基于Torque引擎的電力安規虛擬交互培訓系統

姚 凡，羅滇生，趙 靜，汪會財，匡少林

（1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082；2.河南省電力公司，鄭州450052）

面對電力生產中的新形勢，國家電網公司提出了“一強三優”的發展目標，作為電力系統的統一目標和根本任務。在這種形勢下，電力安全教育更加凸現出其必要性。電力工業的迅速發展對工作人員的培訓工作提出了較高的要求。培訓是提高工作人員素質及保證電力系統安全、穩定運行的重要手段之一，而電力系統的運行特點決定了不能通過實際設備直接操作進行人員培訓，而傳統的理論講述培訓與手冊培訓周期長、資金投入大、學員現場感差，因此進行仿真培訓具有重要的現實意義［1］。仿真培訓不僅是一種實踐與理論的結合，且寓教于樂，并能夠使學員身臨其境，達到高效、安全培訓的目的。基于虛擬現實技術 VR（virtual reality）［2］的培訓方式應運而生，它具有信息容量大、多項演示、模擬生動、身臨其境等顯著特征，這是有限空間、有限時間的其它傳統培訓方式無法比擬的。而基于Torque引擎的電力安規虛擬交互培訓系統以虛擬仿真訓練的方式，把各個崗位的操作規程和安全規程以一種交互的方式體現出來，并且涵蓋了每個危險點陷阱。電力職工通過使用該系統，能夠熟悉每個崗位的操作規范和安全注意事項，從而在日常的工作中最大限度地減少事故的發生。

1 Torque引擎介紹

Garage Games的先驅產品是Torque Game Engine，簡稱TGE，它是3D計算機游戲引擎的改進，也就是說TGE是一個專業的3D引擎，而不僅僅是一個游戲開發包。它最初由Dynamix于2001年為第一人稱射擊游戲―Tribes 2而研發。后由Garage Games向獨立開發者和專業游戲開發商授權。著名的由該引擎開發的商業版游戲有：Marble Blast Gold， "Minions of Mirth"，"TubeTwist"，"Ultimate Duck Hunting"和"Wildlife Tycoon：Venture Africa"。涵蓋了目前市場存在的各種游戲類型和風格。

作為一款典型的游戲引擎，Torque包含了以下主要功能模塊［3，4］：

1）事件輸入模塊；任何平臺輸入事件經由平臺層解釋遞交到游戲，然后游戲按照一張全局動作映射表檢查輸入事件，這張表取代所有其他的動作處理程序。最后這些事件都被發送到主應用程序事件隊列中。

2）資源管理器模塊；Torque Engine會使用到為數眾多的資源，比如地形文件、位圖、形狀、材質清單、字體以及內景等等，因此這個管理器用于管理各種游戲資源并提供一個加載和保存資源的通用接口，它支持每次只加載一種資源的一個實例。

3）形狀和動畫處理模塊；該模塊管理各種形狀模型的顯示和動畫。圖形引擎負責渲染整個場景，并決定一個給定的對象是否需要有客戶端處理。

4）網絡連接模塊；該引擎提供了強大的C／S網絡模擬支持，同時處理了三個基本的實時網絡編程問題：受限帶寬，數據包丟失和延遲。

5）窗口管理模塊；此模塊包含了游戲的菜單、設置、選項、對話框以及每個游戲進行時的消息系統，能控制游戲視覺外觀并接受用戶控制輸入，提供各種按鈕控件。

游戲引擎的元素由用戶輸入、圖形、音頻、事件、時序與同步、場景圖、腳本、對象和資源、網絡、文件I／O九部分組成。

2 關鍵技術

2.1 Torque引擎與3D模型組合

本引擎全面支持3ds Max與maya建模，由于本次項目采用3ds Max建模，所以可通過引擎規定的導出插件，把3ds Max所搭建的模型導出為.dts格式文件。Torque引擎在內部已經封裝好固定格式的數據塊，只需要在腳本文件中填寫該模型文件的屬性信息，所需要的模型就可以在虛擬場景中得到加載和實現。整個流程簡單易操作，而且虛擬場景中的所有3D模型都可以自由地設置其大小、位置。電力安規虛擬交互培訓系統的變電站三維模型場景如圖1所示。

