基于Unity3D的電力仿真教學(xué)系統(tǒng)

劉標(biāo) 王大虎 徐炎軍

摘 ?要： 針對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真教學(xué)系統(tǒng)存在的事故仿真不足、缺乏真實(shí)感以及開發(fā)難度大的問題，以220 kV變電站為仿真對(duì)象，首先采用3DMAX軟件建模，然后將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中，利用Unity3D提供的豐富的功能，搭建了一個(gè)完整的電力仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)HTCvive虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了變電站場(chǎng)景漫游、設(shè)備交互、系統(tǒng)導(dǎo)航、故障處理以及考核平臺(tái)等功能，彌補(bǔ)了變電站仿真系統(tǒng)沉浸感不足、設(shè)備交互簡(jiǎn)單、學(xué)員教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系不全等缺點(diǎn)，在保障學(xué)員安全性的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同水平的學(xué)員制定不同的教學(xué)方案，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng);仿真教學(xué);Unity3D;變電站

中圖分類號(hào)： TM743 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.038

本文著錄格式：劉標(biāo)，王大虎，徐炎軍. 基于Unity3D的電力仿真教學(xué)系統(tǒng)[J]. 軟件，2019，40（6）：164168

【Abstract】： In view of the lack of accident simulation， lack of realism and difficult development of the existing power system simulation training system， the 220 kV substation is used as the simulation object. Firstly， the model is modeled by 3DMAX software， and then the model is imported into Unity3D software and provided by Unity3D. The rich functions of the system have built a complete power system simulation training system. Through HTCvive virtual reality equipment， the functions of substation scene roaming， equipment interaction， system navigation， fault handling and evaluation platform have been realized， which has made up for the lack of immersion in the substation simulation system. On the basis of ensuring the safety of the trainees， different training programs are developed for the trainees of different levels， and the training effect is improved on the basis of ensuring the safety of the trainees.

【Key words】： Power system; Simulation training; Unity3D; Substation

0 ?引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中占據(jù)著越來(lái)越重要的作用。然而，隨著電網(wǎng)的越來(lái)越大，電力系統(tǒng)越來(lái)復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)操作人員的要求也越來(lái)越高;同時(shí)，變電站運(yùn)行過(guò)程中有許多由于設(shè)備原因、天氣及誤操作等會(huì)引起各種安全事故，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。單純地靠引入先進(jìn)的控制技術(shù)以及提高變電設(shè)備的智能化程度，不能從根本上解決問題。電力系統(tǒng)的運(yùn)行需要人的參與，對(duì)工作人員的要求更高，因此，對(duì)變電站的工作人員的教學(xué)就更為重要。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)教學(xué)主要是課堂教學(xué)為主，通過(guò)一些手冊(cè)、圖片以及模擬板等來(lái)學(xué)習(xí)，內(nèi)容枯燥乏味，學(xué)員學(xué)習(xí)興趣低下、理解困難，教學(xué)效果不理想;變電站實(shí)操是在變電站設(shè)備上進(jìn)行實(shí)際操作，教學(xué)效果好，但存在購(gòu)買設(shè)備花費(fèi)巨大，學(xué)員誤操作容易引發(fā)安全隱患等缺點(diǎn);一些新興的電力系統(tǒng)教學(xué)會(huì)采用電腦仿真軟件來(lái)對(duì)變電站的設(shè)備虛擬仿真，仍然采用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤操作方式，對(duì)于系統(tǒng)仿真沉浸感不足，操作體驗(yàn)與實(shí)際不符，不能呈現(xiàn)事故真實(shí)情況等。文獻(xiàn)[1]提出利用Quest3D軟件實(shí)現(xiàn)變電站仿真的應(yīng)用方案，利用該軟件實(shí)現(xiàn)變電站仿真中漫游、天氣模擬等一些簡(jiǎn)單的功能，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，開發(fā)成本低;但是，系統(tǒng)缺乏變電站事故仿真的研究，教學(xué)效率低下，只有一些簡(jiǎn)單的交互功能，學(xué)員學(xué)習(xí)積極性不高等。文獻(xiàn)[2]等人提出沉浸式變電站仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)從視覺、聽覺和交互方式為變電站教學(xué)帶入了現(xiàn)場(chǎng)感，但系統(tǒng)僅從場(chǎng)景漫游和設(shè)備交互方面對(duì)變電站進(jìn)行沉浸式仿真研究，缺少故障仿真教學(xué)環(huán)節(jié)和必要的考核平臺(tái)，系統(tǒng)研發(fā)成本高，研發(fā)難度大，實(shí)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]提出了變電站仿真教學(xué)和學(xué)員事故考核的功能。完善了系統(tǒng)考核評(píng)價(jià)功能，為學(xué)員學(xué)習(xí)提供了評(píng)判依據(jù)，但對(duì)于仿真事故的處理，沒有加入引導(dǎo)性學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)員的友好度不高。

