基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配電盤(pán)著火事故應(yīng)急演練應(yīng)用

文/王宇軒 陳立 何曉丹

1 背景介紹

對(duì)于電廠而言，配電盤(pán)是電廠中的重要設(shè)備，電廠工作中，配電盤(pán)常常會(huì)因?yàn)榕潆姳P(pán)的布線與電器、儀表等接觸不牢，配電盤(pán)內(nèi)零部件的選擇和配電盤(pán)的實(shí)際容量不符合，長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等原因而造成火災(zāi)事故，配電盤(pán)造成的火災(zāi)事故占了電廠火災(zāi)事故較大比例，因此電廠中對(duì)于配電盤(pán)的事故應(yīng)急培訓(xùn)較為重要。現(xiàn)有的著火事故應(yīng)急培訓(xùn)，一般分為兩種方式。一種是通過(guò)一些事故預(yù)案來(lái)進(jìn)行課堂講授或桌面演練，其中部分使用了二維平面電子地圖進(jìn)行培訓(xùn)，但大多還是采用文字與表格的方式進(jìn)行描述，缺乏嚴(yán)肅性和真實(shí)性，無(wú)法體會(huì)到若因處理不當(dāng)而造成事故擴(kuò)大的嚴(yán)重后果，無(wú)法較好地提升電廠運(yùn)維人員事故應(yīng)急處置能力，因此培訓(xùn)效果不甚理想；另一種方式就是實(shí)戰(zhàn)演練，這種方式針對(duì)性強(qiáng)，容易找出問(wèn)題，但是需要耗費(fèi)一定的人力物力，演練的內(nèi)容也有很大的局限性。

因此，現(xiàn)有的著火事故應(yīng)急演練方式，采用課堂講授或桌面演練，存在缺乏嚴(yán)肅性和真實(shí)性，培訓(xùn)效果不甚理想的問(wèn)題，采用實(shí)戰(zhàn)演練，存在耗費(fèi)人力物力，演練內(nèi)容受到局限的問(wèn)題。

2 改進(jìn)方案

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配電盤(pán)著火事故應(yīng)急演練模擬方法，包括以下步驟：

（1）通過(guò)三維建模技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景（包括：收集現(xiàn)實(shí)的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；構(gòu)建電站的三維模型和電站運(yùn)維人員的人物模型；構(gòu)建電站的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景）；

（2）構(gòu)建虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景：設(shè)計(jì)交互界面，設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的角色操作流程和設(shè)備模型的動(dòng)畫(huà)，根據(jù)起火點(diǎn)的位置、火情大小和處理方式，構(gòu)建不同的事故應(yīng)急演練場(chǎng)景。設(shè)計(jì)步驟如下：

1.設(shè)計(jì)空間型UI 界面：在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中定義空間參考系，將UI 界面放置在空間參考系中，保證用戶在觀看UI 界面時(shí)的舒適性；

2.設(shè)計(jì)UI 系統(tǒng)交互：設(shè)計(jì)UI 按鍵碰撞事件，達(dá)到與UI 系統(tǒng)交互的目的；

3.設(shè)計(jì)角色/設(shè)備模型交互：

①制作虛擬角色模型和各種個(gè)性行為動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)虛擬角色的仿真運(yùn)動(dòng)，完成需要實(shí)時(shí)控制的動(dòng)作動(dòng)畫(huà)；

②設(shè)置IK 動(dòng)畫(huà)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的各種物體設(shè)備控制和影響身體部位的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛擬角色模型與物體設(shè)備交互動(dòng)畫(huà)，完成事故應(yīng)急演練場(chǎng)景的構(gòu)建；

（3）將虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景接入VR全向行動(dòng)平臺(tái)；

（4）操作者通過(guò)VR 全向行動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行虛擬著火事故應(yīng)急演練。VR 全向行動(dòng)平臺(tái)包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，眼鏡向操作者反饋視覺(jué)信息，手柄向操作者反饋動(dòng)作信息，操作者輸出的操作動(dòng)作信息反饋給位置追蹤器和手柄。

