基于Unity3D的電力仿真教學系統

劉標 王大虎 徐炎軍

摘 ?要： 針對現有電力系統仿真教學系統存在的事故仿真不足、缺乏真實感以及開發難度大的問題，以220 kV變電站為仿真對象，首先采用3DMAX軟件建模，然后將模型導入Unity3D軟件中，利用Unity3D提供的豐富的功能，搭建了一個完整的電力仿真教學系統，通過HTCvive虛擬現實設備實現了變電站場景漫游、設備交互、系統導航、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。

關鍵詞： 電力系統;仿真教學;Unity3D;變電站

中圖分類號： TM743 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.038

本文著錄格式：劉標，王大虎，徐炎軍. 基于Unity3D的電力仿真教學系統[J]. 軟件，2019，40（6）：164168

【Abstract】： In view of the lack of accident simulation， lack of realism and difficult development of the existing power system simulation training system， the 220 kV substation is used as the simulation object. Firstly， the model is modeled by 3DMAX software， and then the model is imported into Unity3D software and provided by Unity3D. The rich functions of the system have built a complete power system simulation training system. Through HTCvive virtual reality equipment， the functions of substation scene roaming， equipment interaction， system navigation， fault handling and evaluation platform have been realized， which has made up for the lack of immersion in the substation simulation system. On the basis of ensuring the safety of the trainees， different training programs are developed for the trainees of different levels， and the training effect is improved on the basis of ensuring the safety of the trainees.

【Key words】： Power system; Simulation training; Unity3D; Substation

0 ?引言

隨著我國經濟的快速發展，電力在國民經濟生活中占據著越來越重要的作用。然而，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;同時，變電站運行過程中有許多由于設備原因、天氣及誤操作等會引起各種安全事故，對電力系統的安全運行帶來了巨大的挑戰。單純地靠引入先進的控制技術以及提高變電設備的智能化程度，不能從根本上解決問題。電力系統的運行需要人的參與，對工作人員的要求更高，因此，對變電站的工作人員的教學就更為重要。

傳統的電力系統教學主要是課堂教學為主，通過一些手冊、圖片以及模擬板等來學習，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;變電站實操是在變電站設備上進行實際操作，教學效果好，但存在購買設備花費巨大，學員誤操作容易引發安全隱患等缺點;一些新興的電力系統教學會采用電腦仿真軟件來對變電站的設備虛擬仿真，仍然采用傳統的鼠標鍵盤操作方式，對于系統仿真沉浸感不足，操作體驗與實際不符，不能呈現事故真實情況等。文獻[1]提出利用Quest3D軟件實現變電站仿真的應用方案，利用該軟件實現變電站仿真中漫游、天氣模擬等一些簡單的功能，系統簡單，開發成本低;但是，系統缺乏變電站事故仿真的研究，教學效率低下，只有一些簡單的交互功能，學員學習積極性不高等。文獻[2]等人提出沉浸式變電站仿真教學系統的實現方案，系統從視覺、聽覺和交互方式為變電站教學帶入了現場感，但系統僅從場景漫游和設備交互方面對變電站進行沉浸式仿真研究，缺少故障仿真教學環節和必要的考核平臺，系統研發成本高，研發難度大，實用性不強。文獻[3]提出了變電站仿真教學和學員事故考核的功能。完善了系統考核評價功能，為學員學習提供了評判依據，但對于仿真事故的處理，沒有加入引導性學習，對學員的友好度不高。

針對以上不足，開發了電力仿真教學系統。在系統開發過程中需要先到變電站采集信息，對一些重要的設備多次拍照，根據采集的信息利用3DMAX軟件對變電站設備進行建模，同時對模型進行優化，再將建立的模型導入Unity3D中，通過Unity3D實現系統的交互，然后通過連接htc vive虛擬仿真設備，學員帶上虛擬仿真設備來進行沉浸式仿真教學，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。

該系統將沉浸式仿真技術運用到電力仿真教學系統中，既加強了學員故障處理能力，又能夠帶入沉浸感，激發了學員學習的興趣，提升了教學效率;系統開發出考核平臺，彌補了傳統變電站教學系統的不足，為學員學習提供評判依據，同時，能夠指出學員的錯誤操作，學員可以通過引導，自我改正。

1 ?系統總體設計方案

該系統采用平頂山220 kV變電站為原型，主要對其一次側設備：變壓器、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器、電力電容、諧波阻抗器及接地電壓器等等，二次側設備：測量表計、絕緣監察裝置、控制和信號裝置、繼電保護及自動裝置等進行了三維建模以及交互仿真。沉浸式變電站人機交互框架圖如圖1所示。

