淺談VR 技術(shù)在變電站培訓(xùn)上的應(yīng)用

茹超超，張正奇，岳珈增，孔琳琳

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

0 引言

電力作為國民經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的一部分，有著極其重要的作用，而變電站則是提供穩(wěn)定電力的重要環(huán)節(jié)。因為天氣、設(shè)備、誤操作等原因引發(fā)的事故每年時有發(fā)生，每次都會造成經(jīng)濟損失，有時還會造成人員傷亡，因此對于變電站工作人員的技能水平要求越來越高[1]。而傳統(tǒng)的變電站培訓(xùn)教學(xué)存在理論知識和實際操作相分離的缺點，理論學(xué)習(xí)枯燥乏味，實際操作生疏易錯，極易造成訓(xùn)練設(shè)備的損壞。因此開發(fā)一個交互性好、訓(xùn)練效果好、成本低的變電站培訓(xùn)教學(xué)軟件顯得尤其重要。

1 利用VR 技術(shù)搭建培訓(xùn)系統(tǒng)的相關(guān)概念

1.1 VR 技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來隨著計算機、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而新興的一門技術(shù)。該技術(shù)利用計算機及相關(guān)軟件，生成逼真的視、聽及觸覺一體化的三維虛擬世界。用戶借助頭戴立體顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，切身參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感和帶入感。近年來VR 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于培訓(xùn)教學(xué)領(lǐng)域[2]。

1.2 VR 技術(shù)在變電站培訓(xùn)教學(xué)上的優(yōu)點

傳統(tǒng)變電站的培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，枯燥無味，在培訓(xùn)過程中技術(shù)人員不能全方位的了解變電站的組成及各部分的功能。此外，也不能模擬突發(fā)的危險情況。而采用了VR 技術(shù)的培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的沉浸式效果極好，能夠極大鼓舞受訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)熱情，并且提供了事故仿真處理環(huán)節(jié)，能夠大大的提高培訓(xùn)的效果，同時這樣的教學(xué)軟件不受時間和空間的限制，易于推廣[3]。

2 VR 技術(shù)搭建培訓(xùn)系統(tǒng)的流程

首先需要前往變電站進行實地調(diào)研，并對變電站內(nèi)的一二次設(shè)備進行拍照、錄像等，以便于后期建模使用。其次根據(jù)前期拍攝的照片、錄像，用3ds Max這款強大的三維建模軟件，實現(xiàn)對模型的建立，通過材質(zhì)和貼圖使模型更加真實。然后將模型導(dǎo)入到Unity3D 中，通過對場景編寫相關(guān)的C#腳本來實現(xiàn)場景漫游、設(shè)備實操、事故仿真等功能。受訓(xùn)人員可以通過頭戴式設(shè)備實現(xiàn)人機交互，以極高的沉浸感和現(xiàn)場感來學(xué)習(xí)變電站的相關(guān)知識[4]。

2.1 三維建模

3ds Max 中有主要的建模方法有：多邊形（Ploygon）建模、細分曲面建模（subdivision surface）和非均勻有理B 樣條曲線建模（NURBS）。在對場景的中的電氣設(shè)備如變壓器進行建模的時候，主要采用的是多邊形建模。根據(jù)拍攝的照片和錄的視頻以及其他輔助材料，來確定模型的大小比例，只有這樣，才能達到很好的交互效果。選用標準基本體中的長方體來充當(dāng)變壓器的大致輪廓，然后選中長方體通過點擊右鍵轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，在頂點、邊、邊界、多邊形、元素五個層級下通過旋轉(zhuǎn)、縮放、擠出、橋等操作來構(gòu)建出變壓器的細節(jié)[5]。此外，為了使計算機運行流暢，不出現(xiàn)卡頓，在建立模型的時候要注意刪除看不見的面，盡量使復(fù)雜的模型變的簡單化。

2.2 紋理映射技術(shù)

模型建立大致完成之后，通過紋理映射可以使模型在使用較少的邊數(shù)的情況下就可以獲得與實際模型很貼近的三維模型。所謂紋理映射就是就是將二維的圖片映射到三維模型的表面來對三維模型的細節(jié)進行刻畫，二維圖片可以通過Photoshop 等軟件進行適當(dāng)?shù)奶幚砣缓笤儋x予三維模型，可以有效增強模型的真實感，同時可以使得模型的邊數(shù)大大減少，使系統(tǒng)運行更加流暢[6]。通過陰影烘焙技術(shù)可以記錄虛擬場景中當(dāng)前場景的光照信息，這樣在Unity3D 中進行漫游開發(fā)時不需要程序演算就可以得到很好的光影效果，大大節(jié)約了系統(tǒng)運行資源。

