電力設(shè)備檢修三維仿真培訓(xùn)集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)研究

摘要：介紹了運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以三維模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建電力設(shè)備檢修仿真培訓(xùn)平臺(tái)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)、多角色檢修培訓(xùn)，并且提供開(kāi)放式接口使其能夠在平臺(tái)中擴(kuò)充培訓(xùn)內(nèi)容和設(shè)備模型。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；電力設(shè)備檢修；仿真培訓(xùn)平臺(tái)

作者簡(jiǎn)介：朱金花（1964-），女，江蘇徐州人，江蘇省電力公司徐州供電公司，高級(jí)工程師；趙凱峰（1976-），男，吉林松原人，江蘇省電力公司徐州供電公司，工程師。（江蘇 徐州 221003）

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省電力公司2012年科技項(xiàng)目“電力設(shè)備檢修三維仿真培訓(xùn)集成系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：J2012050）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）23-0155-02

一、目的和意義

電力設(shè)備種類繁多，而且對(duì)其安全運(yùn)行方面要求較高，電力生產(chǎn)檢修人員承擔(dān)著電力設(shè)備的檢查、修理、改裝和調(diào)試等工作，只有提高該類人員的技能操作水平，促進(jìn)和加強(qiáng)設(shè)備檢修人員的技術(shù)管理，才能保障電力設(shè)備的安全運(yùn)行。原有的培訓(xùn)模式是在真實(shí)設(shè)備上進(jìn)行技能培訓(xùn)，但有成本高、工位有限、不能多工種協(xié)同操作的缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足日益擴(kuò)大的電力生產(chǎn)規(guī)模和不斷更新的設(shè)備帶來(lái)的對(duì)技能人員技能水平不斷提高的需求。

國(guó)內(nèi)目前的虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，在培訓(xùn)方面應(yīng)用十分廣泛，但大多是基于某項(xiàng)單項(xiàng)工作或某個(gè)單獨(dú)設(shè)備進(jìn)行的仿真，針對(duì)所有電力設(shè)備檢修方面的仿真平臺(tái)還沒(méi)有。運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬電力設(shè)備的基本工作原理、設(shè)備類型及結(jié)構(gòu)，并模擬各種故障以及處理方法，采用文本、聲音、圖像、動(dòng)畫、視頻等多種表現(xiàn)形式，這樣就能對(duì)生產(chǎn)技能人員進(jìn)行很好的現(xiàn)場(chǎng)演示和指導(dǎo)，提高他們消除缺陷的能力。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建整體平臺(tái)并使其能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)、多角色協(xié)同仿真培訓(xùn)，通過(guò)開(kāi)放式接口標(biāo)準(zhǔn)能夠在平臺(tái)中不斷增加電力設(shè)備種類，為將來(lái)新設(shè)備的檢修培訓(xùn)提供接入方式。

二、系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

1.系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)局域網(wǎng)連接的PC機(jī)分別運(yùn)行系統(tǒng)教員端和學(xué)員端程序。教員端程序負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)員端下達(dá)操作任務(wù)，記錄操作步驟、控制學(xué)員端操作方式，學(xué)員端程序負(fù)責(zé)提供檢修仿真操作人機(jī)界面。系統(tǒng)硬件構(gòu)架圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及原理

本系統(tǒng)通過(guò)使用第三方的三維引擎技術(shù)（見(jiàn)圖2）對(duì)三維模型和三維場(chǎng)景進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其滿足仿真平臺(tái)的要求。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作和網(wǎng)絡(luò)通訊的封裝，提供交互操作的數(shù)據(jù)傳輸。

（1）三維引擎技術(shù)。本系統(tǒng)使用的三維引擎技術(shù)是一套由多個(gè)子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，從建模、動(dòng)畫到光影、粒子特效，從物理系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)到文件管理、網(wǎng)絡(luò)特性，還有專業(yè)的編輯工具和插件，幾乎涵蓋了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的所有重要環(huán)節(jié)，也可以將三維引擎分成以下幾部分：配置系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、時(shí)間系統(tǒng)、控制臺(tái)、支持部分、渲染器/引擎內(nèi)核、接口、數(shù)據(jù)工具等。

