基于沉浸式虚拟现实变电站教学系统研究*

李长江，侯永刚，王大虎

(河南天通电力有限公司， 河南 平顶山 467000)

0 引言

目前变电站运维人员培训方式主要有3种,即课堂教学、投资修建基地和桌面式仿真系统。课堂教学内容枯燥，培训效果差；投资修建实训基地培训效果好，但成本高，更新慢;桌面式仿真系统成本低，但用户沉浸感差。沉浸式虚拟现实仿真技术是通过各种硬件，如立体投影、头盔显示器等设备，把视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪器、动作捕捉等输入设备，使得参与者完全投入一个更为逼真、可交互沉浸式虚拟环境[1]。

沉浸式虚拟现实变电站故障仿真系统引入沉浸式虚拟现实技术，可让学员通过沉浸式设备，完全置身于虚拟场景中，并可以操纵场景中的电气设备，带来真实的现场感、沉浸感，激发学员学习热情，提升学习效率[2]；系统开发以变电站一次设备为仿真主体，将一次设备结构和工作原理进行三维展示，做到理论与实践结合，提高学员掌握变电站基础知识能力；系统采用C#编程和FSM(图形化编程方式)相结合的形式，减小了系统开发难度，缩短了研发周期，降低了开发成本，系统的稳定性、可移植性、可扩展性也得到保障[3]。因此,设计出沉浸式虚拟现实变电站一次设备教学仿真系统是对促进变电站培训的一项改革，可加快培训系统升级,对贯彻以人为本的技术宗旨具有重大的实际意义。

1994年华北电力大学在国内曾首次成功开发纯软件方式的变电站仿真培训系统[4],该系统采用平面抽象符号的形式表达变电站的逻辑关系，抽象不直观，尤其对于初学者入门门槛高。2016年期间出现了大量的虚拟现实技术在变电站仿真培训系统的应用报道，但这些系统由于沉浸感不强，都没有在系统内推广和普及[5],学员培训效果和目标达成度不好,有些系统的设计过于复杂庞大，让初学者学习压力激增。多年的虚拟仿真教学经验总结出,如何把入门级的知识要点形象地进行展现，对提高培训效果相当重要。为此本文首先选择从变电站一次设备的结构和工作原理为出发点，着重开发针对初学者的虚拟仿真教学系统，将抽象难懂的书本知识变成场景逼真的三维场景，让学员能快速掌握变电站知识点。

1 系统方案设计

系统仿真对象为河南平煤集团正在运行的谢庄变电站，该变电站是一座110 kV的变电站，主要担负着11个厂矿的供电任务。供电主回路为3条，主备用供电线路1条。35 kV电压等级现有馈出回路9条，6 kV电压等级现有馈出回路11条。3台主变压器的容量分别为63 kVA、20 kVA、63 kVA，其中2台63 kVA的1#、2#主变和20 kVA容量的3#主变为为运行状态。日平均负荷为87 kVA左右，月最高负荷近110 kVA。

整个系统的开发以各种专业性软件为基础，根据设计过程中所采用的关键技术，选择支持该功能的软件，综合各个软件的特性，完善系统功能。在沉浸式变电站故障仿真系统开发过程中，系统开发思路可划分为3步：素材的处理以及模型的准备、交互功能的开发、沉浸式培训的实现。素材以及三维模型是系统开发的基础，是交互仿真的前提条件，交互功能的实现是整个仿真的核心，沉浸式培训是系统设计的最终目的，主要是综合各个模块的功能达到想要的效果。系统开发技术路线如图1所示。

2 关键技术分析

系统涉及的关键技术包括，三维建模、三维交互引擎技术等。

2.1 三维建模技术

在进行虚拟现实系统开发过程中，虚拟场景模型的建立主要通过各种建模软件来实现。该系统采用3DMax进行建模。如图2所示建模过程中，首先要进行资料收集，本文以变电站故障仿真为研究对象，要建立的模型主要有变电站设备、场景以及故障的三维模型，故而应收集与变电站相关的图片素材、技术资料以及教学视屏等作为变电站建模的依据；在明确建模对象的相关参数后，要确定模型间的关系，根据Unity3d交互的要求建立模型的父子关系，依据实物的物理特征判定模型的层级关系，模型是实物在三维场景中的映射，故而实物的尺寸决定了三维场景中模型的比例关系;与此同时，可以利用收集到的素材作为模型的材质和贴图，由于场景中主要是变电站设备，故而设备材质以钢铁材质为主;贴图的好坏将反映模型最终所呈现的视觉效果，其中为使模型更具真实感,采用的贴图方式有：凹凸贴图、漫反射贴图、法线贴图、衰减贴图等；在确定模型关系以及制作好模型材质与贴图后，在3DMax软件内建立三维模型，赋予模型材质与贴图，并将模型摆放到变电站三维场景中，给场景添加灯光、阴影效果，让其更贴近真实场景；最后对模型进行优化，并将优化后的模型以.fbx文件和动画序列帧的形式进行输出。