方案如圖1所示。

3 實(shí)施方案

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配電盤(pán)著火事故應(yīng)急演練模擬方法，包括以下步驟：

3.1 建立虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

（1）通過(guò)測(cè)繪，例如三維激光掃描儀在水電站現(xiàn)場(chǎng)收集水電廠廠房以及廠房設(shè)備的現(xiàn)實(shí)空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

（2）使用逆向建模的手段，利用三維激光掃描儀獲取的現(xiàn)實(shí)空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在RiSCAN PRO 和3DsMax 中構(gòu)建電站的三維模型和將電站的三維模型導(dǎo)入到Unity3D 引擎中構(gòu)建電站的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；

具體步驟如圖2所示。

3.2 構(gòu)建虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景

根據(jù)電廠的配電盤(pán)著火應(yīng)急處置手冊(cè)、規(guī)范和處理流程，以及之前發(fā)生事故的記錄文檔、處置人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的角色操作流程和設(shè)備模型的動(dòng)畫(huà)；根據(jù)起火點(diǎn)的位置、火情大小和處理方式，構(gòu)建不同的事故應(yīng)急演練處置場(chǎng)景，真實(shí)還原處理流程。包括以下步驟：

圖1：交互框架圖

圖2：建模步驟

圖3：示意圖

3.2.1 設(shè)計(jì)空間型UI 界面

（1）定義空間參考系：在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中定義空間參考系，采用以頭部作為參考系，界面跟隨用戶的頭部運(yùn)動(dòng)；以軀干作為參考系，界面隨著身體旋轉(zhuǎn)和平移；以虛擬世界作為參考系，在利于用戶觀察的世界空間中放置UI界面；

（2）放置UI 界面：利用人體工學(xué)資料信息將UI 界面放置在空間參考系中的適當(dāng)位置，保證用戶在觀看UI 界面時(shí)的舒適性。具體操作為，計(jì)算出當(dāng)人體保持不動(dòng)，只轉(zhuǎn)動(dòng)眼睛觀察時(shí)最適合的視場(chǎng)角，以及當(dāng)人眼保持不動(dòng)，只轉(zhuǎn)動(dòng)頭部觀察時(shí)最適合的視場(chǎng)角，將這些視場(chǎng)角數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，確定在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人眼最舒適情況下所看到的區(qū)域，并在此區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)UI 界面布局，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，確保所有UI 界面都清晰可見(jiàn)，并且無(wú)論用戶頭部如何轉(zhuǎn)動(dòng)UI 界面始終在舒適范圍內(nèi)。

3.2.2 設(shè)計(jì)UI 系統(tǒng)交互

設(shè)計(jì)UI 按鍵碰撞事件，利用與UI 按鍵進(jìn)行碰撞檢測(cè)，達(dá)到與UI 系統(tǒng)交互的目的，包括以下步驟：

（1）為UI 界面中的UI 控件添加Box Collider，設(shè) 置Box Collider 的Size 屬 性，使Box Collider 和控件大小尺寸一致，并設(shè)置Box Collide 的Is Trigger 屬性為true；

（2）編寫(xiě)代碼文件，處理碰撞事件，并將代碼文件指定給相應(yīng)的UI 控件；

如圖3所示。

3.2.3 設(shè)計(jì)角色/設(shè)備模型交互

（1）將電站運(yùn)維人員的人物模型導(dǎo)入unity3d 中，調(diào)整人物模型的紋理貼圖，模擬水電站工作人員的真實(shí)形象，建立虛擬角色模型；基于骨骼蒙皮技術(shù)優(yōu)化人體骨骼并且設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)控制器，手動(dòng)調(diào)整各關(guān)鍵幀的骨架節(jié)點(diǎn)位置和骨骼轉(zhuǎn)向，創(chuàng)建跑步、走路、等待等個(gè)性行為動(dòng)作作為動(dòng)畫(huà)片段，將建立的虛擬角色模型和對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫(huà)片段導(dǎo)入素材庫(kù)，使虛擬角色模型和個(gè)性行為動(dòng)作相擬合，從而實(shí)現(xiàn)虛擬角色的仿真運(yùn)動(dòng)，完成需要實(shí)時(shí)控制的個(gè)性行為動(dòng)作動(dòng)畫(huà)。