針對(duì)以上不足，開發(fā)了電力仿真教學(xué)系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中需要先到變電站采集信息，對(duì)一些重要的設(shè)備多次拍照，根據(jù)采集的信息利用3DMAX軟件對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，再將建立的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，通過(guò)Unity3D實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互，然后通過(guò)連接htc vive虛擬仿真設(shè)備，學(xué)員帶上虛擬仿真設(shè)備來(lái)進(jìn)行沉浸式仿真教學(xué)，在進(jìn)行故障處理的過(guò)程，會(huì)給出學(xué)員成績(jī)，并指出學(xué)員的一些錯(cuò)誤操作，并對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行糾正。

該系統(tǒng)將沉浸式仿真技術(shù)運(yùn)用到電力仿真教學(xué)系統(tǒng)中，既加強(qiáng)了學(xué)員故障處理能力，又能夠帶入沉浸感，激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，提升了教學(xué)效率;系統(tǒng)開發(fā)出考核平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)變電站教學(xué)系統(tǒng)的不足，為學(xué)員學(xué)習(xí)提供評(píng)判依據(jù)，同時(shí)，能夠指出學(xué)員的錯(cuò)誤操作，學(xué)員可以通過(guò)引導(dǎo)，自我改正。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)采用平頂山220 kV變電站為原型，主要對(duì)其一次側(cè)設(shè)備：變壓器、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器、電力電容、諧波阻抗器及接地電壓器等等，二次側(cè)設(shè)備：測(cè)量表計(jì)、絕緣監(jiān)察裝置、控制和信號(hào)裝置、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置等進(jìn)行了三維建模以及交互仿真。沉浸式變電站人機(jī)交互框架圖如圖1所示。

由圖1可知，電力仿真教學(xué)系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：學(xué)員模塊和操作模塊。在學(xué)員模塊中，學(xué)員主要帶上htc vive頭盔來(lái)接收視覺、聽覺等信息，同時(shí)通過(guò)htc vive的手柄接收動(dòng)作反饋信息以及進(jìn)行動(dòng)作交互等;操作模塊主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括htc vive的頭戴式設(shè)備、vive無(wú)線操控手柄、vive定位器、一臺(tái)高性能電腦等，通過(guò)該硬件可以把學(xué)員操作信息傳遞給操作模塊，同時(shí)也能把操作信息反饋給學(xué)員模塊。軟件部分是實(shí)現(xiàn)電力仿真教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過(guò)把3dmax中的設(shè)備場(chǎng)景模型導(dǎo)入到unity3D中，再使用貼圖技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，在unity3D中實(shí)現(xiàn)設(shè)備交互等功能，通過(guò)使用htc vive設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備交互、場(chǎng)景漫游和三維場(chǎng)景仿真等功能。

2 ?系統(tǒng)硬件配置

建議電腦配置GPU：NVIDIA? GeForce? GTX 970、AMD Radeon? R9 290同等或更高配置，CPU：Intel?Core? i5-4590/AMD FX? 8350同等或更高配置，RAM：4 GB 或以上，視頻輸出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2或以上，USB端口：1x USB 2.0 或以上端口;VIVE頭戴式設(shè)備：屏幕：雙AMOLED 屏幕，傳感器：SteamVR追蹤技術(shù)、G-sensor校正、gyroscope陀螺儀、proximity距離感測(cè)器，連接口：HDMI、USB 2.0、3.5 mm立體耳機(jī)插座、電源插座、藍(lán)牙支持， VIVE操控手柄，多功能觸摸面板、抓握鍵、雙階段扳機(jī)、系統(tǒng)鍵、菜單鍵。

