虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀研究

摘 要：近年來，我國虛擬現(xiàn)實技術獲得了快速發(fā)展，在日常生活中也得到了越來越廣泛的應用?，F(xiàn)簡要介紹了虛擬現(xiàn)實技術的相關概念與發(fā)展過程，列舉了目前虛擬現(xiàn)實技術的運用情況，具體分析了虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，并作出了歸納與總結。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;電力系統(tǒng);應用現(xiàn)狀

1 ? ?VR技術的概念

VR技術，即虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality），指的是虛擬和現(xiàn)實相互結合的一種技術。VR技術目前已經發(fā)展到了第三代，它結合虛擬化信息技術、圖像處理技術、網絡技術等構造出一個逼真的虛擬世界，使體驗者獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，且體驗者可以在虛擬世界中進行自由操作和交互[1]。

2 ? ?VR技術的發(fā)展現(xiàn)狀

VR技術誕生于20世紀中葉，但幾十年之后才引起了人們的注意和重視。隨著社會生產力和科學技術的進步，各行各業(yè)對VR技術的需求日益旺盛，VR技術取得了巨大的進步。截至目前，VR技術引領的新時代已經逐漸滲透并普遍運用于人們的日常生活中。

作為VR起源地的美國，VR首先應用于軍事、航空航天模擬訓練等專業(yè)領域，而后逐漸擴散至民用領域。歐洲國家則將VR技術更多地應用于改造傳統(tǒng)工業(yè)與產品的相關方面，有效提升了產品的質量和利潤，并且得到了更多客戶的青睞。

我國針對VR技術的研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，近年來在各行各業(yè)中得到了較好的應用，并且取得了良好的反響，獲得了各界的重視與支持。國內高等院校、研究機構與各大企業(yè)，也對VR技術的發(fā)展前景很感興趣，紛紛投身VR領域的研究與應用之中。VR技術實現(xiàn)了視覺技術的突破，開發(fā)了虛擬現(xiàn)實應用管理系統(tǒng)，在虛擬建模、仿真培訓等方面具有積極的推動作用。

3 ? ?VR技術的應用現(xiàn)狀

這些年來，VR技術已經取得了飛速的進步，在國內外得到了廣泛的應用，涉及醫(yī)療、旅游、教育、建筑、軍事等各個方面。

3.1 ? ?VR醫(yī)療

VR技術在醫(yī)療范疇的運用相當普遍，并且具有很大的提升空間。

（1）通過3D模型，模擬手術病人與手術環(huán)境（圖1），用于醫(yī)療培訓，解決醫(yī)療資源匱乏的問題。

（2）用于輔助治療，創(chuàng)造虛擬的環(huán)境，緩解病人心理上的緊張，從而減輕身體上的痛苦。

3.2 ? ?VR旅游

（1）用于景點宣傳：通過景點的VR全景復原對景點進行宣傳與推廣，用戶可以通過VR技術提前參觀景點，并對實際旅行時的路線做出決策。

（2）用于景區(qū)內的虛擬體驗，可以保護那些珍貴的歷史文物不被旅游者破壞，或者復原已經消失的歷史遺跡等。

（3）全VR主題景點（圖2），比如The Void、Zero Latency等VR題材公園。

3.3 ? ?VR教育

VR技術的引入豐富了教學的內容和方式，也提高了學習內容的真實性和有趣性。對于一些需要現(xiàn)場操作的課程，比如駕駛、手術、加工制作等，VR教育可以降低培訓費用和縮短培訓時間，避免學員因為學藝不精而造成的傷害。目前，Lingoland、Unimersiv等公司已經相繼開發(fā)完成了完善的VR教育系統(tǒng)，我國這類教育系統(tǒng)也在逐步開發(fā)和完善中（圖3）。

3.4 ? ?VR建筑

VR技術可以完美地運用于建筑設計和樣板展示中（圖4）。VR技術突破了傳統(tǒng)2D設計的局限性，設計師可以獲得更好的空間感，客戶可以獲得更加直接的體驗感，有助于多方溝通。VR技術目前在建筑行業(yè)的設計、展示、營銷方面均已有了較大規(guī)模的運用，為建筑行業(yè)的設計、生產、銷售做出了有力的貢獻。