三維引擎嵌入?yún)R編語(yǔ)言提高常用運(yùn)算的執(zhí)行效率，調(diào)用CPU的微指令集來(lái)加快運(yùn)算速度。引擎基于OpenGL圖形接口規(guī)范，通過(guò)顯卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)penGL接口規(guī)范的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)顯卡硬件的管理，使用顯卡硬件編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種圖像渲染效果，使其獲得硬件加速的同時(shí)，又具備優(yōu)秀的可配置性和可擴(kuò)展性。三維引擎可以對(duì)3D模型和場(chǎng)景進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，控制各個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)、聲音等。

（2）三維模型和三維場(chǎng)景的處理。系統(tǒng)中所使用的設(shè)備模型在SolidWorks軟件中構(gòu)建。所有模型都是基于實(shí)體的幾何特征來(lái)建模的，如設(shè)備零配件之間的裝配關(guān)系，共點(diǎn)、共線、共面或者共軸等，這樣建立的幾何模型適宜在裝備的虛擬拆裝和裝備的虛擬故障檢修中，按照裝備的實(shí)際拆裝方法和檢修方法，設(shè)計(jì)出虛擬裝備的相應(yīng)動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作可以逼真、準(zhǔn)確地展示現(xiàn)實(shí)的拆裝和檢修。

在后期的仿真功能開(kāi)發(fā)中，仿真平臺(tái)本身也是基于幾何特征屬性來(lái)設(shè)計(jì)仿真裝備動(dòng)作的，這樣從建模到功能設(shè)計(jì)都基于幾何特征屬性，方便了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。仿真平臺(tái)的腳本系統(tǒng)也有相應(yīng)的操作接口，在腳本中也能方便地生成和制作模型動(dòng)作，在很大程度上能減少系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

系統(tǒng)中的三維場(chǎng)景是在3DSMax軟件中設(shè)計(jì)，3DSMax的特點(diǎn)是直接在三維物體上造型，利用線、面來(lái)逼近三維實(shí)體的形狀，形狀的相似性可以做到以假亂真的程度。缺點(diǎn)是它不是以幾何特征建模的，造型出來(lái)的模型只具有逼真的外觀，但模型的零配件之間不具有幾何約束和物理約束，涉及到運(yùn)動(dòng)的可操作性很差，不太適合表現(xiàn)物理實(shí)體的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，但可以實(shí)現(xiàn)檢修設(shè)備的場(chǎng)景模擬，主要包括電力設(shè)備檢修環(huán)境（如變電站場(chǎng)景、檢修廠房場(chǎng)景）、檢修使用工器具（如扳手、螺絲刀、萬(wàn)能表等）、環(huán)境或設(shè)備輔助效果（如煙、火、閃光燈）。

（3）模型和場(chǎng)景的控制及封裝。將SolidWorks構(gòu)建的模型和3DSMax構(gòu)建的場(chǎng)景利用三維引擎技術(shù)導(dǎo)入到三維引擎平臺(tái)中，在三維引擎中利用OpenGL編程接口對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行渲染。利用LOD技術(shù)提高模型圖形的生成速度，使模型在運(yùn)動(dòng)中的顯示更為流暢。

通過(guò)三維引擎平臺(tái)提供的功能設(shè)計(jì)模型的動(dòng)作，主要包括三種：模型本體動(dòng)作、工具本體動(dòng)作、工具與模型交互動(dòng)作。每個(gè)動(dòng)作都由平移運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、軌跡運(yùn)動(dòng)組合而成。

（4）界面設(shè)計(jì)和邏輯控制。系統(tǒng)界面中菜單、按鈕或多媒體信息由三維引擎中腳本來(lái)編寫定義。如Button（按鈕或菜單項(xiàng)）定義（見(jiàn)圖3）。

系統(tǒng)的邏輯控制由三維引擎中邏輯交互腳本編寫，通過(guò)定義控制點(diǎn)（Ctrlpt）、響應(yīng)（Reaction）和觸發(fā)器（Trigger，見(jiàn)圖4）來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

（5）擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中除了實(shí)現(xiàn)典型電力設(shè)備模型的交互式仿真外，還提供了將來(lái)新設(shè)備或其他設(shè)備檢修仿真的接口。接口標(biāo)準(zhǔn)主要包含兩部分：一是模型載入標(biāo)準(zhǔn)。模型載入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備模型的文件格式，使其能夠通過(guò)三維引擎導(dǎo)入到開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。二是仿真子模塊數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)定義仿真子模塊數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)可以使系統(tǒng)中各個(gè)電力設(shè)備檢修仿真互相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)多工種協(xié)同操作訓(xùn)練，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了第三方仿真程序接入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)定義，包括網(wǎng)絡(luò)通訊字段定義、Windows系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE數(shù)據(jù)定義。第三方仿真程序只要具有遵循上述定義的接口，即可接入到此系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享或統(tǒng)一管理。