圖1 Torque引擎中變電站的模型場景Fig.1 Substation model scene of Torque engine

2.2 Torque引擎與3D動畫組合

3D動畫整合與3D模型整合大致相似，3D動畫也可以說是帶有動作的3D模型，都是通過加載.dts格式文件，填寫數據塊屬性值來指定給引擎，所不同的是由于有動作，3D建模會有兩個部分，即骨骼和蒙皮。導出時骨骼與蒙皮是分開的，蒙皮也就是一個3D模型，而骨骼是一些存儲蒙皮變換的矩陣，引擎通過不同的矩陣來控制虛擬人物的不同動作。當模型加載入引擎以后會再加載一個動作列表，該列表也可以在腳本文件中編寫。程序員編寫邏輯代碼判斷培訓人員的鍵盤或者鼠標操作，通過匹配動作列表中動作各動作名稱，達到不同操作不同動作的播放。

電力安規虛擬交互培訓系統中的人物驗電動作如圖2所示。

圖2 Torque引擎中的人物驗電Fig.2 People examining electricity in Torque engine

2.3 Torque引擎與SQL Server數據庫組合

本引擎在網絡支持方面存在著缺陷，引擎本身也不支持SQL Server數據庫連接，但可以用改動引擎的方法達到支持。

由于Torque是基于Win32平臺，對MFC不支持，所以在改動引擎時選用 Win32連接數據庫的方法，把該功能加進引擎源代碼后對引擎進行再次編譯，達到通過腳本文件，指定數據庫類型、連接地址、表名、用戶名、密碼等，即可連接數據庫，對SQL Server數據庫進行讀取、修改、添加、刪除操作。

3 電力安規虛擬交互培訓系統

3.1 系統簡介

電力安規虛擬交互培訓系統應用目前的計算機技術、信息及網絡技術，采用虛擬現實的方法，為電力企業提供了一個3D互動電力安全教育培訓平臺。系統運用TorqueScript進行培訓流程控制，采用SQL Server數據庫記錄受訓人員的信息，采用xmlhttp的service技術與流媒體技術實現變電的無刷新實時電力安規培訓操作場景，以3D游戲開發引擎Torque作為基礎平臺進行二次開發。

系統基于虛擬現實技術，綜合運用圖形、3D動畫和聲音等多種媒體模擬電力現場作業的實際情形，將電力標準化作業流程和安全規程以一種交互的方式體現出來，涵蓋各種典型違章事故案例。同時，系統引入110kV、220kV變電站仿真系統，供變電運行人員進行巡視、操作、異常及事故處理的仿真模擬訓練及考核，可供電力企業的各級管理人員和生產技術人員進行安全生產規程考核培訓使用。

虛擬交互系統的結構如圖3所示，主界面如圖4所示。

圖3 虛擬交互培訓系統的結構Fig.3 Structure of virtual interactive training system

圖4 虛擬交互培訓系統的主界面Fig.4 Main interface of virtual interactive training system

3.2 系統功能

為了給電力設備運行、維護、檢修人員提供全方位的仿真培訓，通過構建一個虛擬仿真培訓系統平臺，為變電、線路運行人員提供系統結構、變電站設備、運行原理、運行規程、生產流程等的培訓。盡可能地提供與實際工況相一致的軟、硬件環境，使受訓人員有身臨其境的感受，掌握變電、線路運行操作控制的基本技能。進一步提升檢修人員和老員工的業務水平，也為新員工提供對專業設備的感性認識，并具備一定的操作技能。通過使用虛擬仿真培訓系統平臺，在一定程度上解決了電力安全培訓中不可視、不可摸、不可入危險性場所的的難題。同時對于變電站日常運行過程中并非每個員工都會遇到的故障和事故，可以利用本系統的預設場景，使受訓人員在虛擬事故中得到"真實"鍛煉，一旦真實的事故發生，得到"真實"鍛煉的人員就可鎮定自若地正確應對，把事故影響減至最小范圍。

系統功能主要分三個模塊，如圖5所示。

圖5 系統功能模塊Fig.5 System function block diagram

1）實景培訓

本模塊采用現場實拍視頻方式，完整記錄電力標準化作業流程的各個現場操作。學員通過觀看各種知識點的實際操作過程，對每一步操作都有一個感性的認識，理論結合實際，更有助于將安全意識融入到實際操作中。

