一种基于VR技术的变电站火灾安全培训系统

杨晨，尹琦云，黄欣，崔鹏

（国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750011）

0 引言

VR(virtual reality)技术也称虚拟现实技术，是实现人的自然技能和设备设施信息交互的先进技术，随着数字信息产业的不断发展，VR技术逐步成为信息化建设的重点。传统变电站安全培训存在手段单一，互动性差，体验性差等问题，无法针对带电设备变电站火灾等突发应急事件处置进行培训，同时，因人员个体的行为和心理具有较强的复杂性和波动性,如何真实、准确、有效地构建培训模拟并开展培训成为了变电站火灾安全培训的一大挑战[1]。利用VR技术模拟电力行业的真实设备环境、火灾场景、应急情况，为现场作业人员开展智能仿真培训和检修现场作业给予指导，增强作业人员对安全规程的体验效果，提高其应急处置水平与安全意识。此外，利用VR技术开展作业人员的现场实景模拟培训，不仅可以提高教学质量,还可以降低教学成本[2]，减少变电站人力、物力的投入。

1 VR变电站火灾安全培训系统设计

1.1 VR变电站火灾安全培训系统设计原理

本系统以真实变电站工作现场为原型，采用3D Max(3D Studio Max)制作火灾、高空坠落、设备环境VR场景，利用UE4.0（虚幻引擎4.0）开发实现变电站火灾安全培训系统[3],开展基于3D Max的系统场景建模[4]。具体实物的材质选择和特效制作使用C++语言编程，方便后期迭代维护。

系统设计安全教育互动功能将虚拟人物刻画至构建好的变电站场景内，通过第一人称体验模块，结合多场景真实光影特效，向作业人员提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激,作业人员通过头盔式显示器、手势、体势和自然语言等方式与虚拟环境进行实时交互,在VR虚拟场景中获得相关安全规程、模拟场景的讲解和演示[5]，让作业人员身临其境体验事故的危险性从而得到教育。

1.2 VR变电站火灾安全培训系统实现步骤

1）根据功能需求进行场景内容、场景切换路径、交互逻辑需求、概要设计，输出策划文档。

2）进行场景模型纹理图的采集、制作，通过PS(photoshop)、Maya(Autodesk Maya)处理纹理，为构建场景三维模型提供制作材料。

3）进行场景搭建、模型制作、贴图、着色，制作如图1所示。

图1 VR变电站火灾安全培训系统建模

4）对系统UI(user interface)动画、场景动画、模型动画、人物动画进行制作，骨骼绑定。

5）根据系统功能设计进行录影棚录制、音频制作，配合动画进行单体模块制作，对系统配音进行切割、录入、调试，输出单体模块音效文件。

6）对制作好的模型文件、音效文件、动画文件、UI文件进行整合，对策划文档所需功能模块、场景内容切换进行代码功能实现[6]。

7）进行灯光效果调试，着色复录，系统渲染，封装打包，导出应用程序。

图2为VR变电站火灾安全培训系统实现步骤，实现步骤归纳如下：

图2 VR变电站火灾安全培训系统实现步骤

第一步，进行数据收集、图片收集和素材收集；

第二步，使用3D Max建模软件对虚拟场景进行建模；

第三步，导入UE4.0进行模型材质制作；

第四步，添加组件为模型功能使用添加机制；

第五步，搭建虚拟现实系统并实施渲染；

第六步，导出使用文件程序。

1.3 VR变电站火灾安全培训系统操作步骤

如图3所示，一种基于VR技术在变电站火灾安全培训的系统，由VR变电站火灾培训软件和VR穿戴设备组成。

图3 VR变电站火灾安全培训系统操作步骤

作业人员进入变电站火灾安全培训系统，第一步穿戴VR设备，进入虚拟场景[7]；第二步通过第一人称体验火灾事故、高空坠落、安全问答；第三步通过手柄与系统进行交互式操作；第四步接受安全警示教育，进行引导教育与反思[8]；第五步结束，摘下穿戴设备。