三、系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)將主要電力設(shè)備尤其是變電設(shè)備在三維環(huán)境中組裝成一個(gè)變電站，通過(guò)三維交換界面實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備檢修仿真訓(xùn)練。系統(tǒng)主要分為教學(xué)、考核、系統(tǒng)管理三大模塊。

教學(xué)模塊又細(xì)分為設(shè)備介紹、檢修動(dòng)畫、操作練習(xí)三大模塊。學(xué)員通過(guò)選擇工種、角色進(jìn)入對(duì)應(yīng)的設(shè)備檢修教學(xué)模塊，并根據(jù)系統(tǒng)提供的功能實(shí)現(xiàn)原理學(xué)習(xí)、檢修操作流程學(xué)習(xí)以及檢修操作訓(xùn)練。

考核模塊由教員端設(shè)置某些操作任務(wù)和設(shè)備故障、由學(xué)員端進(jìn)行針對(duì)性檢修仿真操作、系統(tǒng)記錄所有操作步驟并且給予評(píng)分。

系統(tǒng)管理模塊由教員在教員端實(shí)現(xiàn)，主要功能包括：設(shè)置工種和角色、設(shè)置變電站內(nèi)設(shè)備型號(hào)（系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的同一類設(shè)備的檢修訓(xùn)練）、設(shè)置需連接外部仿真模塊、設(shè)置評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等。

四、系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)場(chǎng)景仿真使用自主研發(fā)的三維引擎，使用圖像渲染系統(tǒng)對(duì)三維真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行仿真，使用動(dòng)畫腳本系統(tǒng)控制培訓(xùn)劇本發(fā)展，通過(guò)聲效引擎模擬聲音效果。

2.全面強(qiáng)大的交互性

在三維環(huán)境中，通過(guò)鼠標(biāo)和模型之間的點(diǎn)擊、拖動(dòng)，構(gòu)建簡(jiǎn)單方便的人機(jī)交互體驗(yàn)，學(xué)員需要和現(xiàn)實(shí)中一樣，拆卸螺絲需要選擇扳手工具，模型拆卸檢修有物體干涉碰撞的約束，使學(xué)員能夠體驗(yàn)到實(shí)物一樣的檢修體驗(yàn)。

3.模塊化和可擴(kuò)展性

系統(tǒng)中涉及到的所有設(shè)備檢修仿真都是獨(dú)立模塊，后期如添加其他設(shè)備，只要制作出符合系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊即可融入到系統(tǒng)中（見(jiàn)圖5）。第三方制作的仿真程序只要具有符合系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)的接口也可納入到系統(tǒng)統(tǒng)一管理，為以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)充提供了基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語(yǔ)

電力設(shè)備檢修三維仿真培訓(xùn)集成系統(tǒng)在Windows環(huán)境中，借助三維引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型渲染、管理和界面設(shè)計(jì)、動(dòng)作邏輯設(shè)計(jì)等。研發(fā)過(guò)程中使用了C++編程技術(shù)、DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、SolidWorks、3DSMax、OpenGL編程接口等，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中我們對(duì)上述技術(shù)有了更深一步的理解。

系統(tǒng)中涉及到的設(shè)備原理、設(shè)備檢修流程、圖片和視屏、聲效等專業(yè)數(shù)據(jù)由電力設(shè)備檢修技能專家編寫和提供，使系統(tǒng)中的設(shè)備結(jié)構(gòu)、動(dòng)作流程等與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)保持一致，提高了系統(tǒng)仿真逼真度。

系統(tǒng)可以運(yùn)用到檢修人員自主學(xué)習(xí)、技能操作訓(xùn)練、技能操作考核等多項(xiàng)培訓(xùn)考核工作中，減少了培訓(xùn)設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用、縮短了培訓(xùn)時(shí)間、提高了單次培訓(xùn)的人均培訓(xùn)時(shí)間，使整體培訓(xùn)效率有了大幅提高。

（責(zé)任編輯：孫晴）