基于虛擬現實的變壓器教學仿真

王大虎 劉標 徐炎軍

摘 要： 針對現有電力系統實物教學危險性高的問題，以220 kV變壓器為仿真對象，通過采用3DMAX軟件建模，利用Unity3D引擎，搭建了變壓器教學仿真系統，通過虛擬現實設備實現了變電站設備3D交互等功能，學員可以根據知識水平進行學習，彌補了電力系統教學只采用單一的文字或簡單掛圖等缺點，在保障學員安全的基礎上，讓學員能夠對變壓器進行操作。經測試，該系統是經濟有效的工具，既能提高教學水平，又能減少投入教學的時間和金錢，達到了預期的教學效果。

關鍵詞： 電力系統； 仿真教學； 交互； 變壓器

中圖分類號：TM743 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）03-71-04

Transformer teaching simulation by virtual reality

Wang Dahu， Liu Biao， Xu Yanjun

（School of Electrical Engineering And Automation， Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China）

Abstract： The existing physical teaching of power system involves the risk of danger. Using 220 kV transformer as the simulation object，modeling by using 3DMAX software， the Unity3D engine is adopted to build the transformer. The teaching simulation system realizes the functions of 3D interaction of substation equipment through virtual reality equipment. Students can learn according to the knowledge level， which makes up for the shortcomings of power system teaching using only a single text or simple wall chart. On the basis of ensuring the safety of trainees， the trainee is able to operate the transformer. After testing， the system is a cost-effective tool that not only improves the teaching level， but also reduces the time and money spent on teaching and achieves the desired teaching results.

Key words： power system； simulation teaching； interaction； transformer

0 引言

電力是現代社會的一個關鍵因素，支持文化和工業發展。缺電會對經濟和社會產生重大影響。隨著電網的越來越大，電力系統越來復雜，對電力系統操作人員的要求也越來越高；為了確保持續供電，變電站必須高效的運行，變電站的維護涉及高風險，帶電線路的維護具有極大地危險性，為了保障人員安全和降低對設備的損害，擁有訓練有素并且技術較高的工作人員非常重要，這就對電力系統的教學提出了較高的挑戰，傳統的電力系統教學主要是課堂教學為主，通過一些手冊、圖片以及短視頻等來學習，內容枯燥乏味，學員學習興趣低下、理解困難，教學效果不理想[1]；利用Quest3D實現變電站仿真，利用該軟件實現變電站一些簡單的功能；但是，教學效率低下[2]；提出沉浸式仿真系統的方案，為變電站教學帶入了現場感，但研發難度大；針對以上不足，開發了基于虛擬現實的變壓器教學仿真系統。該系統通過使用虛擬現實技術可以保證學員在模擬的工作環境中進行訓練，在保障學員安全性的基礎上，學員能夠對變壓器進行操作，在進行故障處理的過程，會給出學員成績，并指出學員的一些錯誤操作，并對錯誤操作進行糾正，既加強了學員故障處理能力，激發了學員學習的興趣，提升了教學效率。

1 系統總體設計

1.1 功能需求分析

變壓器教學仿真系統主要利用虛擬仿真技術較為真實的實現仿真操作，降低相關專業學習的困難，使得較為枯燥的專業知識學習變為可視化、可交互的學習過程。該系統采用某220kV變電站為原型，主要對其變壓器設備實現了結構原理展示、動畫教學演示以及實際操作交互仿真三個主要的功能。變壓器教學仿真系統功能設計圖，如圖1所示。

1.2 技術路線

系統開發需要前期的準備工作，需要在現場等地方獲得模型素材、模型數據等實現變壓器模型的構造，素材相片需要經過圖像處理后可以作為模型材質貼圖、特效貼圖以及背景貼圖等；制作好的模型可以通過3DMAX軟件，根據實際需求制作動畫。在虛擬場景開發時，使用unity3D中實現結構原理展示、動畫教學演示以及實際操作交互仿真等三個主要的功能，如圖2所示。