3 ?系統(tǒng)構(gòu)建

基于HTC vive、3Dmax以及Unity3D的電力仿真教學(xué)系統(tǒng)的總體流程圖如圖2。在系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，首先是對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行構(gòu)建，精細(xì)的模型能夠提高系統(tǒng)的仿真程度，因此，模型的制作非常重要。首先，對(duì)于模型的制作，如果能找到CAD圖紙，可以通過(guò)CAD圖紙精確地建造3D模型;或者可以通過(guò)照片素材在3Dmax構(gòu)建變電站模型。建好的3D模型再通過(guò)模型優(yōu)化處理，之后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D再配合HTC vive設(shè)備進(jìn)行交互，最后為該系統(tǒng)構(gòu)建界面并測(cè)試及優(yōu)化。

3.1 ?三維建模

三維模型的構(gòu)建是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，三維模型必須保持與現(xiàn)實(shí)一致，同時(shí)也要保證三維模型精確性和完整性。三維模型的構(gòu)建主要包括三維視覺建模和三維聽覺建模。三維視覺建模主要包括幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模、對(duì)象行為建模、模型分割等方法[4]。本系統(tǒng)主要采用幾何建模的方法。幾何建模軟件一般包括3Dmax、maya、softimage、犀牛等，3Dmax軟件具有應(yīng)用廣泛，上手容易，對(duì)不同文件有較好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，因而采用該軟件進(jìn)行3D建模。

在3Dmax建模軟件中，主要建模方法包括基礎(chǔ)建模、復(fù)合建模、多邊形（Polygon）建模、NURBS建模等，在構(gòu)建變電站設(shè)備模型中主要采用多邊形建模的方法，同時(shí)在三維建模的過(guò)程中，主要采用先整體后部分的思想來(lái)建模，對(duì)一些比較復(fù)雜的模型，可以先構(gòu)建出模型的大致輪廓，然后再對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化;因多邊形建模方法具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先具有較好的操作感，可以邊做邊修改;其次對(duì)模型的網(wǎng)格密度能夠較好的控制，能夠較好的把握模型的比例，因此本系統(tǒng)主要采用多邊形建模的方法。在建模剛開始時(shí)，我們要先觀察要構(gòu)建模型的照片，包括前后左右等多張照片，對(duì)要構(gòu)建的模型做到心中有數(shù)。例如，在構(gòu)建變壓器模型時(shí)，先觀察模型照片，再在3Dmax中構(gòu)建同等大小的幾何體輪廓，然后將幾何體轉(zhuǎn)換成可編輯的多邊形，在點(diǎn)、線、面等選項(xiàng)中對(duì)其進(jìn)行編輯。在編輯過(guò)程中，盡量不要使用布爾命令對(duì)模型進(jìn)行編輯，布爾命令會(huì)導(dǎo)致模型多點(diǎn)、斷線、面重合等問題，在后期對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)會(huì)造成模型畸變等一系列問題，造成后期模型優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于某一些模型需要多次用到，可以采用快照工具進(jìn)行復(fù)制即可。

在模型優(yōu)化的過(guò)程中，首先是要減少模型的面數(shù)，由于變電站模型數(shù)目巨大，模型數(shù)目眾多，對(duì)模型面數(shù)的優(yōu)化能夠達(dá)到很好的效果。因此，采用以下幾種方法：

（1）模型精簡(jiǎn)

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，在運(yùn)行中一些看不見的部分可以刪除，減少模型面數(shù)，模型堆放中有重疊的部分都要?jiǎng)h除，對(duì)于一些圓形、柱形的模型，在不失真的情況下，可以跳躍著刪除點(diǎn)、線。同時(shí)，對(duì)于一些重要的設(shè)備模型要精細(xì)建模，例如：變壓器、斷路器、互感器等重要設(shè)備，都需要精細(xì)建模;對(duì)于一些不重要的模型可以簡(jiǎn)化建模。

（2）紋理映射

所謂紋理映射是采用將二維紋理照片映射到三維實(shí)體表面的方法描述場(chǎng)景細(xì)節(jié)，使用很少的多邊形即可獲得真實(shí)感三維場(chǎng)景[5]。我們可以把現(xiàn)場(chǎng)拍的照片經(jīng)過(guò)ps處理過(guò)后作為二維紋理照片，在3Dmax中以貼圖（為了降低電腦性能損耗通常貼圖以512*512來(lái)處理）的形式賦給設(shè)備模型，通過(guò)這樣處理可以不需要辛苦的構(gòu)造模型的細(xì)節(jié)和材質(zhì)細(xì)節(jié)，也能給模型一些真實(shí)感，簡(jiǎn)化了模型，減少了多邊形的數(shù)量，也節(jié)省了大量的人力和時(shí)間。

