虚拟现实技术应用于变电站工作的探索

张哲

摘 要 虚拟现实技术是人类在探索自然过程中创造形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应、研究和利用自然的科学方法和技术。变电站作为电力系统运行中的关键环节，其特殊性决定了相关工作的开展很难利用实际运行的系统在现实场景中实施，因此，将虚拟现实技术应用于变电站工作有着重要的现实意义。

关键词 虚拟现实；变电站；虚拟仿真

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）184-0085-02

虚拟现实技术（Virtual Reality）是以先进的计算机技术为核心，结合不同行业的具体需求，模拟出一个在视觉、听觉、触觉等方面与相关现实环境高度近似的数字化环境的先进技术。用户借助VR头盔、操作手柄等相关硬件设备与所构建的数字化环境中的相关对象进行交互操作，可以产生身临其境的虚拟感受和体验。随着科学技术的不断发展，虚拟现实技术不断取得突破性进展，各行各业对于虚拟现实技术的应用及需求不断增加。变电站作为电力系统运行中的关键环节，其特殊性决定了相关工作的开展很难利用实际运行的系统在现实场景中实施，因此，将虚拟现实技术应用于变电站工作有着重要的现实意义。本文着重分析了虚拟现实技术在变电站相关工作中运用的方式方法，并对可能出现的相关技术难点进行了讨论。

1 虚拟现实技术在变电站相关工作中的应用

开展虚拟现实技术在变电站相关工作中的应用研究，应主要对设计、施工、运行、培训、检修、维护等各阶段虚拟现实技术的功能需求分析、应用方式和智能专家系统等关键技术进行研究。总的来讲主要由以下几个方面构成。

1.1 高精度、可扩展的元器件模型通用图库的构建及虚拟场景开发

创建一个能使用户获得逼真的沉浸式体验感受的环境，虚拟现实系统必须能根据相关需求高精度的模拟现实变电站中的一切对象。基于3DS Max/Maya等软件设计一套典型电力设备素材库，并以Unity 3D作为系统开发的软件平台完成集视觉、听觉、触觉等在外形、质感等方面都十分逼真的三维变电站场景的搭建和渲染。

主要关键技术包括三维建模（用于建立与真实对象酷似，形态质感逼真的系统模型，并通过程序实现将模型转换成视景图像）、几何模型（用于体现电力设备或环境物体等对象的内部固有几何性质）、运动建模（用于体现在虚拟现实中对象的移动、旋转、缩放等）、物理建模（用于体现重量、材质、耐压度等物理属性）、对象行为建模（即动态实体的活动、变化以及与周围环境和其他动态实体的动态关系）、模型分割（考虑单元分割、变化细节、分辨率显示、脱线预先计算以及内存管理技术等提高系统运行实时性研究）。与此同时，碰撞检测和运动捕捉是虚拟现实系统中不可缺少的重要部分，随着用户对虚拟场景沉浸体验感受真实度要求的不断提高，对碰撞检测的精度和速度以及实时地准确测量、记录操作者在现实场景中的运动状态，并在虚拟空间中对应到每一时刻的运动状态提出了更高要求，所以对于碰撞检测算法以及运动捕捉功能的开发研究将直接影响到沉浸式体验的效果。

1.2 沉浸式虚拟现实技术在变电站设计与施工中的应用

虚拟现实技术在变电站设计中具有应用必要性和可行性，主要的方向应为研究基于虚拟现实技术的标准化设计流程，同时为了实际设计工作调用相关素材方便，应建设完备的变电站虚拟场景设备元素库。设计人员在进行相关设计时，将借助虚拟现实变电站模型，在规范化的设计标准下，灵活的从元素库中添加使用相关设备元素，在施工前建立可视化的变电站设计效果模型，以保障设计质量，提高设计效率。

在施工方面，采用虚拟现实手段，辅助施工管理人员进行变电站施工管理，结合设计端变电站效果模型的深入应用，更加准确地进行统计施工量、模拟施工进度、优化施工方案等工作。配合现实变电站的施工建设，更新设计端变电站效果模型的数据，最终实现虚拟变电站数据的高精度化与模型的高可视化。

1.3 基于沉浸式虚拟现实技术的变电站仿真培训应用

传统的电力培训，需要一定的场地和大量的设备作为支撑，相关设备结构复杂、造价昂贵，场地利用率不高，被培训的人员要花费很多时间和精力到特定的培训场所进行学习，这些因素在很大程度上限制了培训的人数和培训的质量。在充分分析变电站生产作业培训要求、变电站运维（操作技能）培训要求、变电站电力操作培训要求等相关规则要求后，利用虚拟现实技术，开发一套集设备操作、事故案例演练等内容的变电站培训系统，建设基于沉浸式虚拟现实变电站培训系统的软件和硬件将为电力培训业务提供新的思路和方式，培训质量也将显著提高。

2 可能出现的技术难点

2.1 高精度的三维模型复杂，设备模型的分解过程困难

目前电力元件、仪器、设备3D模型素材欠缺，更没有统一、标准的元件库和模型库，所建模型精细度达不到要求，未能体现模型设备内部零部件结构，没有在虚拟场景中进行分解的功能，不便于对电力设备结构的理解，急需建立VR平台环境，包括高精度的各种一、二次设备模型、辅助设备模型，各种设备模型具备相应设备的功能响应特性，如变压器的投切、开关的开合、各种档位的变化等等。为能实现设备正常操作、事故应急处理、相关巡视工作等功能，所建的模型必须提供相应的人机交互接口功能。因此，在数据的层面上如何体现各种设备的使用特性，以及设备与设备之间、设备和系统之间的交互通信机制设计将成为克服的难点。

2.2 虚拟场景逼真性

虚拟现实技术应用于变电站除真实还原变电站环境、场景，还必须能够对虚拟变电站里的各元素进行控制，才能更加生动立体形象化地模拟实际过程，增强操作的真实性以及互动性。相关变电仿真培训系统的效果与实际现场差别较大、交互方式不符合实际操作习惯、没有真正体现虚拟现实技术的特征，真实感和沉浸感有所欠缺，且存在显示慢、延时大的问题。

2.3 力触觉反馈系统和虚拟声重建技术

力触觉反馈系统使操作者通过力触觉的反馈来感受虚拟变电站场景中模型的各種实际状态，对操作者在虚拟变电站中操作设备起到引导的作用，并对实时交互起到一定的约束作用。在虚拟变电站环境里面操作一个设备，如拉、合跌落式熔断器，应能感受到操作绝缘杆的重量，拉、合操作的反馈力，为让用户有更真实的体验，需要力反馈感应。虚拟变电站环境中力触觉感受的建模和生成方法（力觉交互技术），以及面向虚拟电力操作的力反馈硬件，是技术挑战之一。

另外，在现实生活中人们是能够获知声音来自于哪些方位的，面对的方向不同，获取到声源的信息便不同，例如在虚拟变电站漫游当靠近主变压器时，也应能听到相应感受的声音。声源定位方式和混响系统的构建同样是沉浸感、真实感的重点。

3 结论

虚拟现实技术在现阶段处于快速发展过程中，虚拟现实技术在各行业的推广和应用必将越来越广泛。在电力系统中，为了节约企业成本，提升工作效率，提高培训质量，应用虚拟现实技术也必将成为重要的手段。本文针对变电站相关工作实际，结合虚拟现实技术，对设计、培训等方面的应用进行了研究与讨论。随着技术水平的不断发展，虚拟现实技术在电力系统中各个环节的广泛和深入应用将对电力系统造成深远影响，并带来显著的技术和经济效益。

参考文献

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