2）虛擬交互培訓

本模塊采用VR虛擬現實，提供了一個3D互動電力安全教育培訓平臺。系統根據不同學員的培訓需求，提供了整體、隨機和游戲三種培訓模式。

整體模式：該模式主要針對于新學員。在系統的提示下，學員可完成整個標準化作業流程操作，讓其熟悉整個操作流程，并了解操作流程中的關鍵環節。

隨機模式：系統將整個培訓流程做內容分解，提取各個不同的關鍵操作環節并隨機地供學員自由選擇進行培訓。

游戲模式：學員可自由選擇培訓內容，并能觸發相關任務事件，可以獲取成就、金錢、積分等，增加培訓的趣味性。

培訓開始時，系統將會下達培訓任務書。任務書起作業指導作用，其中列出了要完成相應知識點正確操作步驟，是初學者順利完成任務的有利保障。當完成培訓任務時，系統將會給出任務報告，任務報告將總結作業過程，指出其中需改進的地方，給你任務評價，同時提供了作業時間、事故列表等參考信息，有助于規范操作，避免事故發生。

3）典型案例分析

本模塊歸類收集了國內近年來發生在供電企業的大量典型事故案例，以供電企業發生的典型違章事故案例為原形，采用事故現場資料和3D動畫仿真的表現手法，生動形象地演示了事故過程，并結合《安規》相關條款，詳實地分析了事故發生的主要原因，提出相應的防范措施，對電力職工的安全教育起到警示作用。

文獻［5］描述的系統可實現的培訓功能主要有現場漫游、電路圖培訓、安全工器具規范化操作指導、運行操作培訓、維護檢修培訓、倒閘操作票培訓、典型案例仿真處理、教員 －學員互動平臺、學員－學員互動平臺等，這些功能本系統都能實現。

為了實現以上培訓功能，本系統須在技術上實現以下功能：

1）自動行走：利用引擎把鍵盤按鍵事件和人物動作做出綁定，在程序中判斷其按鍵鍵值做出相應的動作。在碰撞檢測中，給每一個物體套上一個和物體大小相同的盒子，并做出統一的命名，在虛擬人物身上也會有一個相同的盒子，當盒子與盒子發生碰撞時判斷其盒子屬性，其盒子屬性分為：可站立，不可通過，事件觸發等。

2）案例重現：將虛擬人物在電桿的操作過程全部存儲在數據庫中，每一次重要操作都會進行與標準操作的判定，是否為可操作，是否為正確操作等。如有錯誤發生將正確的數據提示，或在操作結束后，用正確數據將操作步驟以重放方式進行。

3）操作流程：由于每一個操作步驟都是在數據庫中存放，所以可在數據庫中動態的改變操作順序以及匹配操作動作，程序將在初始化的時候讀取數據庫中的標準流程表，所以每一個場景的操作流程根據數據庫中數據的不同動態的改變，但所改變的數值必須是虛擬人物動畫中存在的動作。

4）娛樂性：在虛擬交互培訓系統中將人物劃分等級，以勛章數目表示，人物等級越高，其勛章越多，而且生命值也會有所增長，在虛擬培訓中，生命值等于可出現錯誤的次數，而致命錯誤是不受生命值多少影響的，當然考試中是不允許出現錯誤的，既等級以及生命只對培訓有作用，管理人員可根據安規規定在數據庫中標識出致命錯誤，而且可考慮把培訓人員的等級以百分比方式納入考試中。

5）音樂播放：根據每個動作以及動作產生后的效果播放音效，而音樂采用三維立體聲，既離聲源的遠近及角度不同會改變耳麥中左右聲道的大小，讓人能感覺到聲源的位置，使整個操作更逼真。

6）虛擬場景：場景根據實拍照片所編輯，整個布局都可以靈活變動，在規定文本當中會存儲某一個物體的大小，位置，碰撞體盒，而場景中的各種建筑都是由3ds max所鍵，這樣很方便以后對場景的改動，也方便新增加場景。

