基于虛擬仿真技術(shù)的電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用研究

黃 聰

（廣州電力工程監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為電力技能訓(xùn)練的改革帶來了新的研究領(lǐng)域，它的本質(zhì)是一個人機(jī)交互界面，用計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個對現(xiàn)實(shí)世界的模擬。林向義[1]提出了一種利用3DS MAX和OpenGL構(gòu)建的虛擬的電力培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)與教育實(shí)訓(xùn)的結(jié)合。龔波濤等人[2]介紹了電力工程建設(shè)管理模塊及其包括的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)安全體驗(yàn)區(qū)，分析了安全體驗(yàn)區(qū)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力工程建設(shè)監(jiān)理安全中的應(yīng)用。劉建明等人[3]提出了通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的快速調(diào)用與疊加，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境沉浸式感知的提升，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境與數(shù)字對象的共存與互動，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合。該文基于虛擬仿真技術(shù)提出了一種電力技能培訓(xùn)平臺，提供所需技能的沉浸式訓(xùn)練，提高訓(xùn)練質(zhì)量和訓(xùn)練效率。

1 基于虛擬仿真的沉浸式環(huán)境建模

該文提出的電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)是一種基于虛擬仿真技術(shù)的新型實(shí)訓(xùn)輔助系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確展示各種個性化的交互方式，讓員工在實(shí)訓(xùn)中發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，通過增強(qiáng)沉浸式體驗(yàn)來提高監(jiān)理安全效果，實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)交互[4]。

在虛擬仿真監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)中，每個動作都涉及多種坐標(biāo)變換，該文針對三維模型的幾何變換問題給出了幾何變換公式。

設(shè)三維模型變換前的一個點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y，z，1），其變換后的坐標(biāo)是（x*，y*，z*，1），三維模型的幾何變換矩陣為T，如公式（1）所示。

幾何變換矩陣T可以分為4個子矩陣：T1、T2、T3、T4，如公式（2）～公式（5）所示。

式中：T1將產(chǎn)生比例變換和旋轉(zhuǎn)變換；T2將產(chǎn)生平移變換；T3將產(chǎn)生投影變換；T4將產(chǎn)生整體比例變換。

設(shè)比例變換的參考點(diǎn)是，（xf，yf，zf）縮放比例是（Sx，Sy，Sz），則可以推導(dǎo)出如公式（6）所示的變換矩陣。

當(dāng)Sx=Sy=Sz=1時，三維模型為恒等比例變換，即三維模型不變。當(dāng)Sx=Sy=Sz>1時，三維模型將會沿著三個坐標(biāo)軸方向等比放大。當(dāng)Sx=Sy=Sz<1時，三維模型將會沿著三個坐標(biāo)軸方向等比縮小。當(dāng)Sx≠Sy≠Sz時，三維模型將會沿著三個坐標(biāo)軸方向不均勻變換。

2 虛擬仿真技術(shù)在電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬帶電作業(yè)場景的應(yīng)用

虛擬帶電作業(yè)場景通過視頻數(shù)據(jù)線路傳輸?shù)綄W(xué)員頭上的頭盔式數(shù)字顯示器上，以三維效果顯示帶電作業(yè)場景，通過拉近學(xué)員的視覺、聽覺和其他感官感受，提供一種完全沉浸的體驗(yàn)，使學(xué)員有置身于帶電作業(yè)環(huán)境虛擬境界的感覺，如圖1所示。

圖1 典型虛場景圖

頭盔式數(shù)字立體顯示器可將受訓(xùn)人員不受環(huán)境影響地投入帶電作業(yè)的虛擬場景中，達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。頭盔式立體顯示器廣泛采用LOCS或OLED顯示技術(shù)，支持DVI信號輸入和SVGA，具有超高分辨率，能提供清晰的圖像，并配有耳機(jī)，提供高質(zhì)量的音效，可切換立體聲顯示模式和2D顯示模式。其技術(shù)要求如下：1） SVGA圖像。2） 可將前蓋提起，方便物理操作。3） 像素，1024×768。4）度，取值26。5） 支持立體效果。6） 設(shè)備控制質(zhì)量，600 g。7） 顯示技術(shù)，硅晶。8） 立體聲模式，連續(xù)切換立體聲畫面（可切換立體聲和2D模式）。9） 角度，取值28.5。10） 支持vga輸入。11） 支持dvi輸入。

立體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)軟件的選擇是建立真實(shí)感模型的關(guān)鍵，系統(tǒng)開發(fā)引擎的選擇是另一個重要的環(huán)節(jié)。利用功能強(qiáng)大的3D軟件Quest3D，通過程序的控制，采用基于模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建模工具，如3DS MAX進(jìn)行建模。該技術(shù)的原理是以基本特征模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型樣本。在建立真實(shí)模型時，需要對模型的特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過調(diào)整定制的參數(shù)就可以得到環(huán)境所需的真實(shí)模型。該建模方法簡單直觀，是大規(guī)模城市場景建模的基礎(chǔ)，尤其適用于電力系統(tǒng)設(shè)備的三維建模。Torque發(fā)動機(jī)本身具有完善的交互響應(yīng)機(jī)制，并利用Torque來設(shè)計(jì)相應(yīng)的場景。以10 kV跌落式熔斷器拉動動作為例（如圖2所示），下面分3步介紹Torque engine中人與虛擬物體的交互。