2 VR变电站火灾安全培训系统特点

2.1 场景建模和现场实景对比

针对变电站、换流站等开展的建模，主要特点和难点在于模型量大、设备复杂[9]，渲染所需资源量大。针对此问题，项目系统设计使用可编程3D建模软件3D Max、Maya对真实工作现场的设备进行扫描重构，划分户内场景和户外场景分别进行实物骨骼搭建、场景坐标预设和灯光渲染[10]，贴图采用现场照片原材质贴图，真实还原变电站生产现场环境[11]，分别建立以宁夏电力±660 kV银川东换流站户内阀厅作业场景、户外换流变压器作业场景作为主要对象的可编辑三维对比模型，如图4至图7所示。

图4 阀厅现场实景

图7 换流变压器建模后贴图

图5 阀厅建模后贴图

图6 换流变压器现场实景

2.2 VR变电站火灾安全培训系统优势

1）能够模拟设备带电情况下无法开展的多类培训。

2）安全性高。身处在绝对安全的环境下，培训过程中模拟器始终会在预设虚拟边界以内，比起现场教学，具有绝对不会发生安全事故的优点。

3）成本更低、对场地要求小，更方便，仅需3 m2的平整场地即可搭建模拟平台。

4）可制作实体场地中无法搭建的高危现场，还原真实的作业环境，人员可进行实景漫游，更全面、更直观地感受作业现场[12]。

5）可通过综合视觉、听觉、灯光、特效等元素制造出危机时刻紧张的氛围。

6）可通过人机交互的设计，高度还原事故发生前后员工的心理状态、情绪表达，通过应急处置关卡设计锻炼员工在危急时刻的危机判断意识和应急处理能力[13]。

7）发生事故后利用多镜头、多角度，使员工对整个事故的起因、后果、造成的影响进行全面的认识和理解。

8）可发挥以上自身优势，与实体体验基地做到强有力的互补，全方位的教育，达到培训人员对生产安全的全方位认知的目的。

3 VR变电站火灾安全培训系统制作

3.1 VR核心开发工具及算法介绍

1）搭建VR安全培训系统需要直接使用的开发 工 具 有Unreal4.0、Lumberyard、3D Max、Autodesk，鉴于系统渲染后效果的综合考量，采用UE4.0引擎制作及渲染，3DMax建立环境模型[14]。UE4.0的底层代码为完全开源，自身拥有的可视化编程系统，大幅度地提高了编程效率，加快了编程速度和准确率。利用UE4.0自身的材质模块、人工智能模块、制作特效模块等各模块之间的动态可视化编程能力相互配合，可以高效完成高质量的程序输出。

2）UE4.0自身的animation系统在骨骼绑定、物体动作和移动物体动画方面更自然[15]，输出后的场景效果更加逼真，为变电站多设备、多业务系统渲染效果提供了强大的支撑。

UE4.0兼容了Windows与Mac平台，并且可以在Windows、Mac、Linux、IOS、Android等平台上运行，具备变电站使用的多平台兼容特性。本项目碰撞计算基于强大的PhysX引擎，逼真地模拟出物体碰撞、布料、重力等物理效果,可以在光影动态调节、动作连贯性、粒子锯齿化方面获得最佳计算结果，使系统的运行体验感有本质的提升。项目粒子特效使用最新版Niagara粒子系统制作[16]，制作效果如图8所示。

图8 使用Niagara系统制作爆炸粒子

3.2 建模及渲染要点

1）建模中对于重要性排名靠后的元素可以用纹理贴图实现，计算机CPU及显卡是实现画面表现的核心，模型面数是影响CPU计算能力的核心因素，若面数太多，CPU的计算量会剧增且显卡难以流程运行，下载使用难度很大。在制作火灾爆炸逻辑时借助可视化蓝图模块编辑爆炸粒子的生成逻辑，对粒子进行优化管理，减少面数，避免对系统造成过大压力导致卡顿，蓝图制作见图9。

图9 使用可视化蓝图制作爆炸逻辑

2）场景模型搭建包含建筑物、人物、器具时，若此类材质整体可复制，则对其进行组合；如果场景中的模型数量太多会给后续操作带来较大麻烦，则需降低运行速度，尽量减少场景中模型的数量[17]。在3DMax搭建制作的模型必须对其再次进行优化，否则运行的硬件设备将出现崩溃等漏洞。在建模过程中极其重要的操作是要删除视线以外隐藏的面。在删减的过程中尤其要保证模型的基本外形不被损坏，采用去中心树进行哈希游离删减，保持模型整体性，杜绝不规则性删除破坏结构。图形优化场景如图10所示。

