基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高壓柜教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

劉浩 王大虎 白帆

摘? 要： 電力行業(yè)高壓柜的工作環(huán)境危險(xiǎn)系數(shù)比較高，誤操作不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，還可能危及操作人員的生命安全。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便可以突破傳統(tǒng)訓(xùn)練方法的很多局限，使教學(xué)變得形象、易懂。文章通過(guò)3ds MAX和Torque Game Engine軟件開(kāi)發(fā)了高壓柜教學(xué)系統(tǒng)。測(cè)試表明，該系統(tǒng)能增強(qiáng)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，保證學(xué)員的人身安全，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜檢修教學(xué)的不足。

關(guān)鍵詞： 高壓柜; 虛擬現(xiàn)實(shí); 教學(xué); 3ds MAX; Torque Game Engine

中圖分類號(hào)：TM743? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）01-13-04

Abstract： The high voltage cabinet in power industry has a high risk factor of working environment. Misoperation will not only cause damage to equipment， but also may endanger the operators. Virtual reality technology can break through many constraints of traditional training methods and make the teaching visualized and understandable. In this paper， a high voltage cabinet teaching system is developed with 3ds MAX and Torque Game Engine software. The tests show that the system can enhance students' interest in learning， ensure students' personal safety， improve students' learning efficiency， and make up for the shortcomings of traditional high-voltage switchgear overhaul teaching.

Key words： high-voltage cabinet; virtual reality; teaching; 3ds MAX; Torque Game Engine

0 引言

現(xiàn)今我們國(guó)家的電網(wǎng)水平發(fā)展非常迅速，所以就需要工作人員的綜合實(shí)力越來(lái)越高，于是傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式已經(jīng)不能達(dá)到這個(gè)現(xiàn)階段的要求。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式一般都以課本配合教學(xué)人員的講解來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)會(huì)有一些PPT課件或者圖片、視頻等來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的演示。這樣的方式極其枯燥無(wú)聊，而且學(xué)員不能馬上進(jìn)行操作，也不能對(duì)自己不懂得地方進(jìn)行重復(fù)的學(xué)習(xí)了解，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式中教學(xué)時(shí)的環(huán)境與實(shí)際工作的環(huán)境區(qū)別很大，而要投資建設(shè)現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境則存在著投資費(fèi)用高、更新困難等問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)制造出虛擬場(chǎng)景，與現(xiàn)實(shí)很接近，讓人們有一種置身于現(xiàn)實(shí)中的感覺(jué)[2]。近段時(shí)間，沉浸式的虛擬仿真技術(shù)基于頭盔、手柄等工具通過(guò)動(dòng)作捕捉等方法來(lái)進(jìn)行沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)交互。這樣的方法雖然效果好，但需要一臺(tái)高性能的電腦主機(jī)和HTC公司的VIVE設(shè)備來(lái)支持，這樣造價(jià)就高了。同時(shí)，由于HTC VIVE設(shè)備需要進(jìn)行定位才能使用，場(chǎng)地的布置也是一個(gè)問(wèn)題。

基于桌面的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)就很好的解決了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的弊端，而且，實(shí)際培訓(xùn)的效果也不比沉浸式的差。這種培訓(xùn)方式主要是通過(guò)電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以需要的場(chǎng)地也就很少。因?yàn)椴恍枰獙?duì)VR設(shè)備進(jìn)行支持，所以對(duì)電腦主機(jī)的硬件要求也就沒(méi)有那么高。同時(shí)也能解決傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式的枯燥無(wú)趣且學(xué)員不能動(dòng)手操作的缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性也比較高，后期的教學(xué)內(nèi)容更新也可以通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行改變，極大的提高了培訓(xùn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓柜在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它的作用非常多主要是起到開(kāi)通、關(guān)斷、控制或者保護(hù)的效果。它是輸電、變電設(shè)備中的一個(gè)非常重要的設(shè)備，在整個(gè)電力的行業(yè)里面有著舉足輕重的位置。