第一步，制作精神熔斷器的3D動畫（kaiguan.dts），保存在引擎下的emulator/data/models/目錄下。在Torque腳本中，通過ItemData，將其與Datab1ock對象關(guān)聯(lián)起來。具體情況如下：Datablock ItemData（kaiguan_dts）

2.2 虛擬變電站場景的應(yīng)用

基于虛擬仿真的開關(guān)柜場景和設(shè)備如圖2所示，在建立的虛擬變電站環(huán)境中，學(xué)員可以在場景中自由漫游、操作和體驗(yàn)，完成變電站倒閘操作和開關(guān)柜維護(hù)的實(shí)訓(xùn)。平臺提供的沉浸式虛擬變電站環(huán)境可以模擬設(shè)備巡檢和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、檢修和維護(hù)操作，讓學(xué)員更有效地掌握變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工程組成和操作流程。這里以某變電站中進(jìn)行驗(yàn)電操作的驗(yàn)電器為例進(jìn)行介紹。下面這段程序描述了某運(yùn)行人員使用驗(yàn)電器進(jìn)行的驗(yàn)電操作：

圖2 模擬圖

其中﹩case_JZ_WZYGDZ _ worker.setTransform是對人物模型的處理；start.setTransform是對攝像機(jī)的初始化；﹩case_JZ_WZYGDZ_ WZYGDZ （yandianqi，4）這個函數(shù)是讓運(yùn)行人員周某某拿出驗(yàn)電器。然后調(diào)用函數(shù)setActionThread（“電測試”，true）完成驗(yàn)電操作。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)任務(wù)是安全地給設(shè)備通電，并確定設(shè)備的參數(shù)，要求學(xué)生在提供的列表中找到安裝在設(shè)置中的硬件組件的部件號，檢查組件選擇是否合理，并調(diào)整設(shè)置。在大多數(shù)任務(wù)中，直接激活會導(dǎo)致模擬設(shè)備故障，需要進(jìn)行設(shè)備維修。而在虛擬實(shí)驗(yàn)室的情況下，試驗(yàn)可以重新進(jìn)行。電機(jī)和電力驅(qū)動訓(xùn)練項(xiàng)目的20名學(xué)員分4組在實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)中使用該軟件執(zhí)行個人任務(wù)。學(xué)員們“燒毀”了至少一套虛擬設(shè)備，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室中，保護(hù)措施是可以預(yù)見的，虛擬試驗(yàn)結(jié)果展示平臺如圖3所示。

圖3 虛擬試驗(yàn)結(jié)果

將圖3所示的部署在本地服務(wù)器的虛擬試驗(yàn)結(jié)果展示平臺移植到Web端，以便更方便地通過網(wǎng)址來訪問，并對功能做進(jìn)一步的擴(kuò)展，包括其他虛擬化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和可視化展示。

參與體驗(yàn)工作人員包括熟練作業(yè)人員和實(shí)訓(xùn)操作學(xué)員，共計(jì)50人，分5個項(xiàng)目進(jìn)行測試和評價，評價結(jié)果如圖4所示。分析數(shù)據(jù)得知，50位體驗(yàn)人員的非常滿意度都超過了30%，滿意及滿意以上的比例超過了75%。

圖4 虛擬仿真系統(tǒng)培訓(xùn)使用評價結(jié)果

在許多情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室是發(fā)展學(xué)生基該工程技能的最佳解決方案。虛擬實(shí)驗(yàn)室的要求由學(xué)習(xí)目標(biāo)和被虛擬化的對象決定，這需要用于數(shù)學(xué)模型計(jì)算的計(jì)算能力分配的高優(yōu)先級，以及計(jì)算能力源和用戶界面之間的高通信信道帶寬。

為進(jìn)一步測試基于仿真技術(shù)的電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)對學(xué)員訓(xùn)練的有效性，進(jìn)一步展開相關(guān)測試工作并收集測試數(shù)據(jù)，將20名學(xué)員分為2組，每組10人。一組按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行安全訓(xùn)練，另一組在基于仿真技術(shù)的電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)訓(xùn)，實(shí)訓(xùn)的通過率見表1。從各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容來看，基于虛擬仿真的電力工程監(jiān)理培訓(xùn)系統(tǒng)的效率明顯高于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式，尤其是突發(fā)情況應(yīng)對這一訓(xùn)練項(xiàng)目，超過傳統(tǒng)訓(xùn)練40個百分點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了交互式實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢。

表1 電力工程學(xué)員訓(xùn)練測試結(jié)果

4 總結(jié)

虛擬仿真技術(shù)可以將電力工程系統(tǒng)中不可見、不可觸摸以及不可接近的場景虛擬化、可視化地呈現(xiàn)出來，有助于解決人員實(shí)訓(xùn)過程中的關(guān)鍵問題。該文的平臺可以使受訓(xùn)者有非常直觀的體驗(yàn)，在實(shí)際操作和維護(hù)操作之前獲得實(shí)時、三維的可視化指導(dǎo)。通過將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電力業(yè)務(wù)如運(yùn)行、維護(hù)和檢修系統(tǒng)相結(jié)合，可以為相關(guān)電力業(yè)務(wù)提供直觀、形象的指導(dǎo)，有利于提高業(yè)務(wù)水平、安全性、可靠性和運(yùn)行效率，因此其應(yīng)用前景非常廣闊。目前虛擬仿真技術(shù)仍處于快速發(fā)展的過程中，隨著虛擬仿真技術(shù)的推廣和應(yīng)用，它必將成為電力工程技能監(jiān)理的重要手段。