基于Unity3D的反竊電培訓系統設計

劉書剛，李怡璇

（華北電力大學計算機系，保定071003）

基于Unity3D的反竊電培訓系統設計

劉書剛，李怡璇

（華北電力大學計算機系，保定071003）

VR（Virtual Reality）技術是當今計算機科學研究領域的熱點，將VR技術與反竊電培訓系統研究相結合是電力培訓的發展趨勢。該論文基于Unity3D系統平臺，以3DMax作為輔助軟件完成三維場景建模；使用C#語言完成系統各功能及場景交互設計，其中包括理論知識，設備模型，運行動畫，操作演示和數據顯示五個模塊架構，實現了反竊電技能培訓和虛擬現實技術的結合。研究成果表明，該系統對用電檢查人員培訓及其反竊電技能提升具有良好的效果。

反竊電培訓；Unity3D；交互設計；虛擬現實

1 引 言

電能是當今世界最重要的能源之一，然而由于利益驅動，竊電行為屢禁不止，給國家造成巨大的經濟損失，因此對用電監察員進行技能培訓十分重要。目前反竊電培訓均通過書本、視頻、設備演示等方式，這些方式明顯不足以應對花樣繁多、手段升級的竊電行為。且真實設備模擬操作具有危險性，臺區設備體積巨大不具有可復制性，設備的損毀易造成電氣資源的浪費。運用虛擬現實技術研發反竊電培訓系統可以突破傳統培訓的局限，提高培訓效果，對電力企業用電監察員培訓和反竊電工作都具有重要意義。

2 反竊電培訓現狀

隨著計算機技術發展，已有變電站仿真培訓結合虛擬現實技術，研發出虛擬變電站培訓系統[1]。目前我國反竊電培訓仍以培訓實驗室[2-3]和實際設備演示教學的方式為主[4]，這兩種方式均有占地面積大、投資高、不可復制等缺點，雖也有反竊電仿真培訓系統軟件，但二維平臺場景真實度低、可操作性差，且大多平面系統仍需要結合專變臺區的大型電氣設備[5-6]，無法滿足當今大量用電偵察員急需培訓的需求。

3 虛擬現實介紹

虛擬現實技術是建立一個模擬環境,由計算機生成動態的三維圖像、聲音等人體能感受到的信息,并構造出一個模擬的現實世界或不存在的虛幻世界，用戶能夠通過自身行為或借助設備同虛擬世界進行交互。

虛擬現實技術有三個基本特征，分別是沉浸特征、交互特征和構思性。產生虛擬場景有基于圖像和基于模型兩種方法，基于模型是通過建模工具建立幾何實體，最后經過輸出渲染、加入事件響應等操作實現可交互的虛擬環境[7]。

3 培訓系統的實現

3.1 反竊電培訓系統節構框架

本系統對高頻強磁竊電及用電檢查操作進行整理分析，運用虛擬現實仿真技術，開發出一套模擬竊電行為和用電檢查工作場景的培訓系統。圖1為反竊電培訓系統的結構框架。

圖1 反竊電培訓系統結構框架

（1）理論學習：包括用電檢查技術基礎、儀器使用教程等內容，該模塊應用多媒體顯示技術將文字、圖像組合集成，帶給學員深刻的學習印象，并強化學習效果。

（2）設備模型：對模型配以文字說明，描述專變中常見竊電點和設備使用要點等內容。

（3）運行動畫：強磁高頻竊電手法的動畫演示。

（4）操作演示：分為竊電行為演示和用電檢查演示兩部分。竊電行為演示是展示高頻強磁竊電操作及計量設備變化；用電檢查演示是在已發生竊電行為的情況下，使用高頻強磁檢測儀、電流互感器等檢測儀器進行用電檢查時該儀器的反應演示。

（5）數據顯示：用于系統操作演示時計量電表信息變化的顯示。

3.2 三維模型建立

（1）基礎數據搜集：收集整理專變臺區、計量表箱、強磁設備、高頻發射器及其它用電檢查儀器的實際尺寸與設備照片，計算模型比例，為之后建模和紋理貼圖工作提供信息。

（2）模型建立：利用收集的模型矢量數據和紋理資源，使用3DMax軟件進行三維建模。選擇合適的建模方法，對模型的建立有著事半功倍的效果。

專變臺區整體裝置和計量電表箱因其各部分細節較多且形狀多樣，建模難度較大但其多為簡單幾何體組成，可以使用復合對象建模方法[8]，使兩個或兩個以上的模型體通過相交合并或取差集等運算方式實現模型建立。無法拆分為基本型體的部分使用多邊形建模方法，即在編輯面板中對基本型體的點、線、面進行修改以達到理想建模效果。

竊電設備和用電檢查儀器整體性較強，且通過照片能夠提取完整的設備輪廓，因此采用二維圖形和復合對象兩種方式，即在3DMax中對照片中的設備輪廓進行二維圖形的描繪，然后添加修改器轉換為三維實體模型。

最后應用三角形化法對模型進行優化。圖2為電流互感器模型優化前后，可以看出優化后模型中多邊形均變為三角形，且多邊形和頂點數量大大減少。

（3）材質處理：細節較多的變壓器和計量表箱模型可以使用3DMax自帶的VRay渲染器進行表面材質的制作，通過VRay插件能夠較為真實的表現出物體表面質感、紋理等物理屬性，得到逼真的模型效果。

