基于Web 3D技術的變電所仿真培訓系統設計

許春香，許海濤，胡大海

(鄭州工程技術學院 土木工程學院，鄭州 450044)

隨著我國電力系統的高速發展，“智慧電網”“智慧城市”和“智能家居”等諸多新概念與技術的提出，新供配電設備和與之配套的保護設備在變電所得到廣泛應用，其運行操作進程也趨于復雜。變電所對設備維護人員的操作水平和故障發現與處理能力要求越來越高，而變電所運行維護人員對新技術、新設備缺乏足夠的了解。電力系統(強電系統)存在高危險性，其在供電過程中的連續性要求，使得變電所在培訓和教學中難以進行實際操作和故障演練[1]。因此，研究如何利用現代信息技術成果，構建人性化、實用化的培訓平臺，提高對變電所運行維護員工培訓質量，改善培訓效果，從而增強員工專業技能，是變電站培訓系統研究的重點之一。

虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術源于美國，具有三維空間表現能力、人機交互能力以及給人們帶來身臨其鏡的感受，從而改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的交互現狀，現已廣泛應用于商業、設計、教育、軍事、醫學和娛樂等領域，并產生了巨大的經濟效益[2]。Web 3D技術是B/S(瀏覽器/服務器)架構的分布式虛擬現實技術，基于Web 3D技術的變電所培訓系統設計是對變電所教育培訓領域的嘗試。Quest 3D軟件是一款優秀的虛擬現實設計軟件。虛擬變電所在設計時，根據變電所的實際設備布局、設備構造與功能，運用3D MAX軟件建模并渲染，并將模型導入Quest 3D，利用Quest 3D中豐富的預設通道(Channel) 技術搭建了變電所仿真培訓系統。現代變電所設備隨著技術的進步不斷更新，研究基于虛擬現實技術的變電所仿真系統，不但能夠對原有設備的功能進行模擬仿真，同時也能以虛擬仿真形式展現新引入的變電所設備，大大提高了變電所員工熟悉和掌握新設備的能力。該培訓系統的優點主要是可以降低培訓成本、節約培訓時間、利用率高、減少“誤操作”風險、易于維護和升級等，其應用前景十分廣闊。

1 Quest3D軟件介紹

Quest3D軟件是Act-3D 公司開發的一款功能強大、應用廣闊的實時三維項目制作軟件，它能夠將圖形處理、聲音、網絡、交互設計、人工智能等技術融為一體，展現虛擬場景、設備、人物等復雜內容，是眾多虛擬現實開發公司的首選[3]。Quest 3D 是基于DirectX引擎，通過通道式(Channel)程序創建方式，可以輕松創建效果絢麗的三維交互程序，避免了開發人員編寫大量復雜代碼的工作。當需要某些特殊功能時，可以使用SDK 的二次開發功能為Quest3D 添加新的通道(Channel)，提高了變電站仿真培訓系統的可擴展性和可重用性[4]。該培訓系統為學員提供了更全面具體的知識系統，友好交互功能的實現能夠提高學員的學習效率。

2 變電所虛擬培訓系統設計

基于Web 3D技術的變電所培訓系統的設計流程如圖1 所示。首先根據變電所功能要求和每個設備布局的情況，結合變電所上級主管部門的培訓意見，制定符合本變電所員工的培訓方案，然后采用3D MAX 軟件建立變電所設備模型并將此模型導入Quest3D 軟件中。接下來在Quest3D 環境下，根據變電所設備正常運行的工藝流程，通過模型交互設計，實現變電站的仿真并設計出簡潔美觀的運行界面。最后，對系統功能進行測試，發布成可執行程序的形式。

圖1 基于Web 3D技術的變電所培訓系統設計流程

2.1 制定詳細培訓方案

以典型的變電所設備為例，如變壓器、高/低壓配電柜、斷路器、接觸器和設備儀表等，讓員工了解其外形、內部構造、常見故障和操作注意事項，并且根據設備的外觀特征和動作特性，確定需要建立的模型以及要實現的功能。變電所場景主要是變電所內部環境，場景模型盡量符合常見變電所的裝修風格。

