基于虚拟现实技术的电气工程专业实验平台开发

张良力， 祝 贺， 王 斌

(武汉科技大学 信息科学与工程学院， 湖北 武汉 430081)



基于虚拟现实技术的电气工程专业实验平台开发

张良力， 祝 贺， 王 斌

(武汉科技大学 信息科学与工程学院， 湖北 武汉 430081)

在分析电气工程专业实验平台技术特点的基础上，设计了基于虚拟现实技术的电气工程专业实验平台，对其内部模块选配原则、功能划分和适用性进行详述。介绍了使用3ds Max构建电力设备模型，利用Irrlicht SDK生成虚拟电力系统环境的方法及其程序代码执行流程。实施效果表明，新型实验平台生成的虚拟电力系统环境沉浸感较好，运行效率较高。

虚拟现实； 电气工程实验平台； 三维建模； Irrlicht

电气工程专业课程教学由课堂教学和实验教学两个环节组成[1]。课堂教学环节多以简化的二维图形表示电力系统装置或器件，与实际应用对象的外形尺寸、内部结构、使用方法有较大差距，要使学生建立“正确识读、熟练操作、科学防护”等专业意识比较困难。多媒体教学视频在一定程度上可弥补用二维图形表达的不足，但学生只能观看到电力系统各单元孤立的运行状态，且无法对其进行操作。为使实验教学手段在适用性、经济性、灵活性等方面达到协调与并进的要求，显著提升教学效果，笔者提出使用虚拟现实技术构建新型电气工程专业实验教学环境，并对电气工程专业实验平台的系统架构、关键技术进行探讨。

1 实验平台技术特点

现有电气工程专业实验平台以实验室内摆放的实验装置为主体，实验装置根据电力系统原理设计，按一定比例缩小并少量使用电力系统真实器件，因此可归类为物理仿真实验平台。物理仿真实验平台在使用方法和运行效果方面近似真实电力系统，故成为高等院校电气工程专业实验室建设的首选方案。文献[2]介绍的EGP系列电力系统供配电实验平台、EPL系列电力系统继电特性及继电保护实验平台，文献[3]介绍的WDT系列电力系统综合自动化实验教学平台、PS-5G型电力系统微机监控实验平台等都属于物理仿真实验平台。

使用物理仿真实验平台进行实验教学的优势显而易见，它的不足之处在于：(1)实验室前期投入大、建设周期长；(2)实验室使用期内需专人维护，设备故障率高，利用率受课程进度安排波动较大；(3)实验平台设计方案确定后，实验内容、使用流程亦随之固定，平台的功能升级改造困难；(4)实验设备高度封闭，学生仅能作连线、调节旋钮、读表、记数等简单操作，不利于学生在实验中加深对电力设备内部电路结构、保护器件投切动作的理解。

与物理仿真实验平台相对应的是“以个人计算机为载体，以应用软件为后台支撑”的软件仿真实验平台，如PSS[4]、PSCAD[5]、ANSYS[6]等。此类平台在安全性、灵活性等方面优势明显：实验环境建设经费投入少、建设周期短，软件系统可长期使用并可升级；每名学生可独自用一个实验平台进行实验，且实验时间不受课程进度影响。

采用仿真软件开展电气工程专业实验的综合效益较高，但也有不足：(1)仿真软件运行的基础为计算机操作系统，若学生计算机应用能力不强，则实验操作困难；(2)仿真软件仍采用简化的二维图形表示电力系统装置或器件，建立的系统模型不直观且无法操作。

分析发现，物理仿真实验平台与软件仿真实验平台可优势互补。若利用虚拟现实(virtual reality, VR)技术开发实验平台，使之既具有物理仿真实验平台的直观性和可操作性，又具有软件仿真实验平台安全可靠、经济实用等特点，将对完善电气工程专业实验平台技术体系，对电气工程专业课程教学以及电力系统从业人员培训方法改革起到积极的推动作用。