2 關鍵技術研究

2.1 三維建模

三維模型的建立是系統開發的前提，模型的真實化處理是使培訓獲得真實感的必要條件[3]。在建模過程中，對于模型復雜、面數眾多的物體，可以適當的刪除被遮擋的模型面，減少因模型面多而造成的卡頓，對于一些不重要的模型可以用簡化模型來替代；所謂紋理映射是采用將二維紋理照片映射到三維實體表面的方法描述場景細節，使用很少的多邊形即可獲得真實感三維場景[5]。通過使用現場的照片經過處理后，以貼圖的形式賦予設備模型表面，降低模型的驅動開銷，既能簡化模型面數，優化電腦性能消耗，又能降低工作量，節省大量人力時間；陰影烘焙技術就是通過把大量的需要計算光照信息通過生成紋理貼圖來減少對電腦性能的消耗，降低電腦的負載，同時又能夠較好地顯示模型的紋理、陰影等細節，這樣既能有較好的仿真效果，也能減少卡頓，提高系統流暢性。貼圖前后效果對比圖如圖3、圖4。

2.2 系統交互

2.2.1 設備裝拆

變壓器主要由器身（鐵芯、繞組、絕緣、引線）、變壓器油箱和冷卻裝置、調壓裝置、保護裝置（吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油柜及測溫裝置等）和出線套管等組成[6]。通過對變壓器設備的拆裝，學員可以更清晰了解變壓器內部構造以及運行原理等，提高學員學員興趣。在虛擬場景中，主要通過手柄與3D模型的碰撞檢測來實現各種交互功能，當手柄與物體接觸，能夠觸發調用OnTriggerEnter（）函數，同時，按下pad按鍵可以拾起3D模型，部分設備拆裝交互算法如下：

2.2.2 設備交互

在變壓器運行過程中，我們可以通過對其二次側設備進行操作，來達到控制變壓器運行的效果，同時，也可以通過二次側設備對變壓器進行監測，從而達到實時了解變壓器的運行狀態。如圖7（a）（b），開關的操作會改變電壓表、電流表顯示數值，來模擬真實電路操作。

為了提高仿真程度，通過系統中加入粒子特效，能夠較為真實的模仿系統事故，提高教學效果，因為粒子特效范圍較大，需要對粒子特效的范圍、高低等進行設置來達到和現實一致的效果。在使用滅火設備滅火時，粒子范圍降低，直到火焰被熄滅；同時可以聽見滅火設備噴氣的聲音；變壓器設備故障主要包括靜態和動態。靜態故障主要包括外絕緣破裂、端子箱標牌掉落、設備出現滲油漏油等現象[7]。動態故障主要是指場景設備有明顯的動作表現的現象，例如，變壓器著火噴油等。本系統主要模仿變壓器著火以及使用滅火裝置滅火的交互仿真。根據虛擬仿真設備跟隨系統的提示對故障設備進行正確的處理。同時在考核時通過學員對場景的現象進行處理，提交數據庫，系統根據教員設置的故障的信息表以及學員的操作信息等進行處理，最后給出學員的考核成績。故障模擬仿真以及滅火操作如圖8所示。

3 系統測試

在變壓器仿真教學系統中主要的功能實現后，就可以添加一個登陸界面，不同的學員可以通過登陸界面登陸；由于電腦顯示器分辨率不同，可以設置成不同分辨率，本系統主要以1080p分辨率為主，進入主界面后，學員通過視頻動畫和設備拆裝了解變壓器的原理，這是掌握實際操作的基礎，學員只有學習并掌握后才能夠進入故障考核，在故障考核中只有操作正確才能進入下一步操作，否則系統會提示無效操作；系統需要多次的運行系統并測試，修復系統BuG直到系統穩定，本系統主要在windows系統下運行，需要通過U3D平臺打包成.exe格式即可。

4 結論

基于Unity3D虛擬仿真技術，通過使用3DMAX三維建模軟件以及Photoshop圖像處理軟件開發的變壓器仿真教學系統，在教學過程在，通過使用沉浸式系統仿真技術，通過使用虛擬三維模型代替枯燥實物圖片，能夠引發學員的學習興趣，又能夠降低購買教學儀器的費用，在保障學員安全性的前提下，使得學員能夠進行真實的系統操作；系統實現了變壓器視頻動畫、設備交互、故障處理以及考核平臺等功能，彌補了變電站仿真系統沉浸感不足、設備交互簡單、學員教學效果評價體系不全等缺點，在保障學員安全性的基礎上，針對不同水平的學員制定不同的教學方案，提高了教學效果。

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