2.2 運用3D MAX建模

3DMAX 軟件為一款經典的3D建模軟件。常見的三種建模方法為多邊形、面片及NURBS建模。對于變電所的各種虛擬軟件(變壓器、高/低壓配電柜、斷路器、各種控制屏等，如圖2至圖4所示)本身的外形特征和內部結構詳圖來說，采用多邊形建模的方法基本上可以滿足設計要求。建模過程中要注意通過點、線和面相結合進行創作、分析和修改，該種模型布線控制相對容易，隨意在模型上添加需要的要素，就能達到減少大規模修改的可能，同時也避免了模型導入到Quest 3D后出現重大錯誤問題等。此外，在運用3D MAX建模過程中要遵循一定的原則，從而提高整體的建模效率，改善建模效果，提升模型的完整性。例如，在不影響顯示效果的前提下，多使用優化器進行全面優化，盡量降低對象模型面數；一邊建模一邊刪處冗余部分，如及時刪除多余的點和邊，簡化模型數據量，提高系統的運行效率；多使用快捷工具欄，例如，多使用系統的對齊工具，配電屏、配電柜等原件排列整齊，提高建模效率；建模時所有對象的貼圖放在統一的文件夾類中，因為導入模型后的Quest 3D運行只支持檢索一個指定的貼圖目錄；做好前期工作，如為增強建模和表現最終的渲染效果，可以在3D MAX創建的過程中確定合適的自由相機確定視域和視高[5]。這些技巧的掌握會對建模的質量和速度起到事半功倍的效果。

圖2 變壓器模型

圖3 變壓器鐵芯結構

2.3 模型導入Quest 3D軟件

將采用3D MAX建立好的數據模型導入到虛擬平臺Quest3D 中，供后續的模型交互設計工作，根據變電所正常的操作規程，實現各功能部件之間的模擬操作。此外，在模型導入的過程中要十分注意模型文件格式的設置及轉換，減少錯誤。例如，因為Quest 3D中對“.FBX” 格式的導出文件進行任何修改都不會影響源文件，所以建模完畢后，盡量將模型導出為“.FBX”格式文件。

圖4 高低壓開關柜

2.4 3D模型的交互設計

Quest 3D的通道技術是實現模型交互設計的關鍵。將3D MAX模型場景導入后，利用Quest 3D提供各種通道實現邏輯鏈接，且每個通道均有特定的功能和邏輯順序。例如，斷路器的每個分支模型，以動畫的形式組裝，觸發開關部件，會顯示相應的元器件動作，同時會提示操作注意事項，如果有錯誤操作會記錄保存，以備下次操作提醒之用。根據流程規則將各通道組合，可實現復雜的交互邏輯功能，同時也可實現各種特效和動畫表現，如建立相機、光暈效果、配電屏、變壓器及背景配音之間的聯系等[6]。

2.5 變電所培訓系統發布

采用Quest3D軟件設計的項目可能由許多子程序組成，發布成可執行的程序前，必須先將各個部分有機整合起來，如各個菜單屏幕和三維場景的融合。常用的整合方法有兩種:一是使用各功能部件邏輯信道建立邏輯關系，進行切換; 二是使用Quest3D軟件中自帶的“Finite State Machine(有限狀態機)”信道進行組織[7]。整合之后的文件才能發布。Quest3D常用的有Q3D 播放器文件、exe文件和安裝文件等，其中Q3D 播放器文件可以在支持ActiveX控件的因特網瀏覽器上查看。系統加載成功后，分別在自動漫游、手動漫游等模式下操作，檢驗每一個功能是否存在漏洞，通過不斷的測試改進，使變電所培訓系統的功能更加完善。本系統可供Web查看。