2.3 硬件設(shè)備的選擇

現(xiàn)如今，市場上已經(jīng)有非常多種類的VR 設(shè)備，大致可以將這些設(shè)備分為手機盒子、外接式頭盔以及一體式的頭戴式設(shè)備三種[7]。手機盒子的工作原理是將透鏡放在手機上，讓你可以直接觀看VR，但是VR的運算量很大，手機容易發(fā)熱，從而導(dǎo)致卡頓。一體式的頭戴式設(shè)備沒有連線的束縛，自由度更高，方便受訓(xùn)人員進行培訓(xùn)，但是價格比較昂貴。而外接式頭盔相較于手機盒子有更好的沉浸式體驗，而且價格比一體式的便宜很多。其中，HTC vive 品牌的外接式頭盔相對來說性價比比較高。

2.4 場景漫游

在進行場景漫游的時候需要解決碰撞檢測的問題，在現(xiàn)實的實際生活中，在同一位置，是不可能出現(xiàn)兩個及以上物體的。在虛擬的世界中，如果一個物體從另一個物體中穿過去，就會讓用戶有不真實的體驗感覺。為了解決上述的問題，系統(tǒng)在開發(fā)的時候沒有采用簡單的包圍球算法，而是采用了網(wǎng)格模型視點距離法的實時碰撞檢測，通過網(wǎng)格找到三維模型各包絡(luò)點最大并通過連線求出占據(jù)能夠包括變壓器三維模型的小線框，當(dāng)相機的位置與線框發(fā)生碰撞的時候則在程序中保持相機的位置參數(shù)不變，從而解決了發(fā)生穿透的問題[8]。

2.5 事故仿真

變電站常見的事故有很多種，比如變壓器的滲漏油、起火、斷路器的六氟化硫氣壓降低、隔離開關(guān)的拒分、電流互感器的操作機構(gòu)柜故障等。這些常見的事故可以使用Unity3D 強大的粒子系統(tǒng)和Shader 來實現(xiàn)。當(dāng)變壓器起火的時候，可以在著火的位置加入火焰粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)著火的特效，并通過調(diào)節(jié)粒子預(yù)熱、粒子發(fā)射初始顏色、粒子生命周期等來改變火焰在場景中的狀態(tài)[9]。受訓(xùn)人員通過配帶HTC vive 設(shè)備在場景中進行漫游，并通過手柄上的Touchpad 按鈕來實現(xiàn)操控泡沫滅火器對場景中起火的變壓器進行滅火，在滅火的過程中采用相交圓碰撞檢測算法來實現(xiàn)滅火的功能。

2.6 測試考核系統(tǒng)

如果想進一步測試受訓(xùn)人員的培訓(xùn)效果，可以通過MySQL 數(shù)據(jù)庫建立關(guān)于變電站的基礎(chǔ)題庫和事故仿真練習(xí)題庫。受訓(xùn)人員可根據(jù)自身學(xué)習(xí)的需要，選擇是進行變電站基礎(chǔ)知識練習(xí)還是事故仿真練習(xí)，兩種方式對應(yīng)不同的試題數(shù)據(jù)庫類型，將數(shù)據(jù)庫內(nèi)試題呈現(xiàn)到培訓(xùn)系統(tǒng)的界面上，受訓(xùn)人員即可進行答題。受訓(xùn)人員完成后提交，系統(tǒng)會自動對比正確答案給出受訓(xùn)人員成績。這樣，不僅完成了培訓(xùn)的目的，更進一步也檢驗了受訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)效果。

3 培訓(xùn)系統(tǒng)的不足與改進

在此系統(tǒng)開發(fā)的過程中，變電站的整個場景的設(shè)備模型很多，在受訓(xùn)人員的培訓(xùn)過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)所占空間過大以及卡頓現(xiàn)象，對于大一點的變電站場景，即使提高電腦的性能也無濟于事。這就在一定程度上限制了此項技術(shù)的發(fā)展。此外，還存在市面上常見的VR 設(shè)備硬件的價格依然過高，受訓(xùn)人員培訓(xùn)過程中可能會出現(xiàn)暈眩的問題[10]。為解決以上問題，在以后的開發(fā)中，需要進一步對建的模型進行優(yōu)化，尋找市面上做的更好的硬件設(shè)備，減少暈眩的情況。再進一步來說，還可以通過Unity3D 這個強大的跨平臺引擎，把培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)布成WebGL 版本，供在線學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的變電站培訓(xùn)中引入VR 技術(shù)，這大大的激發(fā)了受訓(xùn)人員們的熱情。并通過配合HTC vive 設(shè)備進行使用，很大程度上增強的培訓(xùn)的現(xiàn)場感，同時使參加培訓(xùn)的用戶有著身臨其境的沉浸感。該系統(tǒng)使用Unity3D 進行系統(tǒng)開發(fā)，它有很好的兼容性。這大大的降低了軟件的開發(fā)難度，降低了軟件的開發(fā)成本。隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展和調(diào)整，VR 技術(shù)在變電站培訓(xùn)中將會變得愈來愈重要。