基于VR的電力通訊故障檢修培訓系統設計

柳青，胡大煒，楊炳勇，吳超，王治宇

（國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古自治區興安盟烏蘭浩特市 137400）

0 引言

VR虛擬現實技術是計算機仿真技術的一個重要研究方向，是為了綜合利用多種技術實現和虛擬環境進行人機交互，生成一個逼真的視覺體驗場景的技術，是一個具有挑戰性的研究領域。虛擬現實技術主要包括環境搭建、感官體驗、技能實現和傳感設備交互等方面。環境的搭建是利用3DMax、UG等三維模型軟件進行三維模型的構建，然后生成相應的文件格式導入Unity3D中搭建出實時動態的三維立體逼真虛擬環境，理想的環境搭建應該達到讓用戶難辨真假的程度。感官體驗是指不僅擁有計算機視覺感知，還擁有聽覺，觸覺等感知。技能實現是指人通過虛擬現實頭盔（HMD）獲得場景的畫面信息，用戶通過輸入指令，計算機來處理生成和用戶輸入指令的相適應的信息。傳感設備交互是指三維交互設備，是用戶利用動作捕捉設備、光學跟蹤技術等數據傳感設備，實現與虛擬環境中的物體或者環境進行交互和感知，達到較強的仿真體驗[1]。

目前對電力光纖故障檢修操作人員的培訓仍停留使用教學視頻進行教學或者現場真實培訓等傳統的培訓階段。通過教學視頻進行教學培訓，學員無法獲取實際操作經驗，只能學習理論知識，在實際操作中仍然會遇到很多問題，并且會浪費學員大量寶貴時間。現場操作真實培訓不能同時培訓多個學員，培訓效率比較低，電力檢測都是帶電操作，學員在培訓中極易遇到危險，并且設備損耗也給企業浪費了大量資金。VR培訓系統可以解決傳統培訓系統難以解決的問題，操作人員可以在沒有任何危險的情況下完成整個培訓操作，并且可以反復使用，為企業節省了許多培訓成本[2]。

本文將重點闡述電力通訊故障檢修培訓系統的設計內容，設計內容包括場景搭建設計和系統程序設計，場景搭建設計分為室內電力光纖檢測場景設計和室外電力光纖維修場景設計。系統程序設計是基于Unity3D引擎平臺，利用面向對象的C#語言編寫腳本實現。

1 系統設計

基于VR的電力通信故障檢修培訓系統功能模塊如圖1所示。

圖1故障檢修培訓系統功能模塊

其中，培訓的內容在場景中主要以文字界面的形式呈現并帶有語音提示，使操作人員能夠清楚的明白具體的操作步驟，可以減少操作過程中容易出現的錯誤。培訓的目的是為了使操作人員在虛擬環境中掌握真實環境中的光纖故障檢修的技能，操作的步驟是先在室內場景1中查看計算機確定線路是否出現問題，然后攜帶檢測設備到場景2中進行線路檢測，確定線路損壞的具體位置，根據檢測報告駕駛維修車攜帶維修設備去室外場景進行維修；檢測設備學習模塊主要以演示設備功能和使用方法為主，操作人員需要在培訓人員的指導下切實掌握檢測設備的功能和使用方法。設備功能和使用方法主要包括五種光纖鉗的具體使用順序和使用方法、切割機的使用方法、熔接機的使用方法及光線反射儀的功能，在設備的操作過程中要切實掌握操作的要領，以免在復雜的操作中出現錯誤；技能培訓模塊是虛擬現實人機交互的核心部分，根據Unity3D腳本來實現人機交互的所有功能，操作人員戴上頭盔之后就進入了虛擬環境中，在語音和文字界面的提示下，操作人員能夠按照要求完成光纖故障檢修的所有內容，完美地再現了真實操作中的具體步驟。

系統的設計可以讓操作人員進行無限次數的操作訓練，不僅增加了操作人員的熟練度，還可以減少培訓資金。在系統設計中增加了系統設置報錯和提醒功能，能夠讓操作人員及時的發現操作過程中的錯誤，以至于能夠及時改正。

2 基于Unity3D的場景搭建設計

虛擬現實領域離不開三維大規模場景的建立，而場景的建立又與3DMax、Maya等基礎的三維建模工具密不可分。本項目選用3DMax 2017建模軟件進行三維模型的建立，然后導入Unity3D進行場景構建。

