面向變電檢修數(shù)字化培訓(xùn)的虛擬拆裝系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：在變電檢修三維數(shù)字化培訓(xùn)仿真平臺中，由于傳統(tǒng)的虛擬拆裝訓(xùn)練方法往往僅關(guān)注幾何模型的零部件信息，而忽視零部件形狀與物理互動的影響，導(dǎo)致虛擬拆裝操作與真實(shí)拆裝過程產(chǎn)生很大的出入，降低三維數(shù)字化培訓(xùn)仿真平臺的互動便捷性和真實(shí)感。為克服傳統(tǒng)方法帶來不便與局限性，該文通過基于自由度約束的拆裝零件定位方法，實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝交互過程的改進(jìn)，同時在模塊化設(shè)計、Unity3D模型激活和交互功能等方面對系統(tǒng)進(jìn)行全方面設(shè)計，并通過展示隔離開關(guān)模型的拆裝過程，展示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。該系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，為變電檢修三維數(shù)字化培訓(xùn)的有效展開、增強(qiáng)其互動性和沉浸感提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：三維建模;虛擬拆裝;Unity3D;幾何約束;變電檢修

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0024-04

Abstract： In the three-dimensional digital training and simulation platform for substation maintenance， the traditional virtual disassembly and assembly training methods often only focus on the part information of the geometric model and ignore the influence of the interaction between the shape of the parts and the physics， resulting in a large gap between the virtual disassembly and assembly operation and the real disassembly process， reducing the interactive convenience and realism of the three-dimensional digital training and simulation platform. In order to overcome the inconvenience and limitations caused by traditional methods， this paper improves the virtual disassembly and assembly interactive process through a disassembly and assembly part positioning method based on degrees of freedom constraints. At the same time， the system is designed in aspects such as modular design， Unity3D model activation and interactive functions， and the realization and application of the system are demonstrated by displaying the disassembly and assembK0iMhXTiiAl1Fw0y+6BYlg==ly process of the isolating switch model. The design and implementation of this system provide technical support for the effective development of three-dimensional digital training for substation maintenance and enhance its interactivity and immersion.

Keywords： 3D modeling; virtual disassembly; Unity3D; geometric constraints; substation maintenance

在電力變電站運(yùn)維維修培訓(xùn)中，虛擬拆裝是至關(guān)重要的一環(huán)，對培養(yǎng)維修人員的技能水平和現(xiàn)場作業(yè)效率具有重要意義。傳統(tǒng)對于虛擬拆裝的研究主要側(cè)重于基于幾何模型的零部件信息及其之間的拆裝關(guān)系，忽視了真實(shí)拆裝過程中零部件形狀與物理互動的影響。為更全面地反映拆裝體的各種信息，可采用在虛擬環(huán)境中模擬拆裝物理過程的手段，因此，必須關(guān)注和推進(jìn)包含幾何、物理、行為等多維屬性在內(nèi)的新型拆裝模擬方法的研究。

傳統(tǒng)的語義識別虛擬裝配系統(tǒng)主要依賴于虛擬交互來建立模型，通過實(shí)時監(jiān)測干擾情況以模擬裝配過程。但這種方式在應(yīng)用上存在限制，且其可靠性不高。針對該情況，本文提出了基于自由度約束的虛擬拆裝方法，通過對拆裝體自由度信息的實(shí)時變換，實(shí)現(xiàn)其物理信息與幾何約束的合理配合，保持了幾何與物理信息完整性，使得虛擬拆裝過程中對零部件的拆裝定位準(zhǔn)確度大幅提高，從而顯著提高虛擬拆裝訓(xùn)練的操作便捷性和培訓(xùn)效果，并進(jìn)一步提高變電檢修數(shù)字化培訓(xùn)的培訓(xùn)效率，節(jié)約培訓(xùn)成本。

1 基于自由度約束的拆卸組件定位方法

采用約束自由度的拆卸組件定位策略的傳統(tǒng)方法通過對自由度的解析來解決幾何上的組件拆卸問題，然而這種方式無法滿足拆卸流程、工程術(shù)語及組件管理的需要，尤其是缺乏一種靈活有效并能存儲的管理系統(tǒng)。所以，在虛擬拆卸過程中，詳細(xì)而徹底地解析組件屬性的重要性就顯得尤為突出，不僅僅只涉及到常規(guī)的幾何形態(tài)，還需包含如質(zhì)心、重量、旋轉(zhuǎn)慣性和表面摩擦因子等物理特性，以達(dá)到更為全面與真實(shí)的效果。根據(jù)自由度的劃分，可分為移動自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，具體見表1。

