虛擬現實技術應用于變電站工作的探索

張哲

摘 要 虛擬現實技術是人類在探索自然過程中創造形成的一種用于認識自然、模擬自然，進而更好地適應、研究和利用自然的科學方法和技術。變電站作為電力系統運行中的關鍵環節，其特殊性決定了相關工作的開展很難利用實際運行的系統在現實場景中實施，因此，將虛擬現實技術應用于變電站工作有著重要的現實意義。

關鍵詞 虛擬現實；變電站；虛擬仿真

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）184-0085-02

虛擬現實技術（Virtual Reality）是以先進的計算機技術為核心，結合不同行業的具體需求，模擬出一個在視覺、聽覺、觸覺等方面與相關現實環境高度近似的數字化環境的先進技術。用戶借助VR頭盔、操作手柄等相關硬件設備與所構建的數字化環境中的相關對象進行交互操作，可以產生身臨其境的虛擬感受和體驗。隨著科學技術的不斷發展，虛擬現實技術不斷取得突破性進展，各行各業對于虛擬現實技術的應用及需求不斷增加。變電站作為電力系統運行中的關鍵環節，其特殊性決定了相關工作的開展很難利用實際運行的系統在現實場景中實施，因此，將虛擬現實技術應用于變電站工作有著重要的現實意義。本文著重分析了虛擬現實技術在變電站相關工作中運用的方式方法，并對可能出現的相關技術難點進行了討論。

1 虛擬現實技術在變電站相關工作中的應用

開展虛擬現實技術在變電站相關工作中的應用研究，應主要對設計、施工、運行、培訓、檢修、維護等各階段虛擬現實技術的功能需求分析、應用方式和智能專家系統等關鍵技術進行研究。總的來講主要由以下幾個方面構成。

1.1 高精度、可擴展的元器件模型通用圖庫的構建及虛擬場景開發

創建一個能使用戶獲得逼真的沉浸式體驗感受的環境，虛擬現實系統必須能根據相關需求高精度的模擬現實變電站中的一切對象。基于3DS Max/Maya等軟件設計一套典型電力設備素材庫，并以Unity 3D作為系統開發的軟件平臺完成集視覺、聽覺、觸覺等在外形、質感等方面都十分逼真的三維變電站場景的搭建和渲染。

主要關鍵技術包括三維建模（用于建立與真實對象酷似，形態質感逼真的系統模型，并通過程序實現將模型轉換成視景圖像）、幾何模型（用于體現電力設備或環境物體等對象的內部固有幾何性質）、運動建模（用于體現在虛擬現實中對象的移動、旋轉、縮放等）、物理建模（用于體現重量、材質、耐壓度等物理屬性）、對象行為建模（即動態實體的活動、變化以及與周圍環境和其他動態實體的動態關系）、模型分割（考慮單元分割、變化細節、分辨率顯示、脫線預先計算以及內存管理技術等提高系統運行實時性研究）。與此同時，碰撞檢測和運動捕捉是虛擬現實系統中不可缺少的重要部分，隨著用戶對虛擬場景沉浸體驗感受真實度要求的不斷提高，對碰撞檢測的精度和速度以及實時地準確測量、記錄操作者在現實場景中的運動狀態，并在虛擬空間中對應到每一時刻的運動狀態提出了更高要求，所以對于碰撞檢測算法以及運動捕捉功能的開發研究將直接影響到沉浸式體驗的效果。

1.2 沉浸式虛擬現實技術在變電站設計與施工中的應用

虛擬現實技術在變電站設計中具有應用必要性和可行性，主要的方向應為研究基于虛擬現實技術的標準化設計流程，同時為了實際設計工作調用相關素材方便，應建設完備的變電站虛擬場景設備元素庫。設計人員在進行相關設計時，將借助虛擬現實變電站模型，在規范化的設計標準下，靈活的從元素庫中添加使用相關設備元素，在施工前建立可視化的變電站設計效果模型，以保障設計質量，提高設計效率。

