作站、移動(dòng)工作站以及服務(wù)器構(gòu)成UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在圖1中。

3.2 軟件系統(tǒng)

虛擬UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)場景制作主要包括模型、場景互動(dòng)這兩大部分。

3.2.1 模型

為構(gòu)建沉浸感強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，必須建立UPS機(jī)柜、蓄電池等設(shè)備模型的特征。設(shè)備特點(diǎn)主要包括聲學(xué)特點(diǎn)、材料特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、光學(xué)特點(diǎn)等。建立這些真實(shí)特征的設(shè)備模型，一方面需要建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。另一方面，設(shè)備模型設(shè)置的物體的幾何模型必須具有特征。例如，根據(jù)具體設(shè)備的光學(xué)特點(diǎn)，可以確定模型是用平行光源、局部光源、點(diǎn)光源、太陽光源或發(fā)光光源構(gòu)建的。系統(tǒng)中不同設(shè)備對(duì)象的特點(diǎn)要求配置不同的燈光，以產(chǎn)生不同的照明效果。幾何模型的渲染時(shí)間通常為一個(gè)包含頂點(diǎn)個(gè)數(shù)、三角面?zhèn)€數(shù)以及實(shí)際繪制的像素個(gè)數(shù)組成的線性表達(dá)式，并根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試計(jì)算相應(yīng)的表達(dá)式系數(shù)[3]。模型的數(shù)學(xué)方程需要通過數(shù)值方法求解。因此，為了降低這些計(jì)算中的系統(tǒng)運(yùn)行資源并提高沉浸感模擬場景的的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性。需要適當(dāng)?shù)睾喕O(shè)備模型并添加特定的假設(shè)或理想條件。模型制作流程如圖2。

虛擬現(xiàn)實(shí)場景模型按照真實(shí)UPS機(jī)房場景及相關(guān)工作崗位職責(zé)為藍(lán)本，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要建立合適的虛擬環(huán)境模型。在Windows操作系統(tǒng)擁有諸多成熟模型建造軟件，如：3DMAX、C4D等。主要采用樣條線、擠出、車削、放樣、倒角等建模方式構(gòu)建完整的三維虛擬UPS機(jī)房場景，同時(shí)虛擬相關(guān)崗位作業(yè)人員及設(shè)備，在正常情況下的不同崗位之間的協(xié)作與配合，共同完成任務(wù)。

（1）渲染模型及光源測試

設(shè)置照明系統(tǒng)，設(shè)置全局照明，設(shè)定場面的照明效果。進(jìn)行渲染測試，并不斷調(diào)整參數(shù)，得到想要的模型渲染結(jié)果。

（2）設(shè)備動(dòng)畫

人物動(dòng)作動(dòng)畫：把人物骨骼進(jìn)行綁定制作動(dòng)畫。

設(shè)備開門動(dòng)畫：首先，門與手鏈接。即，如果開門一起移動(dòng)。然后重心轉(zhuǎn)移到軸，做門旋轉(zhuǎn)的動(dòng)畫。

（3）烘焙模型

虛擬模型貼圖的逼真程度是沉浸感的直接表現(xiàn)。視覺表現(xiàn)和實(shí)時(shí)性能是沖突的，因?yàn)槟Ｐ透普?，?fù)雜詳細(xì)的精美渲染需要更多的實(shí)時(shí)性能。在一般情況下，為了避免與連續(xù)的場景的不真實(shí)，場景每秒鐘刷新至少24幀/秒。最小化場景的多邊形數(shù)量可以有效增強(qiáng)畫面幀數(shù)，還可使用諸如并行計(jì)算、離線預(yù)先計(jì)算等方法提高渲染運(yùn)行效率。使用xnormal烘焙軟件，可完成對(duì)虛擬模型貼圖的渲染和生成。xnormal比3Dmax、maya等軟件的渲染速度快幾倍，是烘培的主要工具。