圖2建模流程圖

首先，在培訓現場進行實物數據采集，準確地測量出物體的尺寸大小以便于在后期的模型制作中建立同等大小的物體模型，并切要在現場取景拍照，利于計算機技術制作出和實際場景模型表面圖形一致的貼圖；然后根據已有的實物數據和實物圖像建立三維模型，在建立三維模型時要根據動畫渲染的要求來建立滿足實際要求的三維模型，這些模型通常都要實現自己獨特的功能，所以模型建立時必須考慮物體的獨特性采取適合實物的建模方式；最后導出.fbx格式的文件導入Unity3D中對模型進行優化和渲染，使其和實物模型完全一致，最好能夠達到以假亂真的效果。具體導出流程如圖3所示。

圖3模型建立流程圖

場景搭建設計包括室內場景搭建和室外場景搭建，室內場景搭建又分為電腦報警查詢場景和光纖連接檢測場景搭建。兩個室內場景的搭建是聯通的以便于查詢報警后立刻能夠去檢測。電腦報警查詢場景搭建比較簡單，操作人員進入室內通過操作電腦，電腦顯示線路是否連接，如果連接失敗進入第二個室內場景進行光纖連接檢測。光纖連接檢測場景搭建比較復雜，設備比較繁多，不僅要考慮設備位置擺放的合理性，還要考慮室內場景的美觀性。室外場景搭建包括檢修車道路行駛場景和光纖熔接維修場景搭建。檢修車道路行駛場景搭建主要是維修設備的裝卸，光纖熔接維修場景搭建主要是各種維修設備的擺放和維修實驗臺的搭建各種場景的搭建都要按著和實際場景1:1的比例來進行模擬環境搭建，盡可能搭建出人眼難以辨別真假的虛擬場景。

3 基于Unity3D的程序設計

電力檢測操作培訓系統是基于Unity3D引擎平臺，利用面向對象的C#語言編寫腳本實現的，程序設計中包括場景類圖和實體類圖，面向對象程序設計的場景類圖如圖4所示。

圖4面向對象程序設計場景類圖

程序中所有場景類都繼承了ISceneManger父類，在場景類圖中，有三個場景管理器，分別對程序中的三個場景進行控制，初始化以及回收實體等。

圖5面向對象程序設計實體類圖

實體類都繼承了AEnity父類，且由實體管理器EnityManger類進行管理，這些類中聲明了程序中用到的方法和屬性。

在實體類圖中，基類AEntity中定義了實體的創建、初始化，及銷毀的方法；各個繼承該類的實體類均可以繼承重寫這些方法；在實體類圖中，還有各種實體的類，它們中各自定義了自身的屬性和需要使用的方法，例如：門的類：Door類中有開門的方法（Open（））和關門的方法（Close()）；光時域反射儀的類：OTDR類中有屬性接口（port）以及使用OTDR的方法（Test）等。

面向對象的設計類圖利用C#編寫腳本實現了如下幾個交互功能：

（1）利用手柄實現與系統中UI界面的交互：用戶可通過按下手柄的Trigger鍵發射射線與系統中的提示UI、菜單、以及各種儀器的操作界面進行交互。

（2）對物體抓取和觸碰進行交互：用戶可以通過按下手柄的Grab鍵抓取物體實現使用光時域反射儀（OTDR）檢測故障時光纖的連接、剝光纖時對各種鉗子的拿取，以及對熔接光纖時對光纖的拿取等；

（3）按下手柄觸摸板進行移動：用戶在系統內可以通過按下手柄的Touch面板進行前后左右的移動。

系統還實現了如下的告警功能：

（1）在使用光時域反射儀（OTDR）檢測故障時，連接OTDR和機柜的線需要按順序插，如果插錯，會產生報警聲音。

（2）在使用鉗子對光纖剝層時，必須按順序使用鉗子對光纖剝層，如果拿錯鉗子，系統語音提示拿取錯誤。

（3）在熔接光纖時，如果光纖沒有進行切割或者沒有擦拭，以及擦拭不干凈，熔接機系統界面會出現熔接失敗界面，此時應重新切割或擦拭。

4 結語

首先根據光纖熔接具體要求規范操作流程，進行虛擬場景設計，確定對光纖、光纜剪、光纖熔接機、檢測儀器等利用3DMax軟件進行三維建模與渲染，之后在Unity3D軟件上編程實現光纖熔接的每一個步驟，結合HTC VIVE頭顯設備，實現對電力通信檢修人員的光纖熔接培訓，將虛擬現實與工業具體實例化操作相結合，解決了企業當前針對電網檢修人員培訓難的難題，滿足了企業需求。