由于高壓柜有很多種類型，所以就需要把每種柜型都進(jìn)行三維建模，這樣才能使學(xué)員能完整且系統(tǒng)的學(xué)習(xí)各個(gè)柜的區(qū)別與關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)可以使受培訓(xùn)人員系統(tǒng)地掌握不同柜的區(qū)別，以使學(xué)習(xí)人員最終能夠通過(guò)本系統(tǒng)提高自己的專業(yè)知識(shí)高度，全面的掌握設(shè)備知識(shí)，從而使得在實(shí)際工作的時(shí)候能夠進(jìn)行正確的操作。系統(tǒng)的整體流程如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分成了四個(gè)部分。

⑴ 建立三維模型，然后再建立和完善設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化檢修流程。要依標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立所需要的流程，如果不按照標(biāo)準(zhǔn)，就不能得到預(yù)期的培訓(xùn)效果。

⑵ 建立設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)，將設(shè)備的主要信息錄入到模型里，這樣學(xué)員在學(xué)習(xí)時(shí)能得到設(shè)備的詳細(xì)信息。之后是建立設(shè)備的場(chǎng)景，這里以某一變電所為場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行場(chǎng)景的布置與構(gòu)建，讓學(xué)員可以在與實(shí)際場(chǎng)景一樣的三維場(chǎng)景里學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

⑶ 建立考試系統(tǒng)，考試系統(tǒng)分為三個(gè)部分。一是試題庫(kù)的維護(hù)，因?yàn)楝F(xiàn)在變電設(shè)備經(jīng)常會(huì)有一些小變化，所以題庫(kù)也需要隨著設(shè)備的變化而變化，維護(hù)即在需要的時(shí)候?qū)荚囅到y(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或者添加內(nèi)容。二是學(xué)員在線考試系統(tǒng)，學(xué)員在這個(gè)功能模塊進(jìn)行在線測(cè)試，對(duì)自己的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行一個(gè)評(píng)測(cè)。三是對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，系統(tǒng)有一個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)學(xué)員的評(píng)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，分析學(xué)員哪些地方比較薄弱，可以更好的提升培訓(xùn)效率。

⑷ 用戶權(quán)限的管理，用戶登錄分為管理員和學(xué)員班級(jí)登錄兩種。管理員登錄是為維護(hù)系統(tǒng)服務(wù)的，包括管理后臺(tái)儲(chǔ)存的學(xué)員信息。學(xué)員需要在登錄界面注冊(cè)，然后在學(xué)員登錄界面進(jìn)行登錄。登錄后即可完成學(xué)習(xí)與測(cè)試等相應(yīng)工作。如圖2所示。

2 變電柜三維模型的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建原則

三維模型的構(gòu)建是最基礎(chǔ)和最重要的，因?yàn)橐粋€(gè)好的三維場(chǎng)景可以給學(xué)員更真實(shí)的視覺(jué)回饋，這樣才能更好的提升培訓(xùn)效果。建模時(shí)候需遵循幾個(gè)原則。

⑴ 還原度。本身三維建模就是根據(jù)現(xiàn)實(shí)的物體來(lái)進(jìn)行三維重現(xiàn)，所以就要盡可能的做到高還原度，這樣學(xué)員看到的跟真實(shí)的一樣才能達(dá)到培訓(xùn)效果。如果模型效果很差，還原度非常低學(xué)員的學(xué)習(xí)效果就會(huì)非常低，甚至還不如傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式。

⑵ 主次結(jié)構(gòu)。在建模和場(chǎng)景的布置中都要考慮到這個(gè)方面，在某一個(gè)模塊需要突出什么就把這部分構(gòu)建的相對(duì)精細(xì)一些，讓其顯得更加突出，這樣能夠更好的被識(shí)別。

⑶ 色調(diào)統(tǒng)一。在建模中色彩要盡量保持協(xié)調(diào)，首先有一個(gè)主色調(diào)，然后其他的地方盡量選擇可以與主色調(diào)能夠相輔相成的色彩，有時(shí)候還可能有的物體會(huì)出現(xiàn)曝光或過(guò)暗的現(xiàn)象，這時(shí)就要考慮整體的亮度，盡量向其靠近。這樣能夠顯得更加的有整體性。

2.2 模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建用的是3ds MAX軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，3ds MAX是一個(gè)常用的三維建模軟件，它性能很好且價(jià)格適中，不僅能帶來(lái)良好的制作效果還可以節(jié)約很多不必要的成本，一般的電腦配置就可以運(yùn)行操作[3]。

