基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)

劉志博 李志鵬 紀(jì)書(shū)軍 劉會(huì)蘭

（1、華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071000 2、國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司深澤縣供電分公司，河北 深澤050000 3、國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊050000）

電力系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)主要分為兩種形式：使用真實(shí)物理設(shè)備的動(dòng)態(tài)模擬和使用計(jì)算機(jī)程序的數(shù)學(xué)模擬。對(duì)于數(shù)量龐大的本科生而言，前者成本高昂，若每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較少，則需要的更多的實(shí)際設(shè)備和指導(dǎo)教師；若每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，則很難引導(dǎo)全部學(xué)生有效的參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，很多學(xué)生實(shí)際上游離于實(shí)驗(yàn)之外，實(shí)驗(yàn)效果不佳；后者常常使用二維圖形表示設(shè)備，偏重于理論分析，外觀和交互方式過(guò)于抽象，對(duì)科研工作而言是有效的工具，對(duì)教學(xué)工作而言則顯得缺乏直觀性和吸引力。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)交互設(shè)備，同虛擬世界中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)[1]。

其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)使用頭戴式顯示設(shè)備（頭顯）和手柄定位用戶的頭部和手部位置及朝向，用戶對(duì)虛擬世界的觀察和交互與現(xiàn)實(shí)相似，與使用顯示器和鼠標(biāo)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)相比具有更好的沉浸感和便利性[2，3]。隨著VR 頭顯的普及化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同教育階段和各個(gè)專業(yè)得到廣泛使用[4-7]，并啟發(fā)了教育工作者對(duì)革新教學(xué)模式的探索[8-10]。

本文結(jié)合沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種側(cè)重于操作和數(shù)據(jù)觀察、記錄的電力系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)講解、設(shè)備介紹、動(dòng)手操作和成績(jī)?cè)u(píng)定等環(huán)節(jié)，力圖幫助參與實(shí)驗(yàn)的本科學(xué)生同時(shí)獲得真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境兩者的優(yōu)勢(shì)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)成

本軟件內(nèi)含的實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)同步發(fā)電機(jī)阻抗測(cè)定實(shí)驗(yàn)，分別使用靜測(cè)法和三相突然短路法。軟件內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為三部分：三維模型、引導(dǎo)及講解系統(tǒng)和打分系統(tǒng)。

1.1 三維模型

實(shí)驗(yàn)室建筑及設(shè)備的可見(jiàn)部分都以三維模型的形式展示，本實(shí)驗(yàn)涉及的設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、調(diào)速柜、滑動(dòng)變阻器、單相調(diào)壓器、接觸器、電壓表、電流表、功率表、錄波儀。設(shè)備上可以旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的部件，應(yīng)添加相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)及聲音，以增添虛擬環(huán)境的真實(shí)性。

在三相突然短路法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗的實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)實(shí)環(huán)境使用的是計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行故障模擬軟件和錄波軟件的顯示和操作，而在虛擬環(huán)境中，為提高便捷性，可以直接使用類似觸摸顯示屏的元件供顯示和操作。

1.2 引導(dǎo)和講解系統(tǒng)

應(yīng)為第一次使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的學(xué)生提供操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生熟悉移動(dòng)、設(shè)備交互、菜單調(diào)出和使用等行為。

實(shí)驗(yàn)講解系統(tǒng)首先介紹設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的目的，盡可能使用動(dòng)畫(huà)或視頻、圖片展示實(shí)驗(yàn)的意義，在提供相關(guān)理論知識(shí)后，使用選擇題的形式引導(dǎo)學(xué)生重現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，在一定程度上幫助學(xué)生加強(qiáng)科學(xué)探究能力。

每個(gè)虛擬設(shè)備具有相應(yīng)的說(shuō)明，學(xué)生可以逐一選擇了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以便進(jìn)行操作和完成實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于學(xué)生經(jīng)常遇到的問(wèn)題，在軟件中提供疑難解答，教師可自主更新其中的條目。若實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室外人員開(kāi)放，則需增加提問(wèn)功能，方便指導(dǎo)教師遠(yuǎn)程解答。

1.3 打分系統(tǒng)