表1 零部件自由度分類

在三維拆裝過程中，自由度分析法的主要目標(biāo)在于識別并確認(rèn)各幾何體所在的位置與朝向，以便保證符合所有的制約因素。事實(shí)上，分解組裝的過程就是通過逐一適應(yīng)這些制約對零件的自由度實(shí)施控制。每當(dāng)新的制約被引入時，零件的自由度就會相應(yīng)地減小。開始時，每個零件都具有全部自由度，然而隨著越來越多約束的應(yīng)用，其自由度會持續(xù)下降，直至達(dá)到無自由度的狀態(tài)或者所有現(xiàn)行的運(yùn)作層面的約束均已得到滿足為止。在受限的自由度中，零件的移動需要同時滿足所有既有的制約要求。

為了有效管理這個過程，需要考慮零部件的各種物理和幾何屬性，確保拆裝過程的準(zhǔn)確性和高效性。此外，實(shí)現(xiàn)動態(tài)且高效的信息存取管理機(jī)制對于改進(jìn)拆裝工藝、工程語義和零部件管理至關(guān)重要。

在模擬的環(huán)境里，各個組件的分解和安裝步驟可能會被多樣的幾何條件制約。每一個這樣的條件都會對該組件在特定的空間內(nèi)移動的能力施加限定。當(dāng)多種條件同時發(fā)生影響時，這個組件最后的可動范圍是由所有單項(xiàng)條件的交疊部分決定的。假設(shè)某個組件受到了若干種約束的束縛，那么其數(shù)量就是約束總數(shù)的n值，而與之相對應(yīng)的自由度則由約束集C={ci，0≤i≤n}來定義

式中：∑代表了自由度規(guī)約計算，Ti表示平移方向矢量，Ri表示旋轉(zhuǎn)方向矢量。

這個過程可以理解為是動作靈活度的降低或者約束范圍的壓縮。經(jīng)過對各種幾何約束的解析處理后，各個組件獲得了其有效行動靈活度。本研究在此基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)活動度評估方式中，利用屬性和機(jī)制建立了各組件的幾何約束與其實(shí)際特征間的對應(yīng)聯(lián)系。以實(shí)際特點(diǎn)為主體的虛構(gòu)拆分，主要是通過運(yùn)動副的約束關(guān)系描繪各組件之間相互關(guān)系的拆分情況。

零部件的自由度與其約束有直接關(guān)聯(lián)。利用自由度，可以將解構(gòu)AyyPm9BDh5QZx31UlpBeZRX9efgghAmIFBrFxKhqOFg=的幾何約束與運(yùn)動副的約束聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)從幾何約束到運(yùn)動副約束的轉(zhuǎn)化。常見的運(yùn)動副約束與自由度的對應(yīng)關(guān)系見表2。

在對電氣裝置組件的分解和裝配操作中，每一個組件都會受到多維度的幾何制約的影響。所以，首先需要的是深入研究各個組件之間幾何關(guān)系的精細(xì)處理。這一步驟是通過解構(gòu)所有運(yùn)動自由度界定的活動范圍并找出其相交部分，從而識別出組件的轉(zhuǎn)動自由度（R）和位移自由度（T）。然后，根據(jù)這些運(yùn)動自由度如何被特定的運(yùn)動連接器制約的情況，我們可以明確地建立起組件間具體的運(yùn)動連接器的關(guān)系。

記Tr1，r2表示零件r1與零件r2間的平移自由度，Rr1，r2表示零件r1與零件r2間的旋轉(zhuǎn)自由度。圖1中零件r1與零件r2間的拆裝幾何約束關(guān)系為：a1-a2面貼合;b1-b2面貼合;c1-c2面對齊。詳情如圖1所示。