建模方法采用實(shí)地拍照后對(duì)比對(duì)照片進(jìn)行建模。由于變電柜的線條太多，所以在建模過(guò)程中要注意卡線的規(guī)則性，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在建模過(guò)程中合理的使用切角、擠出和鏡像等功能可以大大減少建模的時(shí)間，增加效率。因?yàn)槿祟愂歉泄賱?dòng)物，而主要的獲取信息的手段是通過(guò)視覺(jué)，所以就需要盡可能的還原真實(shí)場(chǎng)景，這是一個(gè)工作量很大的部分。建模完成后我們就要使用烘培技術(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的硬件水平普遍不高，而且高配置的計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，就需要使用烘培技術(shù)，這樣既可以保證模型的效果又可以降低對(duì)硬件配置的需求。烘培技術(shù)是將高模的紋理映射到簡(jiǎn)模上，高模即紋理細(xì)膩跟真實(shí)物體幾乎一樣的模型，底模是保留了大概整體，如圖3所示。通過(guò)烘培可以用低模的模型來(lái)顯示出高模的效果。主要步驟是將低模進(jìn)行UV拆解，拆解后擺放在方形格內(nèi)，再用渲染技術(shù)將高模的細(xì)節(jié)烘培到底模上。有的高模圓滑度不夠的話可以使用NURBS變換來(lái)進(jìn)行優(yōu)化后再進(jìn)行烘培操作，這樣還原度更高。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工具的選擇

系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)引擎選擇是很重要的，通常使用的是Unity 3D和Quest 3D來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一個(gè)合適的引擎可以提供穩(wěn)定的交互效果，還可以簡(jiǎn)化整個(gè)設(shè)計(jì)的工作流程。通過(guò)比較與研究，最后選用了Torque Game Engine，它不同于通常廣泛使用的Unity 3D和Quest 3D，這個(gè)軟件本身是廣泛用于游戲制作的一種3D游戲引擎，所以擁有更優(yōu)秀的光影效果，它主要有以下四個(gè)模塊：平臺(tái)模塊、控制模塊、資源管理模塊和網(wǎng)絡(luò)連接模塊。

3.2 模型優(yōu)化

之前已經(jīng)介紹了建模的過(guò)程，這里利用Torque Game Engine將其進(jìn)行再開(kāi)發(fā)并結(jié)合3ds MAX來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)三維場(chǎng)景的構(gòu)建。

同時(shí)，還利用了Torque Game Engine來(lái)優(yōu)化建模過(guò)程。由于建模過(guò)程是兩個(gè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以就要對(duì)建模的過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，以免在投入使用后出現(xiàn)錯(cuò)誤。我們使用了一個(gè)數(shù)學(xué)公式來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工作，這樣就能提前避免模型出錯(cuò)，公式如下：

公式里面的f代表著計(jì)算機(jī)在正常工作下的消耗功率，其余的都是常數(shù)，經(jīng)過(guò)此公式檢測(cè)后就能知道建模的工作流程里面是否發(fā)生的錯(cuò)誤，如果出現(xiàn)了還可以由此計(jì)算出偏差的數(shù)值。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

把之前建好的模型導(dǎo)入到Torque Game Engine中，把場(chǎng)景布置好。場(chǎng)景共分為兩部分，分別是室外場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景。室外場(chǎng)景是一些互感器、避雷器和輸電線路等，如圖4所示;室內(nèi)場(chǎng)景是主要的學(xué)習(xí)區(qū)域，其中包含多種高壓柜，如圖5所示。

添加室外場(chǎng)景是為了盡可能的還原一個(gè)完整的變電站，這樣可提高培訓(xùn)的效果。一個(gè)美觀且完整的場(chǎng)景才能夠更好的吸引學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，這樣也能更好的區(qū)別于傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式且更加具有真實(shí)感[4]。室內(nèi)的學(xué)習(xí)區(qū)域有多種配電柜，是學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)的主要區(qū)域。

