基于VR技術的跌落式熔斷器操作試驗模擬與仿真技術

葉德云 謝瑞靈 甘文棋

摘要 本文以跌落式熔斷器拉合操作試驗項目的開發作為案例，闡述了利用虛擬現實（ VR）技術開發和實現的具體流程和開發效果，對基于VR技術的電氣試驗仿真項目開發具有較好的參考應用價值。

【關鍵詞】電氣試驗 VR技術 仿真培訓

VR技術（virtual reality又稱虛擬現實）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種能使用戶有沉浸感以及良好交互性和構想性的多源信息融合的三維動態視景和實體行為相結合的系統仿真。其可以彌補目前職業院校電力專業的學生在實訓方面場地、設備和時間限制的不足，使受訓者可以安全頻繁操作。本文以跌落式熔斷器試驗的VR仿真為例，闡述VR開發的具體流程及效果，實踐證明具有較好的現實意義。

1 跌落式熔斷器操作與VR技術概述

（1）跌落式熔斷器是1OkV配電線路分支線和配電變壓器最常用的一種短路保護開關，它具有經濟、操作方便、適應戶外環境性強等特點，被廣泛應用于1OkV配電線路和配電變壓器一次側作為保護和進行設備投、切操作之用。跌落式熔斷器安裝在1OkV配電線路分支線上，可縮小停電范圍，因其有一個明顯的斷開點，具備了隔離開關的功能，給檢修段線路和設備創造了一個安全作業環境，增加了檢修人員的安全感。安裝在配電變壓器上，可以作為配電變壓器的主保護，所以，在1OkV配電線路和配電變壓器中得到了普及。

（2）虛擬現實技術（VR技術），是利用3D Max軟件進行跌落式熔斷器場景三維模型搭建，生成fbx格式文件導入Unity引擎進行交互設計與制作，采用頭戴式HTC vive與手柄進行虛擬現實互動，應用VRTK（虛擬現實工具包）開發。另一方面，通過人機交互技術以及觸覺反饋技術，使用者可以在虛擬空間中進行模擬操作，從而獲得身歷其境一般的體驗和感受。

（3）基于VR技術的跌落式熔斷器操作試驗模擬與仿真技術研究意義，構建基于VR技術的跌落式熔斷器操作試驗模擬與仿真技術項目有利于解決電力操作人員培訓和實操訓練的現象情景和事故演練的感受性、重復性以及整體縮減規模培訓投入，對大大降低培訓設施損壞和事故可能性，提高培訓成效等具有重要的現實意義。

2 基于VR技術的跌落式熔斷器操作試驗模擬與仿真開發技術

本項目基本上按照典型VR項目開發流程實施，包括如下部分（如圖1所示）。

2.1 場景選擇

場景有三個場景：開頭場景，單憑文字介紹項目，然后進行選擇實戰演練與回大廳新手指引。如圖2所示。

2.2 新手指引場景

（1）此場景為新手指引場景，介紹如何使用穿戴式HTC Vive頭顯及手柄操作介紹。設計交互功能有：如圖3所示。

1-菜單鍵一一選擇菜單功能;

6-系統鍵一一系統功能;

7-扳機鍵一一拾取功能;

8-握持鍵一一抓取功能;

9-觸摸板鍵一一位移功能。

（2）實現位移傳送功能，通過觸摸板鍵來進行在場景中移動功能，通過這種方式可以減小現實中的體力損失，可快速熟練找到移動點。如圖4所示。

（3）同時本項目還設定了語音提示與文字指引功能，通過次方式讓用戶有深刻的感受指引，讓教學的學生不知不覺中學習到操作的流程。如圖5所示。

2.3 操作場景（主場景）

跌落式熔斷器操作流程，需要進行的操作步驟大致有如下9項：

（1）整備工作，帶電操作流程及操作介紹，跌落式熔斷器是1OkV配電線路分支線和配電變壓器最常用的一種短路保護開關，它具有經濟、操作方便、適應戶外環境性強等特點，被廣泛應用于1OkV配電線路和配電變壓器一次側作為保護和進行設備投、切操作之用。（界面有語音講解與文字提示）。如圖6所示。

（2）簽署操作票，進行操作。如圖7所示。

（3）檢查操作工具，檢查工具是否破碎，有沒有超出試驗電壓等級，本次操作所需要用到的工具。如圖8所示。

（4）操作前做好防護工作，做好指示牌標示工作，防護圍欄工作。如圖9所示。

（5）進行跌落式熔斷器帶電操作拉閘

（先操作拉中間相，在拉迎背風邊相，在拉迎風邊相）如圖10所示。

（6）檢查工作如圖11所示。

（7）合閘操作（先合迎風邊相，在合迎背風邊相，在操作合中間相），如圖12所示。

（8）撤離現場，帶離工具，簽署結束操作票。如圖13所示。

（9）在本次系統中，監護人上方查看本次操作的分數，是否合格。如圖14所示。

3 總結

VR技術應用于跌落式熔斷器操作試驗中做模擬培訓是一種低成本、高效率、安全可靠的方式，有助于降低工作難度和應用于培訓中提高培訓效率，本項目的實現充分體現了VR技術的優點和特點：虛擬化，沉浸性交互式的體驗效果能激發人們參加電力教育的興趣，提升對安全事故的感性認識。標準化，標準和相關安全標準進行開發，培訓內容具有廣泛的通用性和適應性，確保培訓效果達到安全要求。沉侵感，通過智能可穿戴設備直觀的三維界面對虛擬試驗變壓器等設備進行操控，提升了用戶體驗及視覺沖擊。交互性，虛擬現實技術使用戶在沉浸模式下使用虛擬的手柄操作設備或開關，還可以對三維場景內的試驗設備進行拆解和組裝，既提高了管理效率，也降低了由于誤操作造成的風險。

基于VR技術的跌落式熔斷器操作試驗模擬與仿真技術研究項目實施包括數字化建模、交互，反饋、測試等環節，本文使用3D Max建模軟件技術進行場景模型搭建，創建跌落式熔斷器，絕緣操作桿和建筑結構的高品質模型，實現電力實訓現場的三維場景逼真呈現，利用功能強大的Unity虛擬現實開發引擎，導入虛擬的數字化場景，模擬現有的物理世界，設計現實并超越現實的各種虛擬交互場景，實現各種特有的交互功能;采用HTC Vive設備使學生能夠在虛擬場景中進行沉浸式漫游和跌落式熔斷器的拉合操作訓練，充分感受沉浸式的人、機交互體驗，在交互中學習、感知，感受學習的樂趣。該項目沉浸感強、界面友好、功能豐富、使用簡單、安全性好，為電力員工操作訓練提供平臺，在電力人員培訓、電力公司和電力類院校的崗前和專業技能培訓方面有良好的應用前景。如圖15所示。

參考文獻

[1]陳麗丹，張哲，梁豐驛，劉蘊樟.基于VR設備的跌落式熔斷器操作虛擬實訓系統設計[J].實驗技術與管理，2017 （09）： 27.

[2]葉德云，謝瑞靈，王運莉，黃煒杰，基于VR的電氣試驗模擬與仿真技術研究TM8 31：G642; TP391.9.