由圖1可知，電力仿真教學系統主要由兩大模塊組成：學員模塊和操作模塊。在學員模塊中，學員主要帶上htc vive頭盔來接收視覺、聽覺等信息，同時通過htc vive的手柄接收動作反饋信息以及進行動作交互等;操作模塊主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括htc vive的頭戴式設備、vive無線操控手柄、vive定位器、一臺高性能電腦等，通過該硬件可以把學員操作信息傳遞給操作模塊，同時也能把操作信息反饋給學員模塊。軟件部分是實現電力仿真教學系統的關鍵部分，通過把3dmax中的設備場景模型導入到unity3D中，再使用貼圖技術對模型進行優化，在unity3D中實現設備交互等功能，通過使用htc vive設備就可以實現設備交互、場景漫游和三維場景仿真等功能。

2 ?系統硬件配置

建議電腦配置GPU：NVIDIA? GeForce? GTX 970、AMD Radeon? R9 290同等或更高配置，CPU：Intel?Core? i5-4590/AMD FX? 8350同等或更高配置，RAM：4 GB 或以上，視頻輸出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2或以上，USB端口：1x USB 2.0 或以上端口;VIVE頭戴式設備：屏幕：雙AMOLED 屏幕，傳感器：SteamVR追蹤技術、G-sensor校正、gyroscope陀螺儀、proximity距離感測器，連接口：HDMI、USB 2.0、3.5 mm立體耳機插座、電源插座、藍牙支持， VIVE操控手柄，多功能觸摸面板、抓握鍵、雙階段扳機、系統鍵、菜單鍵。

3 ?系統構建

基于HTC vive、3Dmax以及Unity3D的電力仿真教學系統的總體流程圖如圖2。在系統的構建過程中，首先是對系統的模型進行構建，精細的模型能夠提高系統的仿真程度，因此，模型的制作非常重要。首先，對于模型的制作，如果能找到CAD圖紙，可以通過CAD圖紙精確地建造3D模型;或者可以通過照片素材在3Dmax構建變電站模型。建好的3D模型再通過模型優化處理，之后導入Unity3D再配合HTC vive設備進行交互，最后為該系統構建界面并測試及優化。

3.1 ?三維建模

三維模型的構建是該系統的基礎，三維模型必須保持與現實一致，同時也要保證三維模型精確性和完整性。三維模型的構建主要包括三維視覺建模和三維聽覺建模。三維視覺建模主要包括幾何建模、運動建模、物理建模、對象行為建模、模型分割等方法[4]。本系統主要采用幾何建模的方法。幾何建模軟件一般包括3Dmax、maya、softimage、犀牛等，3Dmax軟件具有應用廣泛，上手容易，對不同文件有較好的兼容性等優點，因而采用該軟件進行3D建模。

在3Dmax建模軟件中，主要建模方法包括基礎建模、復合建模、多邊形（Polygon）建模、NURBS建模等，在構建變電站設備模型中主要采用多邊形建模的方法，同時在三維建模的過程中，主要采用先整體后部分的思想來建模，對一些比較復雜的模型，可以先構建出模型的大致輪廓，然后再對細節進行優化;因多邊形建模方法具有很明顯的優點：首先具有較好的操作感，可以邊做邊修改;其次對模型的網格密度能夠較好的控制，能夠較好的把握模型的比例，因此本系統主要采用多邊形建模的方法。在建模剛開始時，我們要先觀察要構建模型的照片，包括前后左右等多張照片，對要構建的模型做到心中有數。例如，在構建變壓器模型時，先觀察模型照片，再在3Dmax中構建同等大小的幾何體輪廓，然后將幾何體轉換成可編輯的多邊形，在點、線、面等選項中對其進行編輯。在編輯過程中，盡量不要使用布爾命令對模型進行編輯，布爾命令會導致模型多點、斷線、面重合等問題，在后期對模型進行優化時會造成模型畸變等一系列問題，造成后期模型優化難以實現。對于某一些模型需要多次用到，可以采用快照工具進行復制即可。

在模型優化的過程中，首先是要減少模型的面數，由于變電站模型數目巨大，模型數目眾多，對模型面數的優化能夠達到很好的效果。因此，采用以下幾種方法：

（1）模型精簡

對于結構復雜的物體，在運行中一些看不見的部分可以刪除，減少模型面數，模型堆放中有重疊的部分都要刪除，對于一些圓形、柱形的模型，在不失真的情況下，可以跳躍著刪除點、線。同時，對于一些重要的設備模型要精細建模，例如：變壓器、斷路器、互感器等重要設備，都需要精細建模;對于一些不重要的模型可以簡化建模。

（2）紋理映射

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]。我們可以把現場拍的照片經過ps處理過后作為二維紋理照片，在3Dmax中以貼圖（為了降低電腦性能損耗通常貼圖以512*512來處理）的形式賦給設備模型，通過這樣處理可以不需要辛苦的構造模型的細節和材質細節，也能給模型一些真實感，簡化了模型，減少了多邊形的數量，也節省了大量的人力和時間。