图10 调试优化场景模型

3）在使用UE4.0与3DMax配合时，坐标需要及时归零并调整一致，无论是动态模型还是静态模型都需要将对称轴调整一致,这是确保场景一致性的关键。

4）场景内部物体众多，同时将本身有碰撞的模型导入会造成整体模型场景中模型碰撞混乱，且无法在引擎内部实现调整修复；因此，在模型导入时采用链式分组进行提前预判，并且提前调整碰撞因数减少混乱视角出现。

3.3 培训内容设计

为进一步提升系统培训的可用性，本系统将培训内容设置为高空坠落学习类和火灾风险学习类，通过虚拟背景，给体验学习人员进行场景的描述和引导。参考生产作业现场施工“四措两案”编制安全引导教学内容，告知人员停电范围及工作内容，施工危险源辨识及控制措施，并在每个学习类下细分为三大类关卡：第一类是生产作业现场实景体验违章造成的惨痛后果，以第一视角人称让学员深刻体验到违章的代价，起到警示教育的目的。第二类是闯关问答，通过人员佩戴的可交互式VR设备，结合《变电站高空坠落应急处置问答》[18],《变电站火灾消防应急策略问答》[19]，帮助学员学习国家电网有限公司防止高空坠落措施和防止火灾事故的各项规章制度，并针对银川东换流站特殊场景让学员进行消防应急情况处置突发事件技能学习。第三类是自由模式，学员可以通过穿戴设备进行全场景交互式移动和查看，应用本功能熟悉设备，帮助学员尤其是新员工和外包作业施工人员认识换流站、变电站。

通过以上内容关卡设置，丰富人员对于电力生产安全知识的学习手段，提升人员安全生产意识，增强人员生产业务水平，进而服务新型电力系统构建及电力行业数字化转型。

3.4 员工培训学习后的评价

本研究对从业员工通过分组对照、发放问卷的方式进行体验后反馈统计[20]。主要针对使用虚拟现实场景的人员的学习情况、使用效果、眩晕情况进行多维度数据统计[21]。用以反映本系统使用后的实际效果，如图11所示。

图11 VR培训情况数据

从样本库内随机挑选300名参与培训的员工实施问卷调查，包括选择题及问答题，其中选择题占比90%。根据调查结果，有71%的员工表示此类培训方式非常有益，26%的员工表示此类培训方式比较有益，3%的员工表示此类培训方式与其他培训方式差异不大。在硬件的佩戴使用过程及使用后眩晕情况方面，27%员工表示完全没有眩晕，52%的员工表示眩晕感程度可以接受，21%的员工表示眩晕感较为强烈。对体验后眩晕感较为强烈的员工进行了再次问卷调查，其中75%的体验员工是在空腹血糖水平较低的情况下产生较为强烈的眩晕感，让其少量进食后进行适应性训练，再次测试，眩晕感明显降低。在体验式培训间隔7天后，对300名参与培训的员工再次进行问卷调查，根据反馈结果，其中74%员工认为采用VR培训受到的警示教育影响非常大，21%员工认为受到的警示教育影响较大，5%员工认为警示教育影响较小。根据培训员工采用VR技术培训效果的反馈意见说明采用VR技术培训的效果比传统培训的效果更直观，员工体验更深刻。

4 结论

本系统将变电站等场景通过VR技术进行1:1还原，在丰富培训内容的同时大幅降低成本，以某次100人次培训为例，可直接节约时间成本400 h，维护费用低至1 000元以内，经济效益显著。本系统针对目前变电站在安全培训方面存在的手段单一、直观性差、针对性弱的问题，结合VR、UE4.0与3DMax等技术将变电站等场景通过VR技术进行1:1还原，采用PDCA工作法，通过系统设计开发、培训模块设置、仿真模型搭建、试验结果对比分析等方式，模拟变电站真实设备环境、事故现场、灾难情景，使培训人员更直观了解操作程序、安全规范、应急处置方式，在岗前培训、技能考核、成绩评分、事故演练、警示教育方面发挥重要作用。系统培训使新员工、施工作业人员、各级安全管理人员等能够快速充分了解电力安全生产的重要性，增强规范操作意识，从而达到良好的警示、教育目的。