3 虛擬變電所培訓系統的設計與實現

3.1 總體設計

基于Web 3D技術的變電所培訓系統是對現有變電所設備的數字化和虛擬化處理，通過該模擬培訓系統能夠給員工提供逼真的3D變電所設備和虛擬場景，給變電所運行維護員工以身臨其境的真實感受，是一種嶄新的培訓模式[7]。根據變電所培訓功能的需求，查閱變電所操作規程，結合上級主管部門意見，將變電所系統設計為以下四個部分:(1)變電所主要設備模塊的建立。模塊要真實反映實物特點，例如，對變壓器外殼，變壓器內部線圈要接近真實建模；對斷路器的缺口、凹槽，通過渲染手段達到更逼真。通過建立變電所模塊庫，實現各類電氣設備( 如變壓器、高/低壓配電柜、斷路器等) 的虛擬仿真。(2)實際操作模塊的建立。構建3D虛擬實驗環境，真實模擬電氣設備的運行和測量儀器工作，如斷路器觸發動作，變壓器過載、高溫和缺相等故障狀態報警，配電柜指示燈按規程亮起等功能及邏輯關系。(3)構筑管理平臺模塊。通過建立開放式虛擬變電所管理系統，來實現對整個虛擬變電所的全局管理。整體功能是按照變電所操作規程，模擬變電所的正常運行來設計的。(4)升級維護。虛擬變電所的功能會根據變電所員工提出的新的功能要求不斷更新升級，在不斷的升級中逐步完善虛擬變電所的整體運行效率。

3.2 建模與交互設計

基于Web 3D技術的虛擬變電所培訓系統的總體功能框架確定后，要進行系統的建模和交互設計。建模設計首先利用3D MAX模型庫里的標準化模型設計出變電站元器件的整體框架模型，對變壓器等設備的外殼建模時，宜采用拉伸建模技術，通過二維截面增加厚度，進而生成三維模型；接著再通過快速工具欄的編輯樣條線、車削、對齊等基本命令來對每個元器件模型進行完善和優化處理；最后通過擠出、編輯網格、外殼、錐化等命令來實現三維立體效果的變電站元器件模型。此外，還通過適當的加入輔助線等必要元素，使模型的建立更加方便。交互設計是建模完成后導入Quest 3D軟件，根據變電所各種設備之間的邏輯關系和變電所操作規程，實現變電所的正常運行和故障報警等功能，最后通過整合各子程序功能，發布可執行文件。

3.3 虛擬變電所的演示運行

虛擬變電所的設計是為了更真實地滿足對變電所員工的培訓功能。在設計中，虛擬變電所設備模塊盡量逼近實物，精度要求高，采用3D MAX建模能完全滿足設計要求。Quest 3D軟件功能強大，幾乎可以不用手寫代碼，就能創建出圖形應用程序，提高了程序設計人員的工作效率，大大縮短可開發周期。基于Web 3D技術的變電所仿真培訓系統的運行效果如圖5所示。

圖5 虛擬變配電所內部場景

4 結語

本文針對變電所維護操作中存在的危險性和復雜性(設備不斷更新)的特點，參考眾多虛擬培訓系統的構建，提出了基于Web 3D 技術的虛擬變電所的整體設計方案和實現方法，即采用3D MAX + Quest 3D的Web 3D技術組合建立虛擬變電站培訓系統。結合變電所培訓自身實際情況，該虛擬培訓系統能改進變電所生產運行、維護、檢修等培訓手段，縮短培訓周期，從而節省培訓費用，提高經濟效益。

[1]林向義.虛擬現實技術在電力培訓中的應用[J].計算機仿真，2005(4)：241-243.

[2]萬元,陳海波,黃孝恩.面向運行人員的風電場3D 虛擬化仿真培訓平臺設計及實踐[J].水電站機電技術，2016(8)：64-67.

[3]黃偉峰.Web 3D技術的應用比較[J].電腦知識與技術，2014(31)：7274-7275.

[4]艾達,喬明明,李敏. Web 3D技術綜述[J].微型機與應用,2014 (2)：4-7.

[5]陳偉，方琪，平原，等.Quest3D 在電力系統仿真培訓中的應用[J].水電能源科學，2013(1)：223-225.

[6]王大虎,高會爭,陳俠. 基于Quest3D的變電站仿真培訓系統[J].中國電力，2016(9)：62-65.

[7]范沖,周鳳平,周敏.基于Quest3D的虛擬測繪實驗室的設計與實現[J].測繪通報，2014(2)：119-121.