基于3Ds Max三維建模軟件的變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許路廣，李銳鋒

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，還有許多問(wèn)題沒(méi)有徹底解決，對(duì)電力設(shè)備的維修管理，防范大面積停電事故發(fā)生仍是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的工作[1]。在傳統(tǒng)電力設(shè)備運(yùn)維方法中，大多采用計(jì)劃?rùn)z修維護(hù)體制。其本身存在著嚴(yán)重缺陷，如臨時(shí)性維修頻繁，維修不足或維修過(guò)剩，盲目維修等，解決問(wèn)題途徑受限，且極大地依賴于現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)水平，低效率的作業(yè)與高效可靠的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理要求矛盾日益突出[2]。隨著電力設(shè)備運(yùn)維的智能化設(shè)備逐步增加，一線新生代員工質(zhì)量與數(shù)量均不能滿足電力設(shè)備行業(yè)快速發(fā)展的需求。一線人員往往專業(yè)知識(shí)不足、經(jīng)驗(yàn)不足，不能獨(dú)立完成維修任務(wù)，需專業(yè)人士協(xié)助而協(xié)助過(guò)程中信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳達(dá)對(duì)維修時(shí)間有很大影響，所以一種建立現(xiàn)場(chǎng)與專家的有效連接方法顯得尤為重要[3]。基于此，此次研究在三維建模的基礎(chǔ)上，搭建電氣設(shè)備虛擬仿真模型。這使得電氣設(shè)備能夠更好地檢查維修，讓從業(yè)人員能夠通過(guò)仿真模型實(shí)現(xiàn)專業(yè)培訓(xùn)。

1 3Ds Max仿真軟件功能介紹

3Ds Max 是由美國(guó)3Ds Max 公司研發(fā)的一款三維建模軟件，支持多個(gè)平臺(tái)使用，具備強(qiáng)大的建模功能。該軟件不僅可以進(jìn)行三維建模，還能進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、渲染等工作。3Ds Max 還能根據(jù)需求對(duì)模型進(jìn)行編輯，包括添加紋理、材質(zhì)、燈光、光照等。在3Ds Max 中，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)建和編輯。3Ds Max 中的建模方法包括特征建模、實(shí)體建模、體積建模等。特征建模是根據(jù)場(chǎng)景中的幾何對(duì)象，通過(guò)添加材質(zhì)來(lái)模擬場(chǎng)景中物體的形狀。實(shí)體建模是對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致化處理，通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)模擬物體的尺寸大小、材料以及質(zhì)量等[4]。體積建模是根據(jù)場(chǎng)景中物體的體積大小進(jìn)行建模，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制模型的體積大小。3Ds Max 還可以對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖處理，以模擬真實(shí)世界中物體的表面紋理效果。3Ds Max是一款功能強(qiáng)大的三維建模軟件，在電力行業(yè)應(yīng)用較多，在變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也得到了廣泛應(yīng)用。如圖1 所示為變電站的基本建模功能介紹。

圖1 變電站三維模擬圖Fig.1 3D Simulation diagram of substation

圖1 中，對(duì)于變電站電氣設(shè)備的建模主要分為三維模型的搭建和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模型搭建部分需要對(duì)固有的電氣設(shè)備部件進(jìn)行三維模型的分析，如對(duì)變壓器、電抗器等部件進(jìn)行搭建，三維模型的系統(tǒng)部分主要是搭建交互系統(tǒng)，通過(guò)視頻講解、設(shè)備操作等實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的使用。

3Ds Max 是具有較強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性的，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同版本的3Ds Max 軟件進(jìn)行操作，以滿足不同需求的使用。在電力行業(yè)中，電力設(shè)備種類眾多、型號(hào)復(fù)雜，通過(guò)3Ds Max 軟件可以輕松創(chuàng)建三維模型。在變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)操作可以創(chuàng)建仿真場(chǎng)景，在場(chǎng)景中添加模型參數(shù)可以生成逼真的三維模型，同時(shí)能夠通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行編輯，包括設(shè)置場(chǎng)景燈光效果，添加場(chǎng)景中物體，修改物體材質(zhì)等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[5]。

3Ds Max 軟件具有強(qiáng)大的三維建模功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)三維模型的創(chuàng)建。通過(guò)對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行特征分析，可以快速構(gòu)建設(shè)備模型。同時(shí)通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作可以對(duì)模型進(jìn)行編輯，如改變物體表面顏色，修改物體表面的凹凸紋理，添加光照效果等。

2 變電站電氣設(shè)備的三維模型功能設(shè)計(jì)