图1 系统开发设计方案图

图2 系统建模流程图

以电压互感器为例对于建模进行分析。电压互感器主要由一、二次线圈、铁芯、绝缘组成，此次仿真过程中电压互感器为电容式电压互感器，其实物与三维模型对比如图3所示。

(a)实物

(b)三维模型

在建立电压互感器三维模型的过程中，根据其在变电站中所属形态将其划分为3个部分进行建模。下部的支架部分主要由圆柱体和长方体构成，可以采用基础建模法进行建模，选取长方体、圆柱体为建模基本体，通过缩放、镜像等命令来实现；中部的接线盒通过将两个长方体按比例缩放组合而成；上部的铁芯和绝缘体通过将圆柱体转换为可编辑的多边形，在点、线、面、元素4个层级下，通过挤出、倒角、缩放、塌陷等命令编辑而成。电压互感器建模如图4所示。其他变压器、电容器、电抗器、隔离开关等的建模方法类似。

图4 电压互感器建模图

2.2 三维交互引擎技术

现今国内外用作三维交互开发的主流软件有：Unreal4、Unity3d、Virtools、Quest3d等,综合设计难度和系统开发成本，本设计选用Unity3d引擎进行系统开发。系统在设计过程中，考虑设计成本、系统面向对象以及用户体验效果等各方面因素，选择外接式头戴设备进行开发。在外接式头戴设备中HTC vive是运用较广，用户反馈较好的沉浸式设备，故而系统开发过程中选择HTC vive作为VR设备进行沉浸式功能开发。

通过HTC vive设备与Unity3d软件对接，可将学员映射到变电站三维场景中，并与场景中的设备模型以及故障模型进行交互，进而实现变电站的沉浸式仿真开发；PC机是系统软件开发的载体，PC机的硬件配置决定了场景的分辨率、系统的运行效率以及学员的最终体验效果。

HTC vive硬件平台的主要设备。

为使HTC vive设备正常工作，需以一定的顺序对设备进行安装，确保各个环节正确、有效地运行。HTC vive设备安装可分为四步，具体流程如图5所示。

图5HTCvive设备安装流程图

实现VR设备与PC机间的通信，需要对其进行软件配置。Steam VR是为HTC vive设备进行沉浸式仿真而专门构建的软件平台，该平台可以让HTC vive设备与PC机进行联机工作，并可选择相应的体验方式。为使Unity3d里的变电站场景能进行沉浸式仿真，需对仿真系统进行Unity VR配置，使Unity3d软件通过中间平台Steam VR与HTC vive设备进行通信和数据交换，进而实现系统沉浸式仿真功能。

在Unity3d场景中使用Steam VR插件时，要充分利用Asset->SteamVR资源包下的[CameraRig]和[SteamVR]预制体。在场景开发过程中，将两预制体拖拽到Unity3d软件的Hierarchy面板中，即可实现Unity3d与HTC vive设备的对接，进而完成沉浸式功能开发。如图6所示。

图6 [CameraRig]和[SteamVR]预制

用HTC vive设备构建沉浸式仿真的硬件平台后，具体交互功能开发在Unity3d中实现。系统设计从变电站总体入手，通过学员第一视觉认识变电站的整体构造、工作机理等；再到局部细节介绍，包括各个设备的具体组成、运行原理等；而后通过调用开发出的视屏展示模块，以三维动画的形式介绍变电站相关知识。

3 系统测试

通过系统软件安装和硬件设置后，进入仿真选择界面，该界面将系统划分为3个模块：视频教学模块、虚拟实操模块以及考核系统模块。在视频教学模块中，以巩固学员变电站基础知识为目的，通过三维动画的形式，提升学员学习热情，缩短学习周期；在虚拟实操模块中，学员利用HTC vive设备，在虚拟场景中获得现实变电站体验效果，通过视频教学、沉浸式漫游、沉浸式设备交互等环节，提升学员专业素养以及变电站故障处理能力。变电站仿真选择界面如图7所示。

图7 变电站仿真选择界面图

1)沉浸式漫游。学员点击虚拟实操按钮进入沉浸式仿真环节，该环节分为沉浸式漫游、沉浸式设备交互以及沉浸式故障处理3个模块。学员选择沉浸式漫游模块，戴上HTC vive设备，即可身处变电站虚拟三维场景中，通过HTC手柄实现学员在变电站场景中的漫游以及瞬移控制。在变电站场景内进行沉浸式漫游仿真体验如图8所示。

图8 变站沉浸式漫游体验图

2)沉浸式设备交互。为使学员对变电站内设备有更为直观的认识，系统仿真过程中加入了沉浸式设备交互模块。该模块在沉浸式漫游场景的基础上进行扩充，将需要进行展示的设备模型单独成组，如变压器、操作柜、隔离开关等器件，并给各个模型添加碰撞检测组件，当学员通过HTC手柄发出射线照射至模型碰撞器时，界面跳转至该模型的交互场景,学员在该场景中，通过手柄选择模型的展示方式，实现设备的旋转、拆装，镜头的拉远、拉近等操作。

4 结论

以沉浸式变电站故障仿真系统开发为宗旨，以三维建模技术、三维交互技术、数据库技术、沉浸式仿真技术等为桥梁，开发了集虚拟实操模块、视屏教学模块为一体的沉浸式仿真系统。将沉浸式仿真技术融入传统的变电站仿真系统中，该系统集三维可视化、沉浸式教学、视频展示于一体；系统功能齐全，可移植性、可扩展性、可维护性强；采取沉浸式技术，为学员体验带来真实的现场感、沉浸感；激发学员兴趣,以故障仿真为主，弥补以往仿真系统不足；引入考核系统，完善系统考评机制，为学员学习效果检验提供依据。