根據(jù)每名學(xué)生的操作數(shù)量和操作正誤進(jìn)行打分，小組實(shí)驗(yàn)中盡量避免操作較多的學(xué)生因個(gè)別錯(cuò)誤得分反而低于操作較少的學(xué)生的情況。由于接線情況是小組所有成員都可以檢查的，提交接線結(jié)果時(shí)應(yīng)征得小組全體成員同意，因此若接線錯(cuò)誤，應(yīng)對(duì)全體成員統(tǒng)一扣除分?jǐn)?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)流程及細(xì)節(jié)

為提高沉浸感和實(shí)驗(yàn)操作的便利性，本文使用VR 頭顯配合手柄和定位基站作為輸入輸出設(shè)備。由于頭顯的屏幕顯示效果不如顯示器，容易出現(xiàn)模糊的情況，實(shí)驗(yàn)中彈出的菜單及平面圖、文本框等組件最好與屏幕的相對(duì)位置保持不變，以盡可能避免顯示不清的問(wèn)題。

程序開(kāi)始后，學(xué)生首先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇界面。選擇要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，界面中會(huì)彈出操作引導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握移動(dòng)和轉(zhuǎn)身的操作。

由于本實(shí)驗(yàn)的操作區(qū)域較小（實(shí)驗(yàn)臺(tái)前），移動(dòng)方式建議選擇空間追蹤，以提高真實(shí)性和代入感。若移動(dòng)空間不足，或?qū)W生想要近距離觀察發(fā)電機(jī)等設(shè)備的三維模型時(shí)，再使用瞬移作為移動(dòng)方式。

操作引導(dǎo)結(jié)束后，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中自由查看，也可調(diào)出主菜單，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)介紹”按鈕。之后軟件使用文字、圖片等形式介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮拖嚓P(guān)理論知識(shí)，學(xué)生確認(rèn)學(xué)習(xí)完畢后，需思考實(shí)驗(yàn)方式，通過(guò)一步步回答選擇題來(lái)完整理清實(shí)驗(yàn)思路。在對(duì)實(shí)驗(yàn)方法了然于胸之后，學(xué)生可以開(kāi)始著手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

在默認(rèn)模式下，點(diǎn)擊設(shè)備特定位置可以進(jìn)行操作。若學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器尚不熟悉，可調(diào)出主菜單，切換為學(xué)習(xí)模式，在此模式下，學(xué)生點(diǎn)擊設(shè)備時(shí)，畫(huà)面中會(huì)彈出設(shè)備介紹窗口；若點(diǎn)擊特定的組件，則會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的專門說(shuō)明（如某個(gè)按鈕或接線柱的作用）。在設(shè)備介紹窗口，點(diǎn)擊“操作說(shuō)明”按鈕，則窗口消失，出現(xiàn)操作提示文字和語(yǔ)音說(shuō)明。學(xué)生根據(jù)說(shuō)明進(jìn)行操作后，程序提示將設(shè)備復(fù)位，復(fù)位后則操作說(shuō)明結(jié)束。

在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備之后，學(xué)生便可以開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要先在主菜單選擇接線模式，使用導(dǎo)線連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建實(shí)驗(yàn)所需的電網(wǎng)模型。因?yàn)榇嬖诙喾N可能的正確接線方式，所以需要為程序設(shè)置判定規(guī)則，判斷接線是否滿足要求。

在三相突然短路法實(shí)驗(yàn)中，電路如圖1 所示。

圖1 三相突然短路法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)電路圖

若錄波儀和接觸器的三相都已固定，則有不同接法的只有勵(lì)磁繞組的負(fù)極和電流表級(jí)電壓表。其中，勵(lì)磁繞組的負(fù)極既可接在110V 電源的負(fù)極，也可接在滑動(dòng)變阻器的負(fù)極，正確接法只有兩種，可逐個(gè)判斷；電壓表只需兩端分別接于不同的兩相，電流表兩端分別接電樞繞組和錄波儀的同一相，或錄波儀和接觸器的同一相即可。

在靜測(cè)法實(shí)驗(yàn)中，電路如圖2 所示。

圖2 靜測(cè)法測(cè)定同步發(fā)電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)電路圖