2.1 變電站電氣設(shè)備虛擬仿真模型功能應(yīng)用

在變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)設(shè)置場(chǎng)景燈光效果，提高電力設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的沉浸感和真實(shí)感。在場(chǎng)景中添加燈光效果可以模擬真實(shí)世界中物體的表面顏色，增強(qiáng)電力設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的視覺(jué)效果。在3Ds Max 中，還能夠通過(guò)點(diǎn)擊、拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作，對(duì)場(chǎng)景燈光效果進(jìn)行設(shè)置。在添加光源時(shí)，需要注意光源與電力設(shè)備之間的距離問(wèn)題，以免影響電力設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的視覺(jué)效果。

在場(chǎng)景中添加燈光效果需要調(diào)整燈光色溫。在場(chǎng)景中添加燈光色溫時(shí)，需要根據(jù)不同季節(jié)對(duì)照明顏色進(jìn)行調(diào)整。例如，在夏季和冬季時(shí)需要將燈光色溫調(diào)整為暖色。通過(guò)點(diǎn)擊、拖動(dòng)等操作可以對(duì)燈光色溫進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同季節(jié)對(duì)電力設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的照明需求。

在3Ds Max 中添加光效是模擬真實(shí)世界物體表面顏色的重要方法之一。通過(guò)點(diǎn)擊、拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作可以對(duì)光效進(jìn)行設(shè)置，以模擬真實(shí)世界物體表面顏色。在添加物體時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)所添加的物體進(jìn)行命名[6]。在3Ds Max 中，可以選擇添加，然后在彈出的菜單中選擇對(duì)象，通過(guò)該菜單可以選擇不同種類的需求目標(biāo)進(jìn)行添加。在變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)可以根據(jù)需要對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行添加，同時(shí)還可以對(duì)所添加的物體進(jìn)行編輯和修改。例如，在添加變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)場(chǎng)景中的變壓器時(shí)，需要按照實(shí)際需求對(duì)變壓器進(jìn)行添加，可以選擇菜單進(jìn)行操作。通過(guò)該菜單可以選擇不同種類的變壓器，并對(duì)其尺寸、材料等進(jìn)行設(shè)置。

變壓器的設(shè)計(jì)是在變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)場(chǎng)景中進(jìn)行的，首先需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)場(chǎng)景中的變壓器進(jìn)行選擇，然后對(duì)其尺寸、材質(zhì)等進(jìn)行設(shè)置。在添加變壓器時(shí)，還需要在場(chǎng)景中選擇一個(gè)合適的變壓器模型，然后將模型拖動(dòng)至場(chǎng)景中并使其與其他模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。例如，在添加變壓器時(shí)，可以先添加一個(gè)普通變壓器模型，然后將其拖動(dòng)到變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)場(chǎng)景中，這樣可以使變壓器與其他模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。通過(guò)在3Ds Max 中對(duì)變壓器進(jìn)行添加操作，可以完成變壓器模型的構(gòu)建。同時(shí)還需要注意的是，在添加變壓器模型時(shí)，可以選擇將其放置在場(chǎng)景中某個(gè)位置，這樣可以使其與其他模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2.2 變電站電氣設(shè)備三維模型繪制

對(duì)于三維模型的繪制，首先需要對(duì)模型進(jìn)行草圖繪制，在繪制完成后，需要將其保存為格式文件。在3Ds Max 軟件中，點(diǎn)擊格式文件后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，在此對(duì)話框中可以對(duì)模型進(jìn)行修改，通過(guò)鼠標(biāo)右鍵可以對(duì)其進(jìn)行刪除操作。其次，還要將模型導(dǎo)入到3Ds Max 中進(jìn)行編輯。在導(dǎo)入模型后，需要選擇拾取法方式進(jìn)行操作。在使用操作時(shí)，需要對(duì)模型中的小零件進(jìn)行拾取，并將其放置在場(chǎng)景中的相應(yīng)位置。常見(jiàn)的3Ds Max 支持多種材質(zhì)類型，包括表面材質(zhì)、貼圖材質(zhì)、透明材質(zhì)、半透明材質(zhì)等。在3Ds Max中，可以通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇菜單中的創(chuàng)建或者替換命令，或者按下鍵盤(pán)上的B 鍵等方式將3Ds Max 中的材質(zhì)添加到場(chǎng)景中。在3Ds Max 使用中，還可以對(duì)不同類型的貼圖進(jìn)行選擇，以達(dá)到不同效果的貼圖使用。

3Ds Max 提供了多種貼圖材質(zhì)類型，包括照片貼圖、數(shù)字貼圖、色相/飽和度貼圖、紋理貼圖等[7]。在3Ds Max軟件中，貼圖方式有圖元、著色、紋理等多種類型，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適合自己的貼圖類型進(jìn)行貼圖修改和制作。在3Ds Max 軟件中貼圖類型包括面片貼、圖元貼、半面片貼、數(shù)字貼等。在3Ds Max 軟件中，貼圖大小與物體表面紋理數(shù)量有關(guān)。當(dāng)物體表面紋理數(shù)量較大時(shí)，需要使用較大的貼圖尺寸來(lái)達(dá)到效果。