一旦明確了部件之間的組裝與拆卸的幾何限制，就可以依據(jù)這些限制條件設(shè)置適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動副屬性。面面接觸的幾何限制可以通過映射技術(shù)轉(zhuǎn)化為平面對應(yīng)的限制，這樣可以讓我們從中獲取到重要的幾何參數(shù)，比如準(zhǔn)確的幾何表面坐標(biāo)及其法向量指向。這些確立的運(yùn)動副約束基礎(chǔ)上，進(jìn)而可構(gòu)建相應(yīng)的約束方程

式中：ω（t）為角速度，（t）為角加速度。

在執(zhí)行拆裝操作時，其核心目的在于精準(zhǔn)地確認(rèn)組件的空間位置，并限制其移動范圍，從而保證這些組件可以按照既定的規(guī)范被正確安裝或拆解。關(guān)于定位求解，其重要性體現(xiàn)在根據(jù)既定的定位條件來進(jìn)行自由度的分析上，進(jìn)而依據(jù)這些分析結(jié)果來計算出必要的變換矩陣。此變換矩陣主要應(yīng)用于調(diào)節(jié)組件的空間定位，以確保其精確對準(zhǔn)。

分析組件的約束狀態(tài)有助于在其允許的移動范圍內(nèi)進(jìn)行必要的旋轉(zhuǎn)和平移操作，以達(dá)到新的約束需求。在拆裝系統(tǒng)中，組件所處的特定空間位置是通過其空間位姿信息來描述。這種空間位姿信息包括2個部分：其一是位置信息，它指明了組件的具體空間位置;其二是姿態(tài)信息，它描述了組件的方向。在拆裝系統(tǒng)內(nèi)，組件的位置和姿態(tài)通常通過位姿矩陣來表達(dá)，此矩陣揭示了組件坐標(biāo)與拆裝系統(tǒng)坐標(biāo)之間的相對關(guān)系。

零部件的空間位姿信息的矩陣表示如下

零部件坐標(biāo)系中，Xv、Yv、Zv表示零部件的方向，而Xs、Ys、Zs則描述了零部件的位置，分別對應(yīng)了零部件坐標(biāo)系中的3個坐標(biāo)軸及坐標(biāo)原點(diǎn)。

部件在當(dāng)前空間位置P上移動，最終到達(dá)目標(biāo)空間位置Pa。實(shí)際上，這就是原始位置P經(jīng)歷了一個矩陣轉(zhuǎn)換過程，最終到達(dá)了目標(biāo)位置Pa，也就是Pa=PA。矩陣A描述了相應(yīng)零部件的位姿變換信息。

在電力設(shè)備的維修與組裝過程中，部件在三維空間中位置與方向的調(diào)整實(shí)質(zhì)上涉及到空間位姿矩陣的轉(zhuǎn)換。該過程包括部件的平動和轉(zhuǎn)動：平動主要體現(xiàn)為部件空間定位的改變，而轉(zhuǎn)動則反映為部件朝向的調(diào)整。拆裝操作的關(guān)鍵在于，精確地使用位姿矩陣和運(yùn)動矩陣描述和模擬三維空間中部件的位姿及其動態(tài)變化，這對于準(zhǔn)確捕捉拆裝過程中各種運(yùn)動情景至關(guān)重要。

2 虛擬拆裝過程交互實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)的模塊化設(shè)計理念促進(jìn)了其功能擴(kuò)展性。通過定義虛擬拆裝系統(tǒng)的各個模塊，并通過接口傳遞參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊間的互動。系統(tǒng)利用C#腳本激活電力設(shè)備的Unity3D模型，允許用戶使用鍵鼠操作觸發(fā)模型動作，調(diào)節(jié)電力設(shè)備模型的動態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)場景和設(shè)備交互操作。所有交互過程均借助Unity3D的API和其他工具完成。

系統(tǒng)的設(shè)計注重場景的豐富性和生動性，特別是在操作交互方面的創(chuàng)新。以隔離開關(guān)為例，用戶可以通過拖拽來移動和旋轉(zhuǎn)隔離開關(guān)模型，甚至使模型外殼變?yōu)橥该?，以便深入了解?nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。在場景中，采取調(diào)整主攝像頭的方式，實(shí)現(xiàn)對模型的移動和旋轉(zhuǎn)操作，具體實(shí)現(xiàn)方式為，在主攝像機(jī)上配置了驅(qū)動腳本，通過監(jiān)測鼠標(biāo)操作事件來調(diào)整攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)和模型的位置。在每次Update函數(shù)中，系統(tǒng)根據(jù)鼠標(biāo)的左鍵或右鍵點(diǎn)擊，控制主攝像頭圍繞模型旋轉(zhuǎn)，同時，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度和移動距離，確保操作體驗(yàn)的流暢。具體流程如圖2所示。