在施工方面，采用虛擬現實手段，輔助施工管理人員進行變電站施工管理，結合設計端變電站效果模型的深入應用，更加準確地進行統計施工量、模擬施工進度、優化施工方案等工作。配合現實變電站的施工建設，更新設計端變電站效果模型的數據，最終實現虛擬變電站數據的高精度化與模型的高可視化。

1.3 基于沉浸式虛擬現實技術的變電站仿真培訓應用

傳統的電力培訓，需要一定的場地和大量的設備作為支撐，相關設備結構復雜、造價昂貴，場地利用率不高，被培訓的人員要花費很多時間和精力到特定的培訓場所進行學習，這些因素在很大程度上限制了培訓的人數和培訓的質量。在充分分析變電站生產作業培訓要求、變電站運維（操作技能）培訓要求、變電站電力操作培訓要求等相關規則要求后，利用虛擬現實技術，開發一套集設備操作、事故案例演練等內容的變電站培訓系統，建設基于沉浸式虛擬現實變電站培訓系統的軟件和硬件將為電力培訓業務提供新的思路和方式，培訓質量也將顯著提高。

2 可能出現的技術難點

2.1 高精度的三維模型復雜，設備模型的分解過程困難

目前電力元件、儀器、設備3D模型素材欠缺，更沒有統一、標準的元件庫和模型庫，所建模型精細度達不到要求，未能體現模型設備內部零部件結構，沒有在虛擬場景中進行分解的功能，不便于對電力設備結構的理解，急需建立VR平臺環境，包括高精度的各種一、二次設備模型、輔助設備模型，各種設備模型具備相應設備的功能響應特性，如變壓器的投切、開關的開合、各種檔位的變化等等。為能實現設備正常操作、事故應急處理、相關巡視工作等功能，所建的模型必須提供相應的人機交互接口功能。因此，在數據的層面上如何體現各種設備的使用特性，以及設備與設備之間、設備和系統之間的交互通信機制設計將成為克服的難點。

2.2 虛擬場景逼真性

虛擬現實技術應用于變電站除真實還原變電站環境、場景，還必須能夠對虛擬變電站里的各元素進行控制，才能更加生動立體形象化地模擬實際過程，增強操作的真實性以及互動性。相關變電仿真培訓系統的效果與實際現場差別較大、交互方式不符合實際操作習慣、沒有真正體現虛擬現實技術的特征，真實感和沉浸感有所欠缺，且存在顯示慢、延時大的問題。

2.3 力觸覺反饋系統和虛擬聲重建技術

力觸覺反饋系統使操作者通過力觸覺的反饋來感受虛擬變電站場景中模型的各種實際狀態，對操作者在虛擬變電站中操作設備起到引導的作用，并對實時交互起到一定的約束作用。在虛擬變電站環境里面操作一個設備，如拉、合跌落式熔斷器，應能感受到操作絕緣桿的重量，拉、合操作的反饋力，為讓用戶有更真實的體驗，需要力反饋感應。虛擬變電站環境中力觸覺感受的建模和生成方法（力覺交互技術），以及面向虛擬電力操作的力反饋硬件，是技術挑戰之一。

另外，在現實生活中人們是能夠獲知聲音來自于哪些方位的，面對的方向不同，獲取到聲源的信息便不同，例如在虛擬變電站漫游當靠近主變壓器時，也應能聽到相應感受的聲音。聲源定位方式和混響系統的構建同樣是沉浸感、真實感的重點。

3 結論

虛擬現實技術在現階段處于快速發展過程中，虛擬現實技術在各行業的推廣和應用必將越來越廣泛。在電力系統中，為了節約企業成本，提升工作效率，提高培訓質量，應用虛擬現實技術也必將成為重要的手段。本文針對變電站相關工作實際，結合虛擬現實技術，對設計、培訓等方面的應用進行了研究與討論。隨著技術水平的不斷發展，虛擬現實技術在電力系統中各個環節的廣泛和深入應用將對電力系統造成深遠影響，并帶來顯著的技術和經濟效益。

參考文獻

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