基于虛擬現實技術的變壓器檢修系統研究

陳天旭，王玉瑾，郭洋洋，徐德會

(1.國網重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶401420；2.重慶理工大學，重慶400050)

1 引言

20世紀90年代以來，國內陸續開發了許多變電站仿真培訓系統投入使用，并取得了良好的效果[1]。變電站仿真培訓系統主要用于檢修人員熟悉變電場所和設備，幫助其管理檢修變電站。但是，這些仿真培訓系統主要由物理仿真和數字仿真相結合，只有二維畫面，無法實現三維立體圖，真實感較差。若使用專有設備培訓或者現場培訓，又會導致培訓更加復雜且昂貴，這影響了變電站檢修工作和培訓工作的進展[2～5]。由于虛擬現實技術具有沉浸感、交互性、想象性的特點，所以采用虛擬現實技術來模擬變壓器工作，檢修人員可以在模擬系統上反復模擬對故障的處理，這種方法既保證了培訓人員的安全問題，又解決了培訓成本昂貴的問題，是目前實現變壓器修培訓工作較好的選擇，對提高檢修人員工作水平也具有重要意義[6，7]。

2 虛擬現實變壓器檢修系統的功能分析

用于實踐的虛擬現實檢修系統的基本思想就是分別從運行和檢修兩個方面考慮，利用虛擬現實技術，建立一個高度逼真的檢修場景，并將設備的現實數據接入其中，使檢修人員能夠在虛擬環境中模擬現實中設備的運行情況，并且針對設備運行中的狀況，進行觀察、操作、故障模擬、拆裝等作業，最終用于指導實踐工作。

2.1 變壓器檢修系統的功能設計

虛擬現實變壓器檢修系統主要功能包括：①變電站場景漫游：以實地為例，構建虛擬現實變電站虛擬場景，檢修人員在虛擬場景里漫游，并觀察變壓器的結構、尺寸等外部結構；②變壓器的操作：在虛擬環境中對變壓器進行操作，不僅節省了培訓成本，也突破了場地和時間的限制，極大提高了培訓效率；③常見事故處理：在虛擬場景里模擬變壓器常見事故，讓檢修人員對事故進行處理，使檢修人員反復練習事故處理方法；④變壓器主要元器件的拆裝訓練：通過虛擬現實技術，實現在虛擬環境下對變壓器進行拆裝重組的學習訓練，使檢修人員對變壓器內、外部的構成有一個全面、直觀的認識，可以提高變壓器檢修的工作效率。

2.2 變壓器檢修系統的功能特點

基于虛擬現實技術的變壓器檢修系統擁有以下特點：①現場演練與虛擬場景相結合，通過計算機建模和虛擬現實技術，對變壓器進行還原，再由輔助設備模擬出變電場所的溫度、濕度等現實環境，高度還原變壓器檢修運行實際情況；②知識性與趣味性相結合，在虛擬系統中進行學習時，每進行一個環節的操作，都有相關的知識問答，只有答對問題方能進行下一步的操作；③體驗性與實訓性相結合，在整個虛擬環境中，檢修人員可以對變電站部分器件進行移動操作，在實現變壓器檢修訓練的同時，也可以體驗整個變電場所。

2.3 變壓器檢修系統的實現方法和流程

整個變壓器檢修系統采用3ds Max對變電站進行建模以及簡單優化，然后利用VRP平臺對模型進行進一步優化和交互處理，具體流程如圖1。

圖1 系統功能實現方法流程

3 虛擬現實變壓器檢修系統的三維場景建模及優化

3.1 3ds Max三維建模

三維建模主要是利用計算機軟件構建一個虛擬場景，此系統采用3ds Max軟件以便于配合后期VR交互設計過程。具體步驟如下。

3.1.1 三維建模

由于VR－DEMO最終運行速度受到VR場景模型的總面數、總個數以及總貼圖量的影響。因此，在變壓器檢修系統建模時，利用Attach命令與Collapse命令對同類材質或者同一屬性的模型進行合并處理以減少模型個數；對于Plane模型面、Cylinder模型面、Line模型面、曲線形狀模型、bb－物體的表現都盡量用少的面數和分段去表現。

3.1.2 材質貼圖

在完成變壓器場景模型的建立之后，就可以為模型添加材質了。①確定變壓器的材質屬性類別，利用標準材質，在漫反射通道添加一個位圖文件模擬變壓器的表面紋理。②UVW貼圖坐標調整，將材質賦予給變壓器。③UV貼圖拆分，當為變壓器添加完UVW貼圖坐標以后，利用Unwrap UVW編輯修改器對變壓器模型的UV進行拆分，輸出平面貼圖到Photoshop中進行繪制，然后再指定到變壓器模型中。

3.1.3 燈光照明

變壓器虛擬場景燈光的布置就是將場景理解成一個box，由6個面組成，在6個面都打上燈，每盞燈設置不同的參數來控制和表現明暗關系。

3.1.4 渲染烘焙

在3ds Max中為變壓器模型添加了材質和燈光之后，既可以用3ds Max默認渲染器Scanline渲染，也可以使用高級光照渲染。由于高級光照渲染可以產生全局照明和真實漫反射效果，所以本系統采用高級光照渲染。

在3ds Max中進行烘焙的工具是“渲染(Render)＞渲染到紋理(Render To Texture)”命令。

3.2 VRP交互設計

虛擬現實變壓器檢修系統是利用3ds Max軟件進行建模以及整體裝配，但是并不能實現場景的漫游以及變壓器檢修操作的互動功能。因此，要實現上述功能，就需要將模型導入基于虛擬現實技術的平臺VRP中。在該平臺中對場景漫游及變壓器拆卸等交互動作進行設計[8]。

3.2.1 模型導出

將3ds Max中完成的變壓器及相關環境的模型利用VRP－for－Max插件導入VRP－Builder中就可以對交互動作進行設計。

3.2.2 漫游及拆卸等交互設計

在VRP界面中對導入的場景模型，并添加按鈕實現漫游效果和相機功能。在左側設置按鈕區域，在右側的編輯界面中添加相應的按鈕功能；然后，在腳本編輯器中寫入代碼程序來實現交互動作。

3.2.3 特效與環境制作

在VRP中對系統添加天空盒，通過天空盒面板進行360°全景環境的制作。

3.2.4 編譯輸出

當虛擬交互場景制作完成后，利用 “設置運行參數”按鈕，在 “項目設置”對話框中根據需要進行設置各選項內容。設置完成后即可單擊 “運行”，VRPBuilder會啟動一個內置瀏覽器將編輯的場景以最終產品的形式展現出來。

4 結語

針對變壓器場景的特殊性，通過三維建模以及虛擬現實技術，構建了變壓器檢修模擬的場景，并對模型進行渲染，設置了交互動作，實現變壓器檢查、故障模擬、拆裝等功能。從而提高了變壓器的檢修培訓工作效率和安全運行效率，也提高了變壓器檢修培訓的智能化水平。