浅谈VR 技术在变电站培训上的应用

茹超超，张正奇，岳珈增，孔琳琳

（河南理工大学，河南 焦作 454000）

0 引言

电力作为国民经济发展中不可或缺的一部分，有着极其重要的作用，而变电站则是提供稳定电力的重要环节。因为天气、设备、误操作等原因引发的事故每年时有发生，每次都会造成经济损失，有时还会造成人员伤亡，因此对于变电站工作人员的技能水平要求越来越高[1]。而传统的变电站培训教学存在理论知识和实际操作相分离的缺点，理论学习枯燥乏味，实际操作生疏易错，极易造成训练设备的损坏。因此开发一个交互性好、训练效果好、成本低的变电站培训教学软件显得尤其重要。

1 利用VR 技术搭建培训系统的相关概念

1.1 VR 技术的概念

虚拟现实技术是近年来随着计算机、信息网络技术发展而新兴的一门技术。该技术利用计算机及相关软件，生成逼真的视、听及触觉一体化的三维虚拟世界。用户借助头戴立体显示器、数据手套等辅助传感设备，切身参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感和带入感。近年来VR 技术被广泛应用于培训教学领域[2]。

1.2 VR 技术在变电站培训教学上的优点

传统变电站的培训教学系统复杂，枯燥无味，在培训过程中技术人员不能全方位的了解变电站的组成及各部分的功能。此外，也不能模拟突发的危险情况。而采用了VR 技术的培训教学系统的沉浸式效果极好，能够极大鼓舞受训人员的学习热情，并且提供了事故仿真处理环节，能够大大的提高培训的效果，同时这样的教学软件不受时间和空间的限制，易于推广[3]。

2 VR 技术搭建培训系统的流程

首先需要前往变电站进行实地调研，并对变电站内的一二次设备进行拍照、录像等，以便于后期建模使用。其次根据前期拍摄的照片、录像，用3ds Max这款强大的三维建模软件，实现对模型的建立，通过材质和贴图使模型更加真实。然后将模型导入到Unity3D 中，通过对场景编写相关的C#脚本来实现场景漫游、设备实操、事故仿真等功能。受训人员可以通过头戴式设备实现人机交互，以极高的沉浸感和现场感来学习变电站的相关知识[4]。

2.1 三维建模

3ds Max 中有主要的建模方法有：多边形（Ploygon）建模、细分曲面建模（subdivision surface）和非均匀有理B 样条曲线建模（NURBS）。在对场景的中的电气设备如变压器进行建模的时候，主要采用的是多边形建模。根据拍摄的照片和录的视频以及其他辅助材料，来确定模型的大小比例，只有这样，才能达到很好的交互效果。选用标准基本体中的长方体来充当变压器的大致轮廓，然后选中长方体通过点击右键转换为可编辑多边形，在顶点、边、边界、多边形、元素五个层级下通过旋转、缩放、挤出、桥等操作来构建出变压器的细节[5]。此外，为了使计算机运行流畅，不出现卡顿，在建立模型的时候要注意删除看不见的面，尽量使复杂的模型变的简单化。

2.2 纹理映射技术

模型建立大致完成之后，通过纹理映射可以使模型在使用较少的边数的情况下就可以获得与实际模型很贴近的三维模型。所谓纹理映射就是就是将二维的图片映射到三维模型的表面来对三维模型的细节进行刻画，二维图片可以通过Photoshop 等软件进行适当的处理然后再赋予三维模型，可以有效增强模型的真实感，同时可以使得模型的边数大大减少，使系统运行更加流畅[6]。通过阴影烘焙技术可以记录虚拟场景中当前场景的光照信息，这样在Unity3D 中进行漫游开发时不需要程序演算就可以得到很好的光影效果，大大节约了系统运行资源。

2.3 硬件设备的选择

现如今，市场上已经有非常多种类的VR 设备，大致可以将这些设备分为手机盒子、外接式头盔以及一体式的头戴式设备三种[7]。手机盒子的工作原理是将透镜放在手机上，让你可以直接观看VR，但是VR的运算量很大，手机容易发热，从而导致卡顿。一体式的头戴式设备没有连线的束缚，自由度更高，方便受训人员进行培训，但是价格比较昂贵。而外接式头盔相较于手机盒子有更好的沉浸式体验，而且价格比一体式的便宜很多。其中，HTC vive 品牌的外接式头盔相对来说性价比比较高。

2.4 场景漫游

在进行场景漫游的时候需要解决碰撞检测的问题，在现实的实际生活中，在同一位置，是不可能出现两个及以上物体的。在虚拟的世界中，如果一个物体从另一个物体中穿过去，就会让用户有不真实的体验感觉。为了解决上述的问题，系统在开发的时候没有采用简单的包围球算法，而是采用了网格模型视点距离法的实时碰撞检测，通过网格找到三维模型各包络点最大并通过连线求出占据能够包括变压器三维模型的小线框，当相机的位置与线框发生碰撞的时候则在程序中保持相机的位置参数不变，从而解决了发生穿透的问题[8]。

2.5 事故仿真

变电站常见的事故有很多种，比如变压器的渗漏油、起火、断路器的六氟化硫气压降低、隔离开关的拒分、电流互感器的操作机构柜故障等。这些常见的事故可以使用Unity3D 强大的粒子系统和Shader 来实现。当变压器起火的时候，可以在着火的位置加入火焰粒子系统来实现着火的特效，并通过调节粒子预热、粒子发射初始颜色、粒子生命周期等来改变火焰在场景中的状态[9]。受训人员通过配带HTC vive 设备在场景中进行漫游，并通过手柄上的Touchpad 按钮来实现操控泡沫灭火器对场景中起火的变压器进行灭火，在灭火的过程中采用相交圆碰撞检测算法来实现灭火的功能。

2.6 测试考核系统

如果想进一步测试受训人员的培训效果，可以通过MySQL 数据库建立关于变电站的基础题库和事故仿真练习题库。受训人员可根据自身学习的需要，选择是进行变电站基础知识练习还是事故仿真练习，两种方式对应不同的试题数据库类型，将数据库内试题呈现到培训系统的界面上，受训人员即可进行答题。受训人员完成后提交，系统会自动对比正确答案给出受训人员成绩。这样，不仅完成了培训的目的，更进一步也检验了受训人员的学习效果。

3 培训系统的不足与改进

在此系统开发的过程中，变电站的整个场景的设备模型很多，在受训人员的培训过程中会出现系统所占空间过大以及卡顿现象，对于大一点的变电站场景，即使提高电脑的性能也无济于事。这就在一定程度上限制了此项技术的发展。此外，还存在市面上常见的VR 设备硬件的价格依然过高，受训人员培训过程中可能会出现晕眩的问题[10]。为解决以上问题，在以后的开发中，需要进一步对建的模型进行优化，寻找市面上做的更好的硬件设备，减少晕眩的情况。再进一步来说，还可以通过Unity3D 这个强大的跨平台引擎，把培训系统发布成WebGL 版本，供在线学习。

4 结语

在传统的变电站培训中引入VR 技术，这大大的激发了受训人员们的热情。并通过配合HTC vive 设备进行使用，很大程度上增强的培训的现场感，同时使参加培训的用户有着身临其境的沉浸感。该系统使用Unity3D 进行系统开发，它有很好的兼容性。这大大的降低了软件的开发难度，降低了软件的开发成本。随着电力行业的不断发展和调整，VR 技术在变电站培训中将会变得愈来愈重要。