（2）設(shè)置IK 動(dòng)畫(huà)，通過(guò)骨骼子節(jié)點(diǎn)帶動(dòng)骨骼父節(jié)點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的各種物體設(shè)備控制和影響身體部位的運(yùn)動(dòng)；利用代碼根據(jù)末端子關(guān)節(jié)的位置移動(dòng)來(lái)動(dòng)態(tài)的計(jì)算出每個(gè)父關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)控制動(dòng)畫(huà)的播放，使虛擬角色和虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景更加貼合，從而達(dá)到更加真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)效果，可以實(shí)現(xiàn)虛擬角色模型與物體設(shè)備交互動(dòng)畫(huà)，例如拿起滅火器等。如圖4所示。

3.3 將虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景接入VR全向行動(dòng)平臺(tái)

VR 全向行動(dòng)平臺(tái)打破了現(xiàn)實(shí)和虛擬的隔閡，只需要一平米的現(xiàn)實(shí)空間，就能為用戶提供無(wú)限的虛擬世界，沒(méi)有場(chǎng)地大小的限制，也不需要采用折中的非自然的移動(dòng)方式，在保證絕對(duì)安全的前提下，能將用戶做出的行走、奔跑等動(dòng)作映射到虛擬場(chǎng)景中，使視覺(jué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和自身實(shí)際身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，在解決了暈動(dòng)癥的同時(shí)，讓用戶感受身臨其境的震撼感。

3.4 操作者通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)讀取虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景

通過(guò)VR 全向行動(dòng)平臺(tái)在虛擬現(xiàn)實(shí)演練場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬著火事故應(yīng)急演練，虛擬著火事故應(yīng)急演練中，VR 全向行動(dòng)平臺(tái)向操作者反饋操作信息，操作者根據(jù)反饋的操作信息調(diào)整操作，并向VR 全向行動(dòng)平臺(tái)輸出操作動(dòng)作信息。VR 全向行動(dòng)平臺(tái)包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，三維虛擬事故應(yīng)急演練場(chǎng)景通過(guò)眼鏡向操作者反饋視覺(jué)信息，UI/角色/設(shè)備模型交互處理通過(guò)手柄向操作者反饋動(dòng)作信息，操作者根據(jù)反饋信息調(diào)整自己的操作，輸出的操作動(dòng)作信息反饋給位置追蹤器和手柄，位置追蹤器和手柄再反饋到UI/角色/設(shè)備模型交互處理中。如圖5所示。

4 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法通過(guò)建立高度逼真的真實(shí)電站的虛擬現(xiàn)實(shí)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)演練場(chǎng)景，操作者戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔即置身于電站的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，在三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中真實(shí)地進(jìn)行火災(zāi)事故的應(yīng)急響應(yīng)演練與指揮訓(xùn)練，提升電廠運(yùn)維人員事故應(yīng)急處置能力，培訓(xùn)效果良好；運(yùn)維人員可以不受時(shí)間、空間和內(nèi)容的限制在虛擬環(huán)境中進(jìn)行配電盤(pán)著火事故的應(yīng)急演練，提高培訓(xùn)效率，減少人力物力和耗費(fèi)。通過(guò)使用VR 全向行動(dòng)平臺(tái)，打破虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的空間壁壘，解決了在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中因身體和眼睛接收到的空間信息不一致產(chǎn)生的眩暈感，能夠正確接收信號(hào)和處理信息，體驗(yàn)效果好，反應(yīng)真實(shí)、靈活、嚴(yán)肅，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，方便運(yùn)維人員進(jìn)行培訓(xùn)。

因此，該方法既具有嚴(yán)肅性和真實(shí)性高，培訓(xùn)效果良好的特點(diǎn)，又具有減少人力物力和耗費(fèi)，演練內(nèi)容不受局限的特點(diǎn)。

圖4：示意圖

圖5：系統(tǒng)架構(gòu)圖