（3）陰影烘焙

對于三維場景中靜態的模型，我們可以采用陰影烘焙技術來降低對電腦性能的開銷，陰影烘焙技術主要是把巨量計算的虛擬光照信息生成紋理貼圖，也叫做光照貼圖，光照信息被寫入這些紋理當中，同時，為了進一步降低模型中多邊形的數量，我們采用一個變電站設備兩個模型，一個模型保留設備的各種細節信息;另一個模型是這個模型的精簡版，去掉一些細節信息，然后通過陰影烘焙技術把模型細節和光照信息一同烘焙到另一個精簡模型貼圖上，這樣既能夠達到仿真效果在使用時也能減少卡頓提高系統流暢性。

3.2 ?交互技術

3.2.1 ?漫游

在變電站漫游主要是學員對變電站進行設備巡檢以及在事故仿真中對事故進行正確的處理。學員通過使用HTC vive設備可以在虛擬場景中進行設備巡檢，使用沉浸式設備觀察一、二次設備的狀態。在事故仿真中，通過隨機產生事故如：變電站著火冒煙、互感器瓷瓶破裂等，學員通過引導能夠正確處理事故，鍛煉學員處理事故的能力。如圖3、4，電力系統仿真一、二次仿真設備。

3.2.2 ?導航

變電站漫游過程中需要小地圖來進行導航，能夠很好的了解變電站中各個設備分布。小地圖的構建過程：首先，我們需要確定小地圖的位置及大小，通常小地圖是放在右上角能夠實時了解自己的位置，在U3D設置中添加texture放到右上角，修改成合適大小;在添加一個攝像頭并設置成跟隨和垂直投影，然后將投影的畫面顯示在texture上面，攝像機要調好顯示的大小，texture注意不要被其他物體遮擋[11-12]。

3.2.3 ?設備交互

在進行變電站漫游時，學員可以對變電站設備進行交互，該交互主要通過HTC vive手柄實現，在虛擬場景中，主要通過手柄與3D模型的碰撞來實現各種交互功能，主要的交互功能包括對設備拆裝，了解設備內部構造;或者對設備進行操作，例如，打開二次側柜門，通過手柄與門把手接觸并按住按鈕，觸發判定手柄抓住門把手，再像正常開門時一樣打開柜門，手柄也可以發出激光，激光打在想要了解的模型上就能顯示模型的名字及功能的介紹，也可以把模型單獨拉出來，進行全方位的觀察[7-10]。

在設備交互過程中，設備的主要觸發事件是碰撞，為了使事件能夠發生通常我們在模型中添加Box Collider組件，這樣，當手柄與物體接觸，能夠觸發調用OnColliderEventHoverEnter（）函數，使得門能跟隨手柄活動從而被打開。為了精簡編程過程我們可以添加SteamVR Plugin和Vive Input Utility組件，能夠大幅度減少編程的工作。關于手柄發射激光，對于一些訓練場所較小的地方，不能任意走動，采用左手手柄會射出一個拋物線激光，當pad按下的時候，會傳送到拋物線和物體交匯處，從而實現遠距離移動，右手激光與實物交匯處顯示出模型的名字及功能的介紹。

3.2.4 ?故障處理

針對變電站故障本系統采用兩個學習方法，第一，通過使用原理圖的方式查看。學員選擇不同的設備以及對應的故障后，能夠了解故障原理以及故障的正確處理方式。這個方法主要針對初步了解變電站的學員，通過了解學習后，學員進入下一步學習方法;第二，通過使用HTC vive設備進入變電站虛擬場景進行實際操作。變電站設備故障主要包括靜態和動態。靜態故障主要包括互感器外絕緣破裂、端子箱標牌掉落、變電站設備出現滲油漏油等現象。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、互感器冒煙等。通過使用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。

3.3 ?考核平臺

學員通過穿戴虛擬設備以漫游的方式進入虛擬仿真場景，教員隨機選取變電站設備故障，學員檢查場景的故障現象，同時對場景的現象進行處理，最后檢查處理最后提交數據庫，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。

3.4 ?系統測試與發布

在電力仿真教學系統中主要的功能實現后，需要對系統添加一個登陸界面，不同的學員可以通過登陸界面登陸系統并了解自己的信息;系統的測試，需要多次的運行系統并測試，對于出現的系統BuG進行修復，直到系統穩定后，因U3D具有強大兼容性，可以發布windows、ios、android等平臺，本系統主要在windows 10系統下運行，通過U3D平臺打包成.exe格式即可。

4 ?結語

（1）在教學過程在，通過使用沉浸式系統仿真技術，用3D模型代替枯燥2D圖片，能夠引發學員的學習興趣，提高學員學習的積極性，提升教學效率。

（2）通過使用電力仿真教學系統能夠減少教學費用，同時，可以在不同的地方學習，提高教學便攜性，減少教學過程中容易造成危險的操作，保障學員安全性。

（3）Unity3D具有多種模塊和插件，能為系統開發帶來了很大便利，縮短了開發周期，提高產品實時性，減少了開發費用。Unity3D有很強的兼容性，能夠在多種平臺發布，降低不同平臺維護成本。

（4）系統實現了變電站場景漫游、設備交互、系統導航、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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