3 基于變電站電氣設(shè)備的三維模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 變電站電氣設(shè)備系統(tǒng)場(chǎng)景模型介紹

變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)包含仿真場(chǎng)景、三維模型、模型編輯、場(chǎng)景操作4 個(gè)部分，變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)分為4 個(gè)主要模塊，分別是虛擬場(chǎng)景、電氣設(shè)備、交互操作、變電站電氣設(shè)備場(chǎng)景操作，如圖2 所示。

圖2 變電站電氣設(shè)備三維場(chǎng)景模擬Fig.2 3D Scene simulation of substation electrical equipment

圖2 中虛擬場(chǎng)景是指在三維環(huán)境中模擬變電站運(yùn)行環(huán)境的一個(gè)場(chǎng)景，包含變電站的各種設(shè)施，如建筑物、樹(shù)木等，可以創(chuàng)建出變電站的整體模型，還能夠在三維空間中隨意站立、行走。變電站電氣設(shè)備場(chǎng)景操作是指虛擬仿真系統(tǒng)中對(duì)虛擬的變電站電氣設(shè)備進(jìn)行操作，包括開(kāi)關(guān)的合閘和分閘操作，斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制虛擬仿真系統(tǒng)中的各種電器進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)。以上4 個(gè)模塊相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了系統(tǒng)整體功能，可以在仿真場(chǎng)景中隨意走動(dòng)，并以任意方式移動(dòng)到指定地點(diǎn)或目標(biāo)位置[8]。

仿真場(chǎng)景包含變電站的各種設(shè)施，如建筑物、樹(shù)木等，并且可以動(dòng)態(tài)變化，可以在仿真場(chǎng)景中隨意移動(dòng)、走動(dòng)，并與虛擬場(chǎng)景中的各種設(shè)備進(jìn)行交互操作。

變電站虛擬仿真系統(tǒng)采用三維建模軟件3Ds Max 進(jìn)行建模，在建模過(guò)程中，為了保證虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感，需要根據(jù)變電站實(shí)際情況進(jìn)行建模，并對(duì)變電站的各種設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)地描述。首先，在三維建模軟件中建立變電站的整體模型，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的編輯和修改。然后，對(duì)變電站內(nèi)的各種設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)地描述和設(shè)定。最后，在3Ds Max 軟件中建立起整個(gè)虛擬場(chǎng)景。在建立起整個(gè)變電站仿真場(chǎng)景后，需要對(duì)其進(jìn)行渲染處理。在渲染過(guò)程中，需要利用3Ds Max 軟件中的插件對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行渲染處理。

對(duì)于變電站仿真場(chǎng)景中的各種設(shè)備和設(shè)施可以采用3Ds Max 軟件中自帶的插件來(lái)進(jìn)行渲染處理。在進(jìn)行渲染過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)一些特殊效果，如光照和陰影等進(jìn)行處理。同時(shí)，在進(jìn)行渲染處理時(shí)還需要使用到3Ds Max 軟件中自帶的一些貼圖功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)、貼圖和紋理的切換處理。為了實(shí)現(xiàn)在三維空間中的任意走動(dòng)、站立等動(dòng)作，在仿真場(chǎng)景中設(shè)計(jì)一些交互操作模塊。這些交互操作模塊包括鼠標(biāo)控制和鍵盤(pán)控制兩種方式。鼠標(biāo)控制方式是指在三維空間中移動(dòng)虛擬場(chǎng)景中的各種物體，并通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的控制；鍵盤(pán)控制方式是指通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)控制虛擬場(chǎng)景中的各種物體移動(dòng)和移動(dòng)位置等操作。

建筑物是指在3Ds Max 軟件中對(duì)變電站建筑物進(jìn)行建模，建立變電站建筑物的三維模型，如變電站圍墻、變電站大門等。在建立3Ds Max 的模型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇建模工具和建模方法。對(duì)于不同建筑物，選擇不同的建模工具和建模方法會(huì)得到不同類型、不同特征和不同功能的模型。建筑類物體和樹(shù)木類物體使用不同的建筑指令進(jìn)行搭建，如建筑類物體使用軟件自帶的建筑類指令，樹(shù)木類則使用樹(shù)木類指令。

在建立3Ds Max 的模型時(shí)，還需要保證模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和位置關(guān)系正確。對(duì)于電氣設(shè)備模型，需要保證三維模型之間能夠正確關(guān)聯(lián)和相互位置關(guān)系。例如，在電氣設(shè)備三維模型與虛擬場(chǎng)景中其他物體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系方面，需要保證三維模型之間具有正確的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.2 變電站電氣設(shè)備三維模型系統(tǒng)功能介紹