（3）陰影烘焙

對(duì)于三維場(chǎng)景中靜態(tài)的模型，我們可以采用陰影烘焙技術(shù)來(lái)降低對(duì)電腦性能的開銷，陰影烘焙技術(shù)主要是把巨量計(jì)算的虛擬光照信息生成紋理貼圖，也叫做光照貼圖，光照信息被寫入這些紋理當(dāng)中，同時(shí)，為了進(jìn)一步降低模型中多邊形的數(shù)量，我們采用一個(gè)變電站設(shè)備兩個(gè)模型，一個(gè)模型保留設(shè)備的各種細(xì)節(jié)信息;另一個(gè)模型是這個(gè)模型的精簡(jiǎn)版，去掉一些細(xì)節(jié)信息，然后通過(guò)陰影烘焙技術(shù)把模型細(xì)節(jié)和光照信息一同烘焙到另一個(gè)精簡(jiǎn)模型貼圖上，這樣既能夠達(dá)到仿真效果在使用時(shí)也能減少卡頓提高系統(tǒng)流暢性。

3.2 ?交互技術(shù)

3.2.1 ?漫游

在變電站漫游主要是學(xué)員對(duì)變電站進(jìn)行設(shè)備巡檢以及在事故仿真中對(duì)事故進(jìn)行正確的處理。學(xué)員通過(guò)使用HTC vive設(shè)備可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行設(shè)備巡檢，使用沉浸式設(shè)備觀察一、二次設(shè)備的狀態(tài)。在事故仿真中，通過(guò)隨機(jī)產(chǎn)生事故如：變電站著火冒煙、互感器瓷瓶破裂等，學(xué)員通過(guò)引導(dǎo)能夠正確處理事故，鍛煉學(xué)員處理事故的能力。如圖3、4，電力系統(tǒng)仿真一、二次仿真設(shè)備。

3.2.2 ?導(dǎo)航

變電站漫游過(guò)程中需要小地圖來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，能夠很好的了解變電站中各個(gè)設(shè)備分布。小地圖的構(gòu)建過(guò)程：首先，我們需要確定小地圖的位置及大小，通常小地圖是放在右上角能夠?qū)崟r(shí)了解自己的位置，在U3D設(shè)置中添加texture放到右上角，修改成合適大小;在添加一個(gè)攝像頭并設(shè)置成跟隨和垂直投影，然后將投影的畫面顯示在texture上面，攝像機(jī)要調(diào)好顯示的大小，texture注意不要被其他物體遮擋[11-12]。

3.2.3 ?設(shè)備交互

在進(jìn)行變電站漫游時(shí)，學(xué)員可以對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行交互，該交互主要通過(guò)HTC vive手柄實(shí)現(xiàn)，在虛擬場(chǎng)景中，主要通過(guò)手柄與3D模型的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)各種交互功能，主要的交互功能包括對(duì)設(shè)備拆裝，了解設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造;或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，例如，打開二次側(cè)柜門，通過(guò)手柄與門把手接觸并按住按鈕，觸發(fā)判定手柄抓住門把手，再像正常開門時(shí)一樣打開柜門，手柄也可以發(fā)出激光，激光打在想要了解的模型上就能顯示模型的名字及功能的介紹，也可以把模型單獨(dú)拉出來(lái)，進(jìn)行全方位的觀察[7-10]。

在設(shè)備交互過(guò)程中，設(shè)備的主要觸發(fā)事件是碰撞，為了使事件能夠發(fā)生通常我們?cè)谀Ｐ椭刑砑覤ox Collider組件，這樣，當(dāng)手柄與物體接觸，能夠觸發(fā)調(diào)用OnColliderEventHoverEnter（）函數(shù)，使得門能跟隨手柄活動(dòng)從而被打開。為了精簡(jiǎn)編程過(guò)程我們可以添加SteamVR Plugin和Vive Input Utility組件，能夠大幅度減少編程的工作。關(guān)于手柄發(fā)射激光，對(duì)于一些訓(xùn)練場(chǎng)所較小的地方，不能任意走動(dòng)，采用左手手柄會(huì)射出一個(gè)拋物線激光，當(dāng)pad按下的時(shí)候，會(huì)傳送到拋物線和物體交匯處，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動(dòng)，右手激光與實(shí)物交匯處顯示出模型的名字及功能的介紹。