2 虚拟现实技术及适用性分析

虚拟现实是以计算机技术为核心，综合运用系统仿真技术、图形图像技术、传感器技术、通信技术、人工智能等先进科技生成的具有沉浸感、可进行人机交互的虚拟环境。目前，VR技术广泛应用于军事仿真训练和民用行业培训[7-8]，例如文献[9]使用高层体系结构(high level architecture, HLA)构建的分布交互式虚拟战场；文献[10]使用虚拟现实建模语言(VRML)开发了变电站仿真培训系统。使用VR技术开发三维视景仿真系统可以增强用户对客观事物的直观感受，降低实际耗材购置成本。

基于VR的仿真训练系统的技术路线为：(1)利用三维建模工具，按视觉效果建立与仿真对象相似的立体模型；(2)利用图形图像渲染引擎编写可执行仿真程序并显示仿真画面；(3)利用实物操纵机构或图形用户接口(graphical user interface, GUI)实现人机互动。

VR技术同样适用于电气工程专业实验平台开发。根据实验室建设投入以及对虚拟环境沉浸感需要，将基于VR技术的电气工程专业实验平台分为两类：视觉场景漫游平台和虚拟监控中心。

视觉场景漫游平台与软件仿真实验平台在硬件方面均使用PC机作为软件运行主体。两者的区别在于：视觉场景漫游平台应用程序画面不再使用二维简化图形表示器件或设备，而是参照真实电力系统设备及其环境建立三维模型并复原场景，使用GUI、计算机输入设备(如鼠标、键盘等)控制场景漫游路径、视觉角度、电力设备或器件属性、系统运行状态等参数。

虚拟监控中心可视作物理仿真实验平台与场景漫游平台的融合与功能延伸。实验室按真实的电力系统监控中心布置，计算机仿真程序模拟远端设备与监控中心之间的数据交换、处理；数字仪表、故障波形采用图形化控件实现；远程监控画面以三维仿真场景通过显示设备(如点阵屏、液晶显示器、投影仪等)输出。

3 电气工程VR实验平台设计

3.1 实验平台系统框架

以计算机为核心的电气工程VR实验平台架构如图1所示，其中包括硬件系统和软件系统两大部分。

计算机主机之外的硬件以输入输出(input/output,IO)设备为主。标准IO设备包括USB操纵杆、CRT显示器、音箱，也包括构建虚拟电力系统的执行器、显示设备等。非标准IO设备与计算机主机无法直接连接，需构建信号处理电路将上下行数据进行调理、转换，利用串行总线实现上下位机数据通信。

用以构建硬件系统的器件、设备选取条件为：(1)使用安全电压供电，可操作对象均采用低压器件，若器件输入电压额定值仍高于安全电压值，则需根据动作特征进行电路改造，使其符合安全电压值适配要求，以保障使用者的安全；(2)输入输出采用标准信号，处理电路输入输出均调整至标准信号范围0～5 V或4～20 mA，所选传感器、变送器、执行器的输入输出信号也在此范围内，以减少信号电位值不一致的情况。硬件系统是电气工程VR实验平台供用户观察、操作的直接对象，硬件系统设置合理性、运行可靠性决定了所建虚拟电力系统环境的沉浸感以及使用者接受度。

电气工程VR实验平台软件系统可分为仿真执行程序、素材文件、数据库平台3部分。

仿真执行程序是电气工程VR实验平台软件系统的执行入口，包含了虚拟电力系统环境所有情景及其响应，因此也涵盖了开发者所有设计思路、仿真模型、解算方法。仿真执行程序由开发者使用计算机编程语言和VR软件开发包(software development kit,SDK)编写代码并编译实现。为了快速实现虚拟场景视、听、光影、动作等效果，SDK提供了图形渲染、光影特效、声音触发、自由度计算等动态链接库(dynamic link library,DLL)文件及其用户编程接口函数(application programming interface,API)。另外，利用SDK