7）工作虛擬：將一個電力工人所有工作流程以數據方式存儲，而該數據與數據庫當中匹配，因此只需要在數據庫中制定好正確的工作流程，虛擬人物會在接受培訓人員命令后進行相對應的操作，很好地處理了重復動作問題，即在整個操作流程中可能會出現多次的相同動作，而人物只有一個對應的動作，在數據庫中將這個動作名稱在不同的地方多次放置，就可達到該動作多次操作的功能。

3.3 系統特點

本系統利用Torque引擎，設計出了一個人機交互的虛擬交互培訓平臺，與傳統的電力安規培訓系統相比，具有以下與眾不同的特點：

（1）頂級的三維游戲享受

本系統充分借鑒三維游戲的開發模式和技術。一方面以逼真的顯示方式，為學員營造身臨其境的感受，使學員得到與現場操作相近的效果。例如：在對電力施工流程建模中，除了模擬相關的電力設備，同時也需要模擬雨、雪之類的自然現象和觸電時火花四濺等狀況（系統中所涉及的3D模型均以實物為原型），并對相關地方配以聲音。同時，在模擬電力操作時，常常按三維動力學的思想來設計，從而很好地模擬了系統中電力工具、設備受到外力時，產生的諸如自由落體、滾動、傾斜等動作。使得整個培訓場景繪聲繪色，給人的感覺與所模擬的客觀世界非常相像，如同在真實世界一樣。

另一方面采用人機交互運行方式和積分制。在虛擬環境中，操作人員通過自主選擇推動情節向前發展，若操作錯誤，便扣除相應積分，這樣便可充分發揮其積極主動性。

（2）靈活的人機交互

本系統通過OpenGL程序，完成移動、旋轉和放縮過程中物體的三維幾何坐標的平移、放大和縮小、坐標旋轉［6］。根據計算機圖形學關于物體和坐標系統變換公式，計算物體被操縱后的目標坐標值，從而使學員可使用鼠標、鍵盤對可視化的人機交互界面中的三維場景模型進行操作：平移物體、旋轉物體、對物體拉伸、在場景中進行瀏覽、電力系統元件工作原理演示、將系統元件與其相聯系的工作元件聯合演示、出現故障如何進行搶修等。

4 系統數據流程圖

圖6描述的是電力安規虛擬交互培訓系統各個部分之間的數據關系，即系統數據流程圖。

圖6 系統數據流程圖Fig.6 System data flow diagram

5 結語

基于Torque引擎的電力安規虛擬交互培訓系統是集實用性與有效性于一體的電力現場作業人員的培訓方式，是虛擬現實技術的具體應用。本系統已成功應用于湖南省電力公司及其各下屬單位，提高了電力工業企業和電力職工培訓的積極性，在培訓過程中人們充分享受培訓的樂趣，改變了原來那種呆板的培訓，使人們由“要我培訓”到“我要培訓”的轉變，培訓的效果大幅度提高。系統中虛擬現實技術、數據庫技術、3D動畫技術的完美整合，使整個系統不但大量節省了培訓成本，而且提高了培訓效率。

［1］ Frank Paul.Using simulations to provide safety and operations training in the electric power industry［C］∥IEEE Engineering Society Winter Meeting，New York，USA：1999.

［2］ 陳天翼，邱家駒，邱淘西（Chen Tianyi，Qiu Jiaju，Qiu Taoxi）.電力系統虛擬現實場景開發研究（PC－based VR environment of a power system training system）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2000，12（5）：7－10.

［3］ Kenneth C Finney.3D游戲開發大全［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［4］ 李志丹（Li Zhidan）.應用游戲設計思想開發指控系統引擎的研究（Feasibility Study of Building Command and Control System Engine Based on Game Engine）［J］.計算機與數字工程（Computer ＆ Digital Engineering），2010，38（8）：118－121.

［5］ 徐良軍，章建，蔣毅，等（Xu Liangjun，Zhang Jian，Jiang Yi，etal）.基于虛擬現實技術的電力安監仿真培訓系統（Simulation training system for supervision of power work safety based on virtual reality）［J］.計算機系統應用（Computer System ＆ Applications），2010，19（11）：162－165，147.

［6］ 檀英杰 （Tan Yingjie）.OpenGL在變電站仿真系統中的應用 （Application of OpenGL in Substation Simulation System）［D］.天津：天津大學電氣與自動化工程學院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation of Tianjin University），2008.