基于Unity3D的反窃电培训系统设计

刘书刚，李怡璇

（华北电力大学计算机系，保定071003）

基于Unity3D的反窃电培训系统设计

刘书刚，李怡璇

（华北电力大学计算机系，保定071003）

VR（Virtual Reality）技术是当今计算机科学研究领域的热点，将VR技术与反窃电培训系统研究相结合是电力培训的发展趋势。该论文基于Unity3D系统平台，以3DMax作为辅助软件完成三维场景建模；使用C#语言完成系统各功能及场景交互设计，其中包括理论知识，设备模型，运行动画，操作演示和数据显示五个模块架构，实现了反窃电技能培训和虚拟现实技术的结合。研究成果表明，该系统对用电检查人员培训及其反窃电技能提升具有良好的效果。

反窃电培训；Unity3D；交互设计；虚拟现实

1 引 言

电能是当今世界最重要的能源之一，然而由于利益驱动，窃电行为屡禁不止，给国家造成巨大的经济损失，因此对用电监察员进行技能培训十分重要。目前反窃电培训均通过书本、视频、设备演示等方式，这些方式明显不足以应对花样繁多、手段升级的窃电行为。且真实设备模拟操作具有危险性，台区设备体积巨大不具有可复制性，设备的损毁易造成电气资源的浪费。运用虚拟现实技术研发反窃电培训系统可以突破传统培训的局限，提高培训效果，对电力企业用电监察员培训和反窃电工作都具有重要意义。

2 反窃电培训现状

随着计算机技术发展，已有变电站仿真培训结合虚拟现实技术，研发出虚拟变电站培训系统[1]。目前我国反窃电培训仍以培训实验室[2-3]和实际设备演示教学的方式为主[4]，这两种方式均有占地面积大、投资高、不可复制等缺点，虽也有反窃电仿真培训系统软件，但二维平台场景真实度低、可操作性差，且大多平面系统仍需要结合专变台区的大型电气设备[5-6]，无法满足当今大量用电侦察员急需培训的需求。

3 虚拟现实介绍

虚拟现实技术是建立一个模拟环境,由计算机生成动态的三维图像、声音等人体能感受到的信息,并构造出一个模拟的现实世界或不存在的虚幻世界，用户能够通过自身行为或借助设备同虚拟世界进行交互。

虚拟现实技术有三个基本特征，分别是沉浸特征、交互特征和构思性。产生虚拟场景有基于图像和基于模型两种方法，基于模型是通过建模工具建立几何实体，最后经过输出渲染、加入事件响应等操作实现可交互的虚拟环境[7]。

3 培训系统的实现

3.1 反窃电培训系统节构框架

本系统对高频强磁窃电及用电检查操作进行整理分析，运用虚拟现实仿真技术，开发出一套模拟窃电行为和用电检查工作场景的培训系统。图1为反窃电培训系统的结构框架。

图1 反窃电培训系统结构框架

（1）理论学习：包括用电检查技术基础、仪器使用教程等内容，该模块应用多媒体显示技术将文字、图像组合集成，带给学员深刻的学习印象，并强化学习效果。

（2）设备模型：对模型配以文字说明，描述专变中常见窃电点和设备使用要点等内容。

（3）运行动画：强磁高频窃电手法的动画演示。

（4）操作演示：分为窃电行为演示和用电检查演示两部分。窃电行为演示是展示高频强磁窃电操作及计量设备变化；用电检查演示是在已发生窃电行为的情况下，使用高频强磁检测仪、电流互感器等检测仪器进行用电检查时该仪器的反应演示。

（5）数据显示：用于系统操作演示时计量电表信息变化的显示。

3.2 三维模型建立

（1）基础数据搜集：收集整理专变台区、计量表箱、强磁设备、高频发射器及其它用电检查仪器的实际尺寸与设备照片，计算模型比例，为之后建模和纹理贴图工作提供信息。

（2）模型建立：利用收集的模型矢量数据和纹理资源，使用3DMax软件进行三维建模。选择合适的建模方法，对模型的建立有着事半功倍的效果。

专变台区整体装置和计量电表箱因其各部分细节较多且形状多样，建模难度较大但其多为简单几何体组成，可以使用复合对象建模方法[8]，使两个或两个以上的模型体通过相交合并或取差集等运算方式实现模型建立。无法拆分为基本型体的部分使用多边形建模方法，即在编辑面板中对基本型体的点、线、面进行修改以达到理想建模效果。

窃电设备和用电检查仪器整体性较强，且通过照片能够提取完整的设备轮廓，因此采用二维图形和复合对象两种方式，即在3DMax中对照片中的设备轮廓进行二维图形的描绘，然后添加修改器转换为三维实体模型。

最后应用三角形化法对模型进行优化。图2为电流互感器模型优化前后，可以看出优化后模型中多边形均变为三角形，且多边形和顶点数量大大减少。

（3）材质处理：细节较多的变压器和计量表箱模型可以使用3DMax自带的VRay渲染器进行表面材质的制作，通过VRay插件能够较为真实的表现出物体表面质感、纹理等物理属性，得到逼真的模型效果。