在三維建模完成后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)生成的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行展示，展示方式可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。靜態(tài)展示時(shí)，在虛擬場(chǎng)景中顯示出各種電氣設(shè)備，如開(kāi)關(guān)和斷路器等，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制這些設(shè)備的動(dòng)作；動(dòng)態(tài)展示時(shí)，在虛擬場(chǎng)景中顯示出各種電氣設(shè)備，如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和刀閘等。

交互操作是指在虛擬場(chǎng)景中，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行操作，主要包括對(duì)虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行移動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向，改變位置等，可以在虛擬場(chǎng)景中任意走動(dòng)，并通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制虛擬場(chǎng)景中的各種電器，如斷路器的分閘、合閘等。在交互操作中，可以隨時(shí)查看各個(gè)電氣設(shè)備的狀態(tài)，了解設(shè)備的使用方法和注意事項(xiàng)。交互操作需要借助三維模型和交互漫游功能實(shí)現(xiàn)，因此需要將三維模型、交互漫游、虛擬場(chǎng)景三者結(jié)合起來(lái)使用。

交互漫游是指在虛擬場(chǎng)景中，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)對(duì)虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行移動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向，改變位置等操作，可以根據(jù)需要隨時(shí)查看各個(gè)電氣設(shè)備的狀態(tài)。在交互漫游時(shí)，可以直接使用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)來(lái)控制各個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，而不用進(jìn)入虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行操作。在進(jìn)行交互操作時(shí)，可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)來(lái)控制虛擬場(chǎng)景中的各種電器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括開(kāi)關(guān)的合閘和分閘操作、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等。

互動(dòng)教學(xué)是指在虛擬仿真系統(tǒng)中提供一個(gè)交互式的教學(xué)環(huán)境，可以通過(guò)交互操作對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固練習(xí)，互動(dòng)教學(xué)需要借助三維模型和交互漫游功能實(shí)現(xiàn)。安全教育是指在虛擬仿真系統(tǒng)中，為提供一個(gè)安全的環(huán)境，讓其在安全環(huán)境中學(xué)習(xí)安全知識(shí)。在進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)時(shí)，需要先進(jìn)入到安全環(huán)境中，再通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)進(jìn)行操作。輔助測(cè)試是指在交互式功能的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)添加一些輔助測(cè)試功能。輔助測(cè)試可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作演練，了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程和具體使用方法。自動(dòng)保存是指在虛擬仿真系統(tǒng)中完成對(duì)各個(gè)功能模塊的操作后，自動(dòng)保存對(duì)各個(gè)功能模塊的操作記錄。變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的場(chǎng)景操作功能，如圖3 所示。

圖3 電氣仿真系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Functional modules of electrical simulation system

如圖3 所示，電氣設(shè)備的仿真系統(tǒng)中包括選擇系統(tǒng)功能、復(fù)制功能、移動(dòng)功能、旋轉(zhuǎn)功能、漫游功能、刪除功能和拖拽功能。這些功能都能夠通過(guò)在三維模型中使用鍵盤(pán)鼠標(biāo)拖動(dòng)就能完成。搭建的三維模擬系統(tǒng)中還有一些額外的操作功能，如交互式操作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的關(guān)閉、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)；漫游功能能夠在虛擬場(chǎng)景中移動(dòng)和位置確定；碰撞檢測(cè)功能能夠自動(dòng)檢測(cè)兩個(gè)設(shè)備是否發(fā)生碰撞；交互式漫游功能能夠?qū)崿F(xiàn)電氣設(shè)備的狀態(tài)信息傳遞；防護(hù)功能是在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)虛擬防護(hù)；控制功能能夠?qū)?chǎng)景中的人物或設(shè)備進(jìn)行漫游控制。

4 結(jié)論

此次研究在變電站電氣設(shè)備的基礎(chǔ)上結(jié)合三維模擬的特點(diǎn)，搭建了變電站電氣設(shè)備的虛擬仿真模型系統(tǒng)，系統(tǒng)包括選擇、移動(dòng)、漫游等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)和現(xiàn)實(shí)的交互從而能夠使得設(shè)備更好的進(jìn)行檢查和維修。3Ds Max 三維建模軟件的變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、功能完善等特點(diǎn)，為變電站電氣設(shè)備培訓(xùn)提供了新思路，有效降低了變電站電氣設(shè)備培訓(xùn)成本，提高了培訓(xùn)效果。未來(lái)，需要進(jìn)一步對(duì)變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善，開(kāi)發(fā)出更多符合電力行業(yè)需求的變電站電氣設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)，使其更好地為電力行業(yè)服務(wù)。