3.2.4 ?故障處理

針對(duì)變電站故障本系統(tǒng)采用兩個(gè)學(xué)習(xí)方法，第一，通過(guò)使用原理圖的方式查看。學(xué)員選擇不同的設(shè)備以及對(duì)應(yīng)的故障后，能夠了解故障原理以及故障的正確處理方式。這個(gè)方法主要針對(duì)初步了解變電站的學(xué)員，通過(guò)了解學(xué)習(xí)后，學(xué)員進(jìn)入下一步學(xué)習(xí)方法;第二，通過(guò)使用HTC vive設(shè)備進(jìn)入變電站虛擬場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)際操作。變電站設(shè)備故障主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)故障主要包括互感器外絕緣破裂、端子箱標(biāo)牌掉落、變電站設(shè)備出現(xiàn)滲油漏油等現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)故障主要是指場(chǎng)景設(shè)備有明顯的動(dòng)作表現(xiàn)的現(xiàn)象，例如，變壓器著火噴油、互感器冒煙等。通過(guò)使用虛擬仿真設(shè)備跟隨系統(tǒng)的提示對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行正確的處理。

3.3 ?考核平臺(tái)

學(xué)員通過(guò)穿戴虛擬設(shè)備以漫游的方式進(jìn)入虛擬仿真場(chǎng)景，教員隨機(jī)選取變電站設(shè)備故障，學(xué)員檢查場(chǎng)景的故障現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)場(chǎng)景的現(xiàn)象進(jìn)行處理，最后檢查處理最后提交數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)根據(jù)教員設(shè)置的故障的信息表以及學(xué)員的操作信息等進(jìn)行處理，最后給出學(xué)員的考核成績(jī)。

3.4 ?系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布

在電力仿真教學(xué)系統(tǒng)中主要的功能實(shí)現(xiàn)后，需要對(duì)系統(tǒng)添加一個(gè)登陸界面，不同的學(xué)員可以通過(guò)登陸界面登陸系統(tǒng)并了解自己的信息;系統(tǒng)的測(cè)試，需要多次的運(yùn)行系統(tǒng)并測(cè)試，對(duì)于出現(xiàn)的系統(tǒng)BuG進(jìn)行修復(fù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定后，因U3D具有強(qiáng)大兼容性，可以發(fā)布windows、ios、android等平臺(tái)，本系統(tǒng)主要在windows 10系統(tǒng)下運(yùn)行，通過(guò)U3D平臺(tái)打包成.exe格式即可。

4 ?結(jié)語(yǔ)

（1）在教學(xué)過(guò)程在，通過(guò)使用沉浸式系統(tǒng)仿真技術(shù)，用3D模型代替枯燥2D圖片，能夠引發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)效率。

（2）通過(guò)使用電力仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠減少教學(xué)費(fèi)用，同時(shí)，可以在不同的地方學(xué)習(xí)，提高教學(xué)便攜性，減少教學(xué)過(guò)程中容易造成危險(xiǎn)的操作，保障學(xué)員安全性。

（3）Unity3D具有多種模塊和插件，能為系統(tǒng)開發(fā)帶來(lái)了很大便利，縮短了開發(fā)周期，提高產(chǎn)品實(shí)時(shí)性，減少了開發(fā)費(fèi)用。Unity3D有很強(qiáng)的兼容性，能夠在多種平臺(tái)發(fā)布，降低不同平臺(tái)維護(hù)成本。

（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變電站場(chǎng)景漫游、設(shè)備交互、系統(tǒng)導(dǎo)航、故障處理以及考核平臺(tái)等功能，彌補(bǔ)了變電站仿真系統(tǒng)沉浸感不足、設(shè)備交互簡(jiǎn)單、學(xué)員教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系不全等缺點(diǎn)，在保障學(xué)員安全性的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同水平的學(xué)員制定不同的教學(xué)方案，提高了教學(xué)效果。

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