图1 电气工程VR实验平台架构

提供的GUI可开发出生动活泼的人机交互界面。

素材文件是仿真执行程序读取并实施处理的具体对象。电气工程VR实验平台素材文件包括电力系统设备三维场景文件(立体模型、纹理、音频、粒子等)、初始化参数文件、执行脚本文件等。素材文件由多媒体开发者根据虚拟环境场景要求设计并实现，存放于计算机外部存储器的指定文件夹内；仿真执行程序执行在初始化阶段时，将指定文件夹中的素材文件读入内存，继而转化为视听虚拟场景并显现。

随着电力系统虚拟场景的多样化和精细化，平台软硬件数据上下行频次增加，电气工程VR实验平台内部各类数据文件读写、存储和管理操作必须借助于数据库平台实现。软件系统中，数据库平台的功能是：管理素材文件、缓冲软硬件接口数据、提供仿真执行程序接口。数据库运行参数设置完毕后，软件系统中的仿真执行程序和素材文件可分别开发更新，互不影响对方进度。

3.2 虚拟电力系统建模

一般意义上的场景建模，仅是从视觉角度对物体进行外形建模，包括物体三维空间尺寸、表面颜色和光泽、摆放位置等。而对VR环境中的仿真对象，则是针对所有感官建模[11]。例如，从认知角度对开放式变电站常用油浸式配电高压变压器建模(见图2)。

图2 高压变压器3ds Max模型

但是在实际应用中，因磁致伸缩效应，变压器会产生低频噪声和振动。因此，在VR环境内的变压器不仅要有外部特征，还应从听觉、触觉体现出变压器的运行状态。虚拟变压器建模对象及其参数如表1所示。

变压器模型通过素材管理器将三维结构体文件(后缀为3ds、md2、mesh等)、纹理文件(后缀为bmp、jpeg、tga等)、音效文件(后缀为wav、mp3、mod等)进行关联，供仿真执行程序读取。

表1 虚拟变压器建模对象及其参数

注：视觉效果来源于显示器、投影仪；听觉效果来源于音箱；触觉效果来源于可触平台

3.3 电气工程VR实验平台虚拟环境生成

电气工程VR实验平台中的虚拟电力系统环境通过仿真执行程序产生。编译生成仿真执行程序的SDK决定了虚拟电力系统环境的逼真程度与运行效率。常用于生成虚拟环境的SDK包括开源的OGRE、Crystal Space、Irrlicht以及常用于游戏开发的NeoEngine、RealmForge、Delta3D等。本文以Irrlicht[12]为例阐述电气工程VR实验平台虚拟环境生成方法。

开发者在计算机内安装Irrlicht SDK完成后，利用Microsoft Visual Studio建立虚拟电力系统环境仿真执行程序C++解决方案。将Irrlicht所提供的静态链接库文件(后缀为lib)、API函数所在文件(后缀为h)所在目录设置于上述解决方案中，实现Irrlicht SDK与编译环境之间的关联。在编译环境中利用C++语言调用Irrlicht API，可调用与体验者沉浸感相关的计算机硬件资源。基于Irrlicht的虚拟电力系统环境仿真Win32程序代码执行流程如图3所示。

图3 虚拟环境仿真Win32程序代码执行流程

在进入循环仿真之前，Win32程序任务为“系统初始化”。通过调用createDevice函数创建IrrlichtDevice指针类型设备对象device。创建成功后，可通过device依次创建视频驱动对象(指针类型，下同)driver、场景管理对象smgr、用户接口对象guienv。场景管理对象smgr是虚拟电力系统环境仿真Win32程序中的“指挥棒”。在初始化阶段，smgr负责将外部存储器内的素材文件读入内存，为场景设置光泽、动画效果(通过创建IAnimatedMeshSceneNode指针类型对象node并调用相关函数实现)，随后通过调用addCameraSceneNode函数将用户视窗以摄像机模式置于场景内。进入循环仿真后，程序将循环执行相应代码直至用户下达中止命令。

