基于虚拟现实技术的变压器检修系统研究

2019-01-15陈天旭王玉瑾郭洋洋徐德会

绿色科技 2018年22期

陈天旭，王玉瑾，郭洋洋，徐德会

(1.国网重庆市电力公司綦南供电分公司，重庆401420；2.重庆理工大学，重庆400050)

1 引言

20世纪90年代以来，国内陆续开发了许多变电站仿真培训系统投入使用，并取得了良好的效果[1]。变电站仿真培训系统主要用于检修人员熟悉变电场所和设备，帮助其管理检修变电站。但是，这些仿真培训系统主要由物理仿真和数字仿真相结合，只有二维画面，无法实现三维立体图，真实感较差。若使用专有设备培训或者现场培训，又会导致培训更加复杂且昂贵，这影响了变电站检修工作和培训工作的进展[2～5]。由于虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、想象性的特点，所以采用虚拟现实技术来模拟变压器工作，检修人员可以在模拟系统上反复模拟对故障的处理，这种方法既保证了培训人员的安全问题，又解决了培训成本昂贵的问题，是目前实现变压器修培训工作较好的选择，对提高检修人员工作水平也具有重要意义[6，7]。

2 虚拟现实变压器检修系统的功能分析

用于实践的虚拟现实检修系统的基本思想就是分别从运行和检修两个方面考虑，利用虚拟现实技术，建立一个高度逼真的检修场景，并将设备的现实数据接入其中，使检修人员能够在虚拟环境中模拟现实中设备的运行情况，并且针对设备运行中的状况，进行观察、操作、故障模拟、拆装等作业，最终用于指导实践工作。

2.1 变压器检修系统的功能设计

虚拟现实变压器检修系统主要功能包括：①变电站场景漫游：以实地为例，构建虚拟现实变电站虚拟场景，检修人员在虚拟场景里漫游，并观察变压器的结构、尺寸等外部结构；②变压器的操作：在虚拟环境中对变压器进行操作，不仅节省了培训成本，也突破了场地和时间的限制，极大提高了培训效率；③常见事故处理：在虚拟场景里模拟变压器常见事故，让检修人员对事故进行处理，使检修人员反复练习事故处理方法；④变压器主要元器件的拆装训练：通过虚拟现实技术，实现在虚拟环境下对变压器进行拆装重组的学习训练，使检修人员对变压器内、外部的构成有一个全面、直观的认识，可以提高变压器检修的工作效率。

2.2 变压器检修系统的功能特点

基于虚拟现实技术的变压器检修系统拥有以下特点：①现场演练与虚拟场景相结合，通过计算机建模和虚拟现实技术，对变压器进行还原，再由辅助设备模拟出变电场所的温度、湿度等现实环境，高度还原变压器检修运行实际情况；②知识性与趣味性相结合，在虚拟系统中进行学习时，每进行一个环节的操作，都有相关的知识问答，只有答对问题方能进行下一步的操作；③体验性与实训性相结合，在整个虚拟环境中，检修人员可以对变电站部分器件进行移动操作，在实现变压器检修训练的同时，也可以体验整个变电场所。

2.3 变压器检修系统的实现方法和流程

整个变压器检修系统采用3ds Max对变电站进行建模以及简单优化，然后利用VRP平台对模型进行进一步优化和交互处理，具体流程如图1。

图1 系统功能实现方法流程

3 虚拟现实变压器检修系统的三维场景建模及优化

3.1 3ds Max三维建模

三维建模主要是利用计算机软件构建一个虚拟场景，此系统采用3ds Max软件以便于配合后期VR交互设计过程。具体步骤如下。

3.1.1 三维建模

由于VR－DEMO最终运行速度受到VR场景模型的总面数、总个数以及总贴图量的影响。因此，在变压器检修系统建模时，利用Attach命令与Collapse命令对同类材质或者同一属性的模型进行合并处理以减少模型个数；对于Plane模型面、Cylinder模型面、Line模型面、曲线形状模型、bb－物体的表现都尽量用少的面数和分段去表现。

3.1.2 材质贴图

在完成变压器场景模型的建立之后，就可以为模型添加材质了。①确定变压器的材质属性类别，利用标准材质，在漫反射通道添加一个位图文件模拟变压器的表面纹理。②UVW贴图坐标调整，将材质赋予给变压器。③UV贴图拆分，当为变压器添加完UVW贴图坐标以后，利用Unwrap UVW编辑修改器对变压器模型的UV进行拆分，输出平面贴图到Photoshop中进行绘制，然后再指定到变压器模型中。

3.1.3 灯光照明

变压器虚拟场景灯光的布置就是将场景理解成一个box，由6个面组成，在6个面都打上灯，每盏灯设置不同的参数来控制和表现明暗关系。

3.1.4 渲染烘焙

在3ds Max中为变压器模型添加了材质和灯光之后，既可以用3ds Max默认渲染器Scanline渲染，也可以使用高级光照渲染。由于高级光照渲染可以产生全局照明和真实漫反射效果，所以本系统采用高级光照渲染。

在3ds Max中进行烘焙的工具是“渲染(Render)＞渲染到纹理(Render To Texture)”命令。