3.3.2 教學(xué)內(nèi)容

系統(tǒng)主要是熟悉操作場(chǎng)景和學(xué)習(xí)各種高壓柜的知識(shí)，室內(nèi)場(chǎng)景置放了多種配電柜，每個(gè)高壓柜都有其特有的控制面板與設(shè)備具體信息。當(dāng)視角面對(duì)某個(gè)配電柜時(shí)，可以選擇觀看設(shè)備的面板信息和設(shè)備型號(hào)、尺寸和具體功能等。且設(shè)備面板也是可操作的，如圖6所示。每個(gè)旋鈕與開(kāi)關(guān)都可以進(jìn)行操作，比如打開(kāi)屏幕開(kāi)關(guān)屏幕就會(huì)由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)槊髁恋拈_(kāi)通狀態(tài)，按下按鈕就會(huì)由暗紅變?yōu)榱辆G等。

此外還有針對(duì)五防操作的教學(xué)，眾所周知電氣五防在電氣設(shè)備的操作中是非常重要的，因?yàn)樗谴_保設(shè)備正常工作甚至是操作人員人身安全的重要防護(hù)措施。很多意外事故的發(fā)生都是因?yàn)闆](méi)有認(rèn)真學(xué)習(xí)五防操作而造成的。在系統(tǒng)里也加入了針對(duì)五防操作的學(xué)習(xí)，在界面的左下方有五防操作的視頻，點(diǎn)擊即可進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，這樣把現(xiàn)實(shí)中的操作結(jié)合語(yǔ)音反饋給學(xué)員，可以使學(xué)員結(jié)合高壓柜獲得更好的學(xué)習(xí)效果，如圖7所示。

3.3.3 考試系統(tǒng)

最后為了檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果還加入了考試系統(tǒng)。每個(gè)學(xué)員都有其專屬的賬號(hào)，點(diǎn)擊考試后所得的成績(jī)都會(huì)記錄在程序里，而且每次系統(tǒng)都會(huì)根據(jù)學(xué)員的成績(jī)進(jìn)行評(píng)測(cè)，指導(dǎo)學(xué)員下一步需要在哪個(gè)地方加深學(xué)習(xí)[5]。

考試系統(tǒng)有其獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，以管理學(xué)員數(shù)據(jù)和更新題庫(kù)。當(dāng)需要更新或者修改測(cè)試內(nèi)容時(shí)，管理員可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)與維護(hù)。這樣可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)進(jìn)行更新，可以更好的提高培訓(xùn)效果。

4 結(jié)論

本文研究的教學(xué)系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的很多缺點(diǎn)，實(shí)用性強(qiáng)、互動(dòng)性高，而且具有一定的娛樂(lè)性，增強(qiáng)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效果，使得培訓(xùn)效率大大提高。目前現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，在各種教育培訓(xùn)中都得了廣泛的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，且已證實(shí)應(yīng)用效果是非常好的，不僅授課教師覺(jué)得很便捷，受訓(xùn)學(xué)員也能更好更快的融入到培訓(xùn)中。學(xué)員可以通過(guò)登錄系統(tǒng)學(xué)習(xí)和掌握傳統(tǒng)培訓(xùn)模式所不能提及的很多細(xì)節(jié)，這樣可以快速高效的提高受訓(xùn)學(xué)員的技術(shù)水平。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)的教學(xué)當(dāng)中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，擁有著一個(gè)非常好的前景[6]。目前本系統(tǒng)只仿真了正常工作的系統(tǒng)，當(dāng)誤操作時(shí)會(huì)發(fā)生什么樣的后果還未進(jìn)行仿真，需要在下一步完善。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 王大虎，盧正帥，賈倩.塔架式抽油機(jī)安裝培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017.40（5）：95-108

[2] 陳昊，閆龍川，陳新鵬.劉軍，李君婷，梁曉傳，陳亮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在電力行業(yè)的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù)，2017.5：16-21

[3] 王大虎，高會(huì)爭(zhēng)，陳俠.精密壓力表標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定仿真教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016.35（10）：85-89

[4] 劉森.VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站智能電氣運(yùn)維及培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2017.4：94-96

[5] 陳海波，鄭健，費(fèi)瑞軼，王媚，陳錦.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017.11：43-45

[6] 王敬沖，王大虎，劉海洋.無(wú)極繩絞車三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2015.46（9）：123-129