此電路有不同接法之處在于電樞繞組與單相調(diào)壓器之間。在任一時(shí)刻，電樞繞組只有兩相接入電路中，另外一相閑置。為判斷串/并聯(lián)關(guān)系，可為接線端做相別標(biāo)記。電樞繞組三相分別標(biāo)記為A/B/C，任意兩個(gè)用導(dǎo)線相連接的接線端，若皆無(wú)標(biāo)記或標(biāo)記相同則不作改變；若其中一個(gè)有標(biāo)記，則為另一個(gè)接線端添加同樣的標(biāo)記；若皆有標(biāo)記且不相同，則報(bào)錯(cuò)。電流表兩個(gè)接線端的標(biāo)記方式同上。標(biāo)記流程如圖3 所示。

其中A 和B 為設(shè)備的兩個(gè)接線端。為避免已經(jīng)接好的接線端標(biāo)記無(wú)法刷新的情況，對(duì)任意設(shè)備進(jìn)行接線操作后，所有設(shè)備接線端的標(biāo)記都要刷新。

圖3 標(biāo)記功能流程圖

標(biāo)記好相別后，程序便可判斷接線是否正確。具體判斷方法為：電壓表兩接線柱、功率表兩電壓接線柱和單相調(diào)壓器兩接線柱標(biāo)記為相同的兩相；電流表兩接線柱相別相同，且為電壓表兩接線柱對(duì)應(yīng)的其中一個(gè)相別；功率表兩電流接線柱與電流表判斷方法相同。

接線完成之后，學(xué)生還需要對(duì)表計(jì)的量程進(jìn)行調(diào)節(jié)。一些表計(jì)用來(lái)觀測(cè)特定物理量是否達(dá)到目標(biāo)值，這些表計(jì)的量程實(shí)驗(yàn)前可以計(jì)算，因此若學(xué)生選錯(cuò)應(yīng)當(dāng)扣分；其他表計(jì)則可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，只要最終記錄數(shù)據(jù)時(shí)量程選擇正確即可。

之后便可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)操作。在某些情況下，操作對(duì)象很小，手柄方向容易偏離。在編寫(xiě)軟件時(shí)，需注意當(dāng)指示射線偏離操作對(duì)象指向其附近物體（如柜體）時(shí)，射線應(yīng)停留在附近物體表面，而不應(yīng)穿透物體射向后方，以方便學(xué)生查看偏離情況，微調(diào)手柄指向的位置。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定主要依據(jù)數(shù)據(jù)記錄和處理情況。學(xué)生可調(diào)出實(shí)驗(yàn)記錄表，查看不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)滿足的條件，并在對(duì)應(yīng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需觀察的表計(jì)應(yīng)具有記錄按鈕，若表計(jì)顯示實(shí)際值，則按下按鈕時(shí)的數(shù)據(jù)直接自動(dòng)填入實(shí)驗(yàn)記錄表中；若表計(jì)只顯示格數(shù)，則格數(shù)、量程和總格數(shù)都會(huì)填入實(shí)驗(yàn)記錄表，學(xué)生需課后計(jì)算實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)浇處煹挠?jì)算機(jī)上，打印出來(lái)作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的一部分。

3 結(jié)論

使用虛擬實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可很好的解決實(shí)際設(shè)備和指導(dǎo)教師數(shù)量不足的問(wèn)題，并且可以通過(guò)靈活分組調(diào)整實(shí)驗(yàn)小組的人員數(shù)量，保證各成員之間可以相互協(xié)作，避免任務(wù)過(guò)于繁重或人數(shù)過(guò)多部分成員無(wú)事可做的情況。學(xué)生在操作時(shí)調(diào)取設(shè)備說(shuō)明，可提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和針對(duì)性。同時(shí)計(jì)算機(jī)又可以很方便的對(duì)學(xué)生的操作行為做出評(píng)分。本文設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件既符合以上優(yōu)點(diǎn)，又解決了在正確接線方式不止一種的情況下如何判定接線正誤的問(wèn)題，為學(xué)生的操作提供了自主性和更多的可能性。