為增強(qiáng)從宏觀角度觀察電力設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的便捷性，本系統(tǒng)引入了電力設(shè)備模型外殼透明化的功能。通過場景內(nèi)設(shè)置的On/Off樣式UI按鈕，用戶可簡單點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)外殼的透明化操作。此功能的實(shí)現(xiàn)依賴于NGUI插件，它支持輕松地添加組件如Atlas和Button，進(jìn)而設(shè)計外殼透明化按鈕。在添加Button組件后，通過Inspector面板中的OnClick屬性，用戶可選擇點(diǎn)擊后要觸發(fā)的腳本方法，實(shí)現(xiàn)特定動作。

按鈕點(diǎn)擊通過gameObject.SetActive方法控制當(dāng)前按鈕的觸發(fā)，并與關(guān)聯(lián)按鈕實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制。透析功能則是依靠對電力設(shè)備殼體進(jìn)行不同材質(zhì)屬性的賦予實(shí)現(xiàn)的。在Inspector面板中，對需要被透析的對象指定透明與不透明2種材質(zhì)，根據(jù)按鈕的激活狀態(tài)，切換Renderer組件的Material屬性，即可更改物體材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)透明化效果。

此外，為便于用戶理解電力設(shè)備的構(gòu)造，系統(tǒng)采取了將電力設(shè)備零件分組拆裝的策略。電力設(shè)備的拆裝過程遵循逐級拆裝原則，即完成一組零件的拆裝后方可進(jìn)行下一組的操作。而且，僅在完成所有拆裝步驟后，用戶才能開始裝配過程，確保了操作的邏輯性和系統(tǒng)性。交互拆裝的流程如圖3所示。

拆卸與裝配控制功能則是直接利用OnGUI方法，以按鈕的形式內(nèi)置于UI系統(tǒng)當(dāng)中。用戶點(diǎn)擊模型的第一組虛擬實(shí)體后，第一組零件將沿預(yù)定軌跡開始拆卸過程。此外，Unity的射線檢測功能通過API中的OnMouseDown方法，用于識別和響應(yīng)碰撞體的點(diǎn)擊事件。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本研究基于前述的零部件定位與虛擬拆裝交互方法，成功設(shè)計并應(yīng)用了變電站電力設(shè)備的虛擬拆裝系統(tǒng)，特別是展現(xiàn)了隔離開關(guān)模型的拆裝過程，如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文所介紹的電力設(shè)備虛擬拆裝系統(tǒng)為變電檢修數(shù)字化培訓(xùn)提供一種創(chuàng)新的解決方案。通過將物理互動融入拆裝過程中，該系統(tǒng)能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際操作，提升培訓(xùn)效果。相比于傳統(tǒng)的線下教學(xué)或?qū)嵉赜?xùn)練，虛擬拆裝系統(tǒng)可以節(jié)省時間成本、提高學(xué)習(xí)效率，并且能夠在安全的9865de684b6bfab829ec04edb8ce509e環(huán)境下進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。這對于電力設(shè)備維護(hù)檢修領(lǐng)域來說，意味著更為便捷和高效的培訓(xùn)方式，有望培養(yǎng)出更多專業(yè)技能嫻熟的人才。

然而，雖然本文所述系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的成果，但仍然存在著一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)的空間。例如，虛擬拆裝系統(tǒng)的模擬程度是否能夠完全達(dá)到實(shí)際操作的水平，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性等方面的問題都需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，虛擬拆裝系統(tǒng)還有待于不斷更新和完善，以滿足不斷變化的培訓(xùn)需求和技術(shù)要求。因此，未來的研究方向之一是進(jìn)一步優(yōu)化虛擬拆裝系統(tǒng)的功能和性能，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的適用性和可靠性。

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第一作者簡介：袁樂（1990-），男，工程師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化。