3.2.2 虛擬UPS場景交互

UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity3D三維引擎，交互技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵，可以使系統(tǒng)具有更好的可操作性，使用戶的體驗(yàn)性更加真實(shí)。Unity3D引擎中的交互技術(shù)[4]滿足3D虛擬場景的基本要求。主要內(nèi)容包括：場景、特效、碰撞器、剛體、渲染器、腳本語言、用戶圖形界面、預(yù)制、標(biāo)簽和層、模型、音頻、視頻、粒子系統(tǒng)、相機(jī)、光照、烘焙、地形等。

（1）模型導(dǎo)入

Unity3D是虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的引擎，而不是3D模型開發(fā)軟件。虛擬場景所需的3D資源通常是使用其他3D軟件開發(fā)出來，然后將制作的資源導(dǎo)出。傳達(dá)給Unity3D，Unity3D將這種資源組合成一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

模型導(dǎo)入流程如圖：

（2）特效制作

主要通過Unity3D開發(fā)工具提供的粒子系統(tǒng)（Particle System）進(jìn)行電火花、漏液等特效的設(shè)計(jì)，旨在通過執(zhí)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置來最終實(shí)現(xiàn)所需的效果。模型系統(tǒng)的仿真過程應(yīng)該與實(shí)際情況的特征相匹配，所有效果和功能都不同，在這里我們需要對(duì)每種漏液做特殊效果。

這里使用Unity3D提供的粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與泄漏相關(guān)的特殊效果，首先，打開Unity3D開發(fā)工具，然后在GameObject菜單下選擇Create Other子菜單。將彈出下一級(jí)子菜單。在此處選擇Particle System將在Hierarchy面板中顯示Particle System項(xiàng)。選擇后，單擊此項(xiàng)以更改名稱。選擇剛剛添加的粒子系統(tǒng)時(shí)，與粒子系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)置將顯示在Inspector面板中。粒子系統(tǒng)的最終效果取決于這些設(shè)置。經(jīng)過常數(shù)參數(shù)更改以查看效果后，最終的漏液效果參數(shù)在表1中設(shè)置。

（3）紋理貼圖

渲染圖像是Unity Shader的主要功能，本次主要用Shader做紋理映射效果。本研究使用AssetBundle技術(shù)進(jìn)行資源包裝，AssetBundle技術(shù)可對(duì)不同部件進(jìn)行不一樣的貼圖，該技術(shù)為Unity引擎提供了一種存儲(chǔ)資源文件格式[5]，利用這種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)貼圖的實(shí)時(shí)更換。

（4）碰撞檢測功能

碰撞檢測功能使得當(dāng)漫游角色遇到墻，裝置等障礙物時(shí)，可模擬物理反應(yīng)，物理無法繼續(xù)進(jìn)行?？焖俚臎_突探測對(duì)提高虛擬場景的可靠性和對(duì)虛擬場景的投入度起著非常重要的作用。當(dāng)人物靠近物體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)碰撞探測算法檢測此對(duì)象的尺寸。如果探測到的物體高度低于預(yù)設(shè)，物體就可以通過這個(gè)角色，否則這個(gè)物體就無法移動(dòng)，只能繞著障礙物繼續(xù)前進(jìn)。Unity3D配備physx物理引擎，具有物體碰撞和重力等物理效應(yīng)，可以有效地進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)UPS設(shè)備的形狀，添加類似形狀的網(wǎng)格、盒、膠囊碰撞器等等，使虛擬交互場面更加真實(shí)。

（5）場景漫游互動(dòng)

場景互動(dòng)是UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)最重要的一個(gè)部分。Unity3D導(dǎo)入模型后，導(dǎo)入包裹，加入U(xiǎn)nity自帶的第一人稱預(yù)設(shè)，導(dǎo)入碰撞體給模型，完成一個(gè)仿真虛擬場景，操作員通過虛擬人化身與環(huán)境交互。利用動(dòng)作捕捉設(shè)備對(duì)受訓(xùn)者的肢體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉，得到運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)虛擬人物的動(dòng)作。在Unity3D中，學(xué)員可以進(jìn)行查看各個(gè)角度的設(shè)備。特別是新學(xué)員可以通過場景的漫游使其對(duì)UPS機(jī)房有更加深刻的了解。場景漫游一般使用拋物線定位移動(dòng)，拋物線位移分為四部分來實(shí)現(xiàn)：