3.5 ? ?VR軍事

VR技術在軍事領域已經得到了非常廣泛的應用，其不僅可以節(jié)省大量成本，節(jié)約大量人力、物力與時間，還可以降低軍事風險。我國軍事訓練中已大量使用虛擬現(xiàn)實設備（圖5），其既可以模擬各種場景和設備，又可以幫助軍人體驗各種軍事訓練課程。

此外，電力、石油、礦產等這類高危行業(yè)也常利用VR技術進行仿真模擬，既可以降低事故發(fā)生的概率，又可以節(jié)省人力物力成本。目前，國內VR系統(tǒng)引擎已經較成熟，許多公司和大學都在積極研究相關內容，并陸續(xù)建立了虛擬現(xiàn)實仿真實驗室，正迅速將這一科技成果轉化為實用技術。

4 ? ?VR技術在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

4.1 ? ?VR技術在輸變電系統(tǒng)中的應用

變電站和輸電線路是電力系統(tǒng)中最重要的組成部分，目前，國內各單位及高校已經根據各地特點建成多套110～500 kV各電壓等級的虛擬變電站模型與各電壓等級的輸電線路。

對于變電站而言，VR技術可以提供以下功能：

（1）在設計初期，可以通過建模驗證各個設備結構之間的相對位置，制訂出合理的部署方案，優(yōu)化空間布局。

（2）系統(tǒng)建成后，可以給變電站作業(yè)人員的檢修、維護工作提供直觀、形象的指導，降低作業(yè)難度與風險，提高作業(yè)效率。

（3）可以給變電站人員進行變電站結構、功能、運行模式方面的仿真培訓，降低培訓的成本與風險。

對于輸電線路而言，VR技術可以提供下列功能：

（1）可以為輸電線路建設模擬提供建模支持。

（2）可以提供輸電線路建設過程中的環(huán)境模擬功能，預知建設事故與環(huán)境風險。

（3）可以建立災害模擬及評估系統(tǒng)。

（4）可以建設運行軌跡模型。

（5）可以為線路工作人員提供模擬尋線功能。

4.2 ? ?VR技術在電力培訓中的應用

國外從1970年起就開展了基于VR技術的電力系統(tǒng)操作和考核培訓系統(tǒng)研究，而我國自1990年以來，也先后建立了電力方面的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)，涵蓋了電力系統(tǒng)建設培訓、帶電作業(yè)培訓、事故處置培訓等，將電力培訓由書面化轉變?yōu)閳D像化，給培訓人員提供了作業(yè)的真實感與沉浸感，使電力培訓方式發(fā)生了重要轉變。

在國內，多家公司研制的虛擬現(xiàn)實電力培訓系統(tǒng)可為電力系統(tǒng)人員培訓等工作提供一種沉浸式的、安全的、交互式的培訓方式，不但可以三維顯示設備的外部形狀，還可以展示其內部構造及連接方式，揭示其邏輯關系;并且通過人機交互技術，學習電力設備的工作原理與檢修維護方法，效果直接明了。根據異地學習人員的需要，運用互聯(lián)網技術，建立多點分布式的VR教學系統(tǒng)，可進行多用戶的系統(tǒng)操作，提供異地系統(tǒng)作業(yè)的環(huán)境。

采用VR技術進行仿真培訓，既可以節(jié)省培訓成本，又可以有效降低培訓中的風險，學習人員可以對場景進行360°的自由觀測，對設備結構進行剖析，深入了解其組成和原理，獲得書本上難以獲得的直觀感受。此外，電力虛擬仿真培訓較為靈活，模型、數據、信息和交互方式的配置可根據需要來設計、建造、擴展、補充或組合[2]。

4.3 ? ?VR技術在電力系統(tǒng)運行過程中的應用

VR技術的加入，可以有效保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，維護電力系統(tǒng)的運行質量。各單位研制出了不同的虛擬仿真系統(tǒng)，可以協(xié)助電力工作人員進行遠程操作和模擬訓練。有的單位還發(fā)明了相關作業(yè)機器人，可以通過對應的VR操作軟件，控制機器人進行實際的檢修作業(yè)，保證作業(yè)的精度和人員的安全。