整体性较强但有标牌等细节的窃电仪器和用电检查设备，需要在使用VRay渲染器的基础上同时提取照片中的材质进行纹理贴图处理。

（4）渲染及导入：三维模型建立完成之后，使用3DMax自带渲染功能进行渲染处理，导出为Unity3D系统所支持的.fbx格式，同时在Unity3D系统中将模型中用到的特殊材质球和贴图照片一起导入同一场景中。

图2 电流互感器优化前后对比

3.3 交互设计

根据操作演示部分的功能所提供的交互行为，进行交互设计。本系统中交互功能主要是通过摄像机控制、碰撞检测设计和脚本代码编写来实现。

系统在摄像机上绑定脚本，并通过在脚本中定义变量控制摄像机的移动方向、移动速度、旋转方向和旋转速度等参数，以实现学员观察场景中设备细节的功能。

碰撞检测（Collision Detection）也称为接触检测，是一种对模型在运动过程中所出现的碰撞进行检查的技术。本系统通过在Unity3D中对场景模型及各部位进行分类，如将专变台区模型分为窃电点和非窃电点，添加碰撞器，再根据分类设置标志。并利用U-nity3D中角色控制器感应模型间碰撞，通过调用On-ControllerColliderHit()方法进行检测和获取碰撞对象。最后利用分类标志判断是窃电行为或用电检查行为，根据不同的行为和碰撞位置进行逻辑判断，得到对应实际操作时应产生的现象结果，进行显示。

图3 反窃电培训系统操作演示场景

图4 反窃电培训系统开发流程图

3.4 系统发布展示

通过Unity3D在Windows系统下发布时，点击File 菜单中的 Build Setting，选择“PC，Mac&Linux Standalone”选项，点击Build生成.exe格式的可执行文件，即可完成系统发布。图3为反窃电培训系统操作演示场景界面。图4为系统开发工作流程。

4 结束语

文中阐述了反窃电培训系统的设计方法与实现方式，在建立专变台区、窃电设备和用电检查仪器三维虚拟模型的基础上，模拟演示发生窃电时电气设备的变化及用电检查工作场景，让学员有身临其境的感受，强化了用电侦察员的反窃电技能培训，对反窃电工作和偷电行为的防治都能发挥重要作用。

[1]漆晓霞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的研究[D].北京：华北电力大学,2009.Qi Xiaoxia.The Research of the Virtual Substation Simulation Training System based on Virtual Reality[D].Beijing:North China Electric Power University,2009.

[2]徐晓燕,王兴周.浅析电力实训在用电监察员培训中的重要性[J].环球市场,2016(30):113-113.Xu Xiaoyan,Wang Xingzhou.Analysis of the Importance of Electric Power Training in the Training of Electric Inspector[J].Global Market,2016(30):113-113.

[3]纪静.山西省电力营销培训基地培训室的设置与培训功能概况[J].科技资讯,2013(7):223-223.Ji Jing.Setting and Training Functions of Training Room for Electric Power Marketing Training base in Shanxi Province[J].Science and Technology Information,2013(7):223-223.

[4]吴永生.濉溪供电公司举行反窃电技术培训[EB/OL].http://www.hbnews.net/xwsq/xqxw/0xx/836472.shtml，2016-12-15.Wu Yongsheng.Suixi Power Supply Company Conducts Anti Stealing Technology Training[EB/OL].http://www.hbnews.net/xwsq/xqxw/0xx/836472.shtml,2016-12-15.

[5]刘寅.反窃电仿真培训系统的研究与开发[D].保定：华北电力大学,2011.Liu Yin.Research and Development on Electric Larceny Simulation and Sraining System[D].Baoding:North China Electric Power University,2011.

[6]曹有为,王洪生.防窃电仿真实验平台的应用[J].科学与财富,2015(7):257-258.Cao Youwei,Wang Hongsheng.Application of Simulation Platform for Anti Stealing Electricity[J].Sciences and Wealth,2015(7):257-258.

[7]陈浩磊,邹湘军,陈燕,等.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文,2011,06(1):1-5.Chen Haolei,Zou Xiangjun,Chen Yan,et al.Overview of the Advance in Virtual Reality Technology[J].Science Paper Online,2011,06(1):1-5.

[8]Wang L.Researching of the Three-Dimensional Virtual Simulation Campus Scene’s Construction Technology[J].OpenCybernetics&SystemicsJournal,2015,9(1):1055-1059.

Design of Anti-stealing Power Training System Based on Unity3D

Liu Shugang,Li Yixuan
(Computer Science Department，North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

VR(Virtual Reality)technology is a hot topic in the field of computer science.Combining VR technology with the research of anti stealing training system is the development trend of power training.This paper is based on Unity3D system platform and 3DMax as a auxiliary software to completed the 3D scene model.We use the C#language to completed the system function and scene interaction design,there are five modules:theoretical knowledge,equipment model,running animation,operation demonstration and data display.And we have realized the combination of anti stealing skills training and virtual reality technology.The research results show that the system has good effect on the training of electricity inspection staff and their skills in anti stealing electricity.

Virtual reality;Unity3D;Anti-stealing training;Interaction design

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.018

B

1002-2279-（2017）05-0070-03

刘书刚（1969—），男，河北省沧州市人，副教授，主研方向：嵌入式系统。