整體性較強但有標牌等細節的竊電儀器和用電檢查設備，需要在使用VRay渲染器的基礎上同時提取照片中的材質進行紋理貼圖處理。

（4）渲染及導入：三維模型建立完成之后，使用3DMax自帶渲染功能進行渲染處理，導出為Unity3D系統所支持的.fbx格式，同時在Unity3D系統中將模型中用到的特殊材質球和貼圖照片一起導入同一場景中。

圖2 電流互感器優化前后對比

3.3 交互設計

根據操作演示部分的功能所提供的交互行為，進行交互設計。本系統中交互功能主要是通過攝像機控制、碰撞檢測設計和腳本代碼編寫來實現。

系統在攝像機上綁定腳本，并通過在腳本中定義變量控制攝像機的移動方向、移動速度、旋轉方向和旋轉速度等參數，以實現學員觀察場景中設備細節的功能。

碰撞檢測（Collision Detection）也稱為接觸檢測，是一種對模型在運動過程中所出現的碰撞進行檢查的技術。本系統通過在Unity3D中對場景模型及各部位進行分類，如將專變臺區模型分為竊電點和非竊電點，添加碰撞器，再根據分類設置標志。并利用U-nity3D中角色控制器感應模型間碰撞，通過調用On-ControllerColliderHit()方法進行檢測和獲取碰撞對象。最后利用分類標志判斷是竊電行為或用電檢查行為，根據不同的行為和碰撞位置進行邏輯判斷，得到對應實際操作時應產生的現象結果，進行顯示。

圖3 反竊電培訓系統操作演示場景

圖4 反竊電培訓系統開發流程圖

3.4 系統發布展示

通過Unity3D在Windows系統下發布時，點擊File 菜單中的 Build Setting，選擇“PC，Mac&Linux Standalone”選項，點擊Build生成.exe格式的可執行文件，即可完成系統發布。圖3為反竊電培訓系統操作演示場景界面。圖4為系統開發工作流程。

4 結束語

文中闡述了反竊電培訓系統的設計方法與實現方式，在建立專變臺區、竊電設備和用電檢查儀器三維虛擬模型的基礎上，模擬演示發生竊電時電氣設備的變化及用電檢查工作場景，讓學員有身臨其境的感受，強化了用電偵察員的反竊電技能培訓，對反竊電工作和偷電行為的防治都能發揮重要作用。

[1]漆曉霞.基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統的研究[D].北京：華北電力大學,2009.Qi Xiaoxia.The Research of the Virtual Substation Simulation Training System based on Virtual Reality[D].Beijing:North China Electric Power University,2009.

[2]徐曉燕,王興周.淺析電力實訓在用電監察員培訓中的重要性[J].環球市場,2016(30):113-113.Xu Xiaoyan,Wang Xingzhou.Analysis of the Importance of Electric Power Training in the Training of Electric Inspector[J].Global Market,2016(30):113-113.

[3]紀靜.山西省電力營銷培訓基地培訓室的設置與培訓功能概況[J].科技資訊,2013(7):223-223.Ji Jing.Setting and Training Functions of Training Room for Electric Power Marketing Training base in Shanxi Province[J].Science and Technology Information,2013(7):223-223.

[4]吳永生.濉溪供電公司舉行反竊電技術培訓[EB/OL].http://www.hbnews.net/xwsq/xqxw/0xx/836472.shtml，2016-12-15.Wu Yongsheng.Suixi Power Supply Company Conducts Anti Stealing Technology Training[EB/OL].http://www.hbnews.net/xwsq/xqxw/0xx/836472.shtml,2016-12-15.

[5]劉寅.反竊電仿真培訓系統的研究與開發[D].保定：華北電力大學,2011.Liu Yin.Research and Development on Electric Larceny Simulation and Sraining System[D].Baoding:North China Electric Power University,2011.

[6]曹有為,王洪生.防竊電仿真實驗平臺的應用[J].科學與財富,2015(7):257-258.Cao Youwei,Wang Hongsheng.Application of Simulation Platform for Anti Stealing Electricity[J].Sciences and Wealth,2015(7):257-258.

[7]陳浩磊,鄒湘軍,陳燕,等.虛擬現實技術的最新發展與展望[J].中國科技論文,2011,06(1):1-5.Chen Haolei,Zou Xiangjun,Chen Yan,et al.Overview of the Advance in Virtual Reality Technology[J].Science Paper Online,2011,06(1):1-5.

[8]Wang L.Researching of the Three-Dimensional Virtual Simulation Campus Scene’s Construction Technology[J].OpenCybernetics&SystemicsJournal,2015,9(1):1055-1059.

Design of Anti-stealing Power Training System Based on Unity3D

Liu Shugang,Li Yixuan
(Computer Science Department，North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

VR(Virtual Reality)technology is a hot topic in the field of computer science.Combining VR technology with the research of anti stealing training system is the development trend of power training.This paper is based on Unity3D system platform and 3DMax as a auxiliary software to completed the 3D scene model.We use the C#language to completed the system function and scene interaction design,there are five modules:theoretical knowledge,equipment model,running animation,operation demonstration and data display.And we have realized the combination of anti stealing skills training and virtual reality technology.The research results show that the system has good effect on the training of electricity inspection staff and their skills in anti stealing electricity.

Virtual reality;Unity3D;Anti-stealing training;Interaction design

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.018

B

1002-2279-（2017）05-0070-03

劉書剛（1969—），男，河北省滄州市人，副教授，主研方向：嵌入式系統。