測量導(dǎo)航空間：系統(tǒng)使用Unity生成的導(dǎo)航測距儀，以達(dá)到學(xué)員可以傳送的臨界水平，不讓學(xué)員通過邊界或傳遞不透明物體內(nèi)部。

選擇定位移動(dòng)目的地：采用直觀的拋物線式選擇機(jī)制，通過簡單運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式。如果將控制器調(diào)得更高角度，控制點(diǎn)就會(huì)走得更遠(yuǎn)。如果把控制器調(diào)到45度，（拋物線的最大距離）角度就會(huì)鎖在相應(yīng)的距離上。

訓(xùn)練區(qū)域：系統(tǒng)會(huì)在防護(hù)墻四周設(shè)定一個(gè)盒子使學(xué)員不能走出邊界。

減少眩暈：瞬間移動(dòng)（表示為“眨眼”）的屏幕淡出可以降低用戶的疲勞和頭暈。

（6）交互事件

在許多傳統(tǒng)的教育系統(tǒng)中，學(xué)員只能通過非對(duì)話的方式看到課堂內(nèi)容，這種學(xué)習(xí)方式是傳統(tǒng)的填鴨式教育，學(xué)員的參加性不強(qiáng)。在本系統(tǒng)中，用戶可通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備控制虛擬人物，自由進(jìn)行UPS場景下的交互探索，并通過選擇與場景設(shè)備進(jìn)行交互。本文只描述虛擬人物在巡檢蓄電池的交互。其他交互設(shè)定與之相同。

3.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

考核分析模塊對(duì)學(xué)員的所有操作進(jìn)行考核，針對(duì)現(xiàn)場實(shí)際的操作可能造成的危害進(jìn)行完整性、正確性與操作順序進(jìn)行評(píng)估[6]。評(píng)估學(xué)員是否完全無錯(cuò)誤掌握UPS機(jī)房培訓(xùn)技能。對(duì)學(xué)員操作及安全意識(shí)進(jìn)行分析，對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)每個(gè)學(xué)員得出個(gè)性化分析報(bào)告。

通過項(xiàng)目成果應(yīng)用，為UPS培訓(xùn)人員的業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)及考核提供了一個(gè)軟件應(yīng)用平臺(tái)，通過即時(shí)及反復(fù)培訓(xùn)及考核，提高UPS培訓(xùn)人員對(duì)UPS非正常和事故狀態(tài)的判斷、處理能力，為UPS穩(wěn)定運(yùn)行提供良好保障，防止不必要的損失并具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建造出的UPS巡檢作業(yè)培訓(xùn)場景，通過虛擬化身在虛擬環(huán)境下完成動(dòng)作進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練，由沉浸感環(huán)境充分體現(xiàn)UPS工作的難度和危險(xiǎn)性，以此提高受訓(xùn)人員在復(fù)雜現(xiàn)場正確操控的能力，強(qiáng)化學(xué)員操作技能，提升學(xué)員在日常工作過程中的專業(yè)水平和心理適應(yīng)能力，提高學(xué)員應(yīng)對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)工作時(shí)的效率，縮短上崗適應(yīng)期。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳天翼，邱家駒，邱淘西.電力系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)場景開發(fā)研究[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，12（5）：7-10.

[2]侯欣宇.UPS技術(shù)及其改造分析[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2010（14）：194-194.

[3]ROSSIGNAC J ，BOWEL P.Multi-resolution 3D approximation for rendering complex scenes[C]. Proceedings of the 20th Conference Modeling in Computer Graphic. Berlin， 1993：453-465.

[4]Li K，Tiwari A，Alcock J，et al. Categorisation of visualisation methods to support the design of human-computer interaction systems [J] . Applied Ergonomics ，2016，55：85-107.

[5]He L. Beyond asset ownership：employment and assetless firms in the property rights theory of the firm [J]. Journal ofEconomic Behavior & Organization，2016，130：261-273.

[6]趙梓蓉.四川220kV變電站仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川電力技術(shù)，2012，35（6）.