首先，driver调用beginScene函数启动场景绘制资源；其次，smgr根据外设输入、模型算法、动画特效等参数变化更新虚拟电力系统环境中的网格节点位置与视觉角度等参数，实现虚拟环境与外部设备输入之间的联动，调用drawAll函数绘制更新后的画面；第三，guienv调用drawAll函数更新图形化界面及文本；最后，由driver调用endScene函数显示单帧画面。Win32程序退出仿真循环时，由driver调用drop函数回收调用的资源并释放指针对象。

4 结束语

本文提出的电气工程VR实验平台以沉浸感为主要目标，无论是视觉场景漫游平台还是虚拟监控中心，平台硬件系统都使用安全电压以及标准输入输出信号(或提供标准信号硬件接口)，并以仿真执行程序、素材文件、数据库平台作为框架主体，确保平台软件开发的灵活性。平台中虚拟电力系统建模及虚拟环境生成取决于三维建模工具与VR-SDK。将VR技术应用于电气工程专业实验平台开发，有利于电气工程专业的课程教学以及从业人员培训方法革新。应用示例表明，采用上述方案构建的平台软件系统运行效率较高。

References)

[1] 韦钰,陆善婷.电气工程及其自动化专业实验教学的探讨与研究[J].中国教育技术装备,2012(30):120-121.

[2] 陈晓湖.电力系统中的继电保护设备及其自动化可靠性研究[J].电子制作,2014(4):68.

[3] 牛祖蘅,李宁.“WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化实验台”的应用[J].实验科学与技术,2012,10(3):15-17.

[4] 刘新东.PSS/E电力系统分析及仿真[M].北京:电子工业出版社,2011.

[5] 吴伟丽.PSCAD/EMTDC故障仿真在电气工程教学中的应用研究[J].伊犁师范学院学报：自然科学版,2014,8(1):71-75.

[6] 黄辉,王毅.ANSYS在“工程电磁场”教学中的应用[J].电气电子教学学报,2005,27(4):88-91.

[7] 陈学文,刘玉庆,朱秀庆,等.航天员太空协同操作虚拟训练仿真系统研究[J].系统仿真学报,2013,25(10):2348-2354.

[8] 陈皓,刘晓平.基于模板的虚拟现实平台[J].系统仿真学报,2006,18(12):3434-3437.

[9] 彭亮,黄心汉.基于HLA和Vega Prime导弹作战虚拟仿真系统研究[J].中南大学学报：自然科学版,2011,42(4):1015-1020.

[10] 龚庆武,姜芳芳,陈义飞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统[J].电网技术,2005,29(24):74-77.

[11] 郭磊,郭创新,曹一家,等.基于面向对象技术的变压器三维图形建模[J].电力系统自动化,2010,34(20):60-65.

[12] 罗先辉,霍智勇.基于Irrlicht引擎的草绘三维场景生成研究[J].重庆科技学院学报：自然科学版,2013,15(1):184-187.

Development of electrical engineering experimental platform based on virtual reality technology

Zhang Liangli， Zhu He， Wang Bin

(School of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Based on the analysis of technical characteristics of the current electrical engineering experiment platform (EEEP), the virtual reality (VR) technology is proposed to be used for EEEP development, and the suitability of it is discussed. Then, the frameworks of EEEP based on VR are designed, and their inner configuration and software function are described in detail. In an instance, 3D electrical power equipment is modeled with 3ds Max, and a virtual environment with the electrical power system is rendered by an execution compiled by Irrlicht SDK. Effects of the implementation indicate that the new-style EEEP with virtual electrical power system has distinct immersion, and the efficiency of its software is acceptable.

virtual reality； electrical engineering experimental platform； 3D modeling； Irrlicht

2014- 06- 08

国家自然科学基金项目(51308426)；湖北省教育厅科学研究计划项目(B2013234)资助

张良力(1981—)，男，湖北武汉，博士，副教授，主要研究方向为电力系统及其自动化系统仿真.

E-mail：zhangliangli@wust.edu.cn

TM743;V448.15+3

A

1002-4956(2015)2- 0123- 04