（1）電力網絡因為分布原因，有時只能進行遠程操控，但準確性不高。電力作業(yè)人員可以憑借VR技術，通過現(xiàn)場實際數據與虛擬場景相結合，有效提升遠程操作的準確性。同時，在VR模擬系統(tǒng)中，可以有效避免現(xiàn)實世界中的電場、溫濕度變化等的影響，使作業(yè)人員能做出更精準的操作與計算。

（2）在電力運行過程中，作業(yè)人員難免需要進行現(xiàn)場作業(yè)，但高空或高壓往往讓經驗不足的作業(yè)人員心生畏懼。利用VR系統(tǒng)可以使作業(yè)人員提前適應相應的虛擬環(huán)境，克服自身的恐懼。作業(yè)人員通過提前適應，提前練習，大大降低現(xiàn)場培訓或者作業(yè)中的風險。

4.4 ? ?VR技術在電力工程設計中的應用

在以往的電力設計中，工作人員往往通過圖紙進行設計，設計過程中難免會因為銜接性的問題而造成設計誤差，從而導致后續(xù)生產過程中的失誤。三維建模的出現(xiàn)有效提升了設計的準確性，避免了溝通誤差，同時極大地提升了效率，也降低了各種成本，并且更加直觀，降低了設計難度。

目前通常先采用VR技術進行三維設計，而后采用二維圖紙進行生產指導。根據需要從數據庫中自動生成多種設計圖紙和報告，轉換過程是由軟件自動完成的，可以有效解決不同設計圖之間不對應或者漏改、漏標和書寫錯誤等問題。另外，還可以利用三維建模來檢查設計的合理性、正確性，優(yōu)化設備結構和使用空間，非常直觀高效，避免出現(xiàn)設計干擾或空間大小不合適的情況。

此外，在數據庫的支持下，設計系統(tǒng)不僅可以存儲和管理三維模型，還可以將各種資料、圖紙進行協(xié)調集成，使系統(tǒng)更加全面、完整，具備全流程的可追溯性。設計單位在使用VR技術后，原本的設計成功由一堆關聯(lián)性不太強的圖紙變成了一套完整的、系統(tǒng)的、直觀的數據庫，其準確、真實地體現(xiàn)了設計人員的思想，集成了歷史項目的設計流程，為提升電力設計的準確性、標準性提供技術支持，深受各個設計單位的好評。

4.5 ? ?VR技術在電力突發(fā)事件應急演練中的應用

隨著人們生活水平的提高，電氣設備的數量和使用頻率均大幅上漲，激增的電能需求量時刻沖擊著電網的安全與穩(wěn)定運行。這些年，國家電網逐步建立了電力應急體系以確保人們日常用電的安全與穩(wěn)定，并以電力應急物資儲備、應急組織體系等八項工作為重點[3]。但是，傳統(tǒng)的應急搶修演練組織難度大，耗費人力物力多，效果卻不盡如人意?；诖?，將VR技術與電力應急搶修演練進行有機融合，開發(fā)基于VR的虛擬仿真應急平臺，能夠協(xié)助運行、搶修、調度人員共同完成應急處理任務，減少人力物力投入，增強演練效果。目前，VR技術在突發(fā)事件應急演練中的應用較少，但在逐步增加。

5 ? ?結語

近年來，VR技術在電力系統(tǒng)中有了一定的運用，在建筑設計、設備認知、培訓管理等領域中均有試點，并取得了良好的口碑。但VR技術在電力系統(tǒng)中的運用范圍有待擴大，參與使用的人數及頻率仍然較低。相信在不久的將來，隨著VR技術的普及和發(fā)展，電力系統(tǒng)的各方各面均會享受到VR技術的福利，VR技術將滲透到電力系統(tǒng)的日常工作中，為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行做出獨特的貢獻。

[參考文獻]

[1] 胡圣武，潘正風.虛擬現(xiàn)實技術的應用及其需要解決的問題[J].礦山測量，2004（1）：13-14.

[2] 陳海波，鄭健，費瑞軼，等.虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中的典型應用[J].電網與清潔能源，2016，32（2）：20-25.

[3] 劉鵬博.基于虛擬現(xiàn)實技術的應急演練系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].秦皇島：燕山大學，2016.

收稿日期：2020-12-03

作者簡介：郭鵬程（1980—），男，浙江寧波人，工程師，研究方向：輸配電線路。