基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電網(wǎng)安全警示教育系統(tǒng)設(shè)計

蔣婷婷，張崇亮，劉志恩，馬啟林，孫晨曦，韓 凱

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000)

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，運(yùn)行人員的違章作業(yè)導(dǎo)致的電網(wǎng)安全事故時有發(fā)生，已成為電網(wǎng)事故的主要原因之一。安全生產(chǎn)培訓(xùn)是提高電網(wǎng)員工安全素質(zhì)、防范傷亡事故、減輕職業(yè)危害、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑。然而，當(dāng)前的安全教育主要采用理論學(xué)習(xí)和在現(xiàn)場跟班學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行，同時在培訓(xùn)過程中不能通過實際設(shè)備直接操作進(jìn)行人員培訓(xùn)，更不允許人為設(shè)置一些事故讓學(xué)員觀察和體驗。這使得當(dāng)前的培訓(xùn)無法達(dá)到安全警示的目的，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不理想[1-3]。因此，改善電力安全作業(yè)人員的培訓(xùn)現(xiàn)狀成為電力企業(yè)對培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的迫切要求。

目前，國內(nèi)外相繼研發(fā)出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[4-6]。例如，加拿大等國家已經(jīng)開發(fā)出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。國內(nèi)有針對江西贛東北供電公司的 110 kV東風(fēng)變電站研制的虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了變電站虛擬開關(guān)場和虛擬主控室等部分。諸如南京理工大學(xué)、武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院等國內(nèi)高校開發(fā)出的基于微機(jī)平臺的虛擬現(xiàn)實變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，也已成功應(yīng)用于實踐中。可見，以網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、三維圖形技術(shù)為代表的電腦信息科技的發(fā)展，為電力安全教育培訓(xùn)的實施提供了新思路。

本文開展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電網(wǎng)安全警示教育系統(tǒng)設(shè)計研究。利用3DMAX軟件構(gòu)建事故現(xiàn)場，利用粒子特效模擬電網(wǎng)事故效果，在虛擬環(huán)境中，培訓(xùn)人員通過對設(shè)備的違章作業(yè)，體驗違章作業(yè)導(dǎo)致的相應(yīng)電力事故，提高其安全作業(yè)的安全意識，達(dá)到警示教育的目的。

1 事故場景構(gòu)建

開關(guān)柜模型根據(jù)浙江桐鄉(xiāng)變電站為參考對象(見圖1)，進(jìn)行取材和測量，確保了模型的真實性和準(zhǔn)確性。

根據(jù)圖1可知：開關(guān)柜根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為開關(guān)柜柜體；上柜門，柜門顯示器，柜門按鈕，柜門后部按鈕接線口；中柜門，柜門按鈕；下柜門，柜門按鈕；后柜門；上柜內(nèi)部，內(nèi)部電表，接線盒，開關(guān)按鈕，接線按鈕；中柜內(nèi)部，內(nèi)部機(jī)械連鎖裝置，小車擋板，二次插口；下柜內(nèi)部，避雷器，銅片，零式電流互感器，電纜；后柜內(nèi)部，接地開關(guān)，電流互感器小車。

導(dǎo)入搭建場景所需的模型，如開關(guān)柜，房間，燈，滅火器，工器具等并調(diào)整材質(zhì)球參數(shù)。

按照所需的場景擺放模型，并將警戒線與模型排列對齊。點(diǎn)擊場景窗口的燈光切換，將場景照明關(guān)閉。在場景上添加墻燈的模型并擺放在適當(dāng)位置。選擇墻燈，右鍵添加燈光，這里的墻燈為點(diǎn)光源，所以單擊點(diǎn)光源。選擇添加的點(diǎn)光源，在右側(cè)的檢查器中調(diào)整燈光的強(qiáng)度，范圍，顏色參數(shù)(見圖2)。

檢查場景的布局，無誤后選擇房間，在層級中單擊右鍵選擇攝像機(jī)，在房間中心添加一個攝像機(jī)。在場景中移動到合適位置點(diǎn)擊攝像機(jī)，并使用快捷鍵Ctrl+Shift+F將攝像頭移動到當(dāng)前視角。

2 事故效果構(gòu)建

以爆炸效果為例，建立粒子特效：創(chuàng)建初步粒子物體，選中粒子物體在編輯展示界面有默認(rèn)的粒子參數(shù)和形態(tài)效果；根據(jù)粒子組件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整粒子大小、播放時長、粒子變化路徑、粒子顯示范圍，粒子播放速度等調(diào)整成自己需要的粒子基礎(chǔ)狀態(tài)，根據(jù)Renderer調(diào)整粒子的視覺狀態(tài)，添加Materials材質(zhì)賦予單個粒子最基本的形態(tài)和顏色材質(zhì)，實現(xiàn)最佳的粒子狀態(tài)效果，利用unity3d引擎軟件制作粒子特效展示。

根據(jù)現(xiàn)實爆炸效果剖析爆炸形態(tài)：火煙、火花、煙霧和爆炸后的痕跡。火光、火花和煙霧三種都需要根據(jù)粒子特效的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由于爆炸后同時出現(xiàn)，所以開始時間是一致的，煙霧在爆炸后持續(xù)時間較長，可設(shè)定比火光火花時間久的時間。

2.1 修改默認(rèn)粒子基礎(chǔ)參數(shù)

爆炸火光比較激烈，火光粒子持續(xù)時間短，速度快單次產(chǎn)生，修改Duration參數(shù)為2；Looping不勾選；Prewarn表示粒子從無到有符合火光產(chǎn)生，不勾選；開始時間不延遲Start Lifetiome為0；粒子速度Start Speed可以選擇固定速度或者區(qū)間隨機(jī)生成速度；修改粒子生成的大小Start Size為合適大小；在VR場景中單個粒子效果具有3D特性，3D Start Rotation可勾選，開始產(chǎn)生的粒子角度隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整Start Rotation；火光在剛開始爆炸是紅色，適當(dāng)調(diào)整Start Color；粒子在開始產(chǎn)生就立即執(zhí)行Play On Awake；其余參數(shù)對粒子的空間狀態(tài)效果沒有直接的影響，在綜合特效完成時再進(jìn)行綜合調(diào)整。

2.2 調(diào)整粒子發(fā)射模式和形狀板塊

首先調(diào)整粒子發(fā)射Emision的數(shù)量：根據(jù)Rate over Time來確定每秒鐘發(fā)射的粒子個數(shù)，嘗試調(diào)試自己認(rèn)為合適的粒子數(shù)量；根據(jù)Rate over Distance確定每個粒子之間的距離多少進(jìn)行調(diào)整；Bursts用來調(diào)整每個時間段內(nèi)里面的粒子數(shù)量。

調(diào)整粒子形狀Shape，其中Sphere為球體，HemiSphere為半球體，Cone為椎體，Box為長方體，Mesh為網(wǎng)格。

火焰為井噴式效果，只需要改成Cone椎體效果；限制了產(chǎn)生的粒子在Cpne椎體框范圍內(nèi)的效果，調(diào)整椎體的傾斜角度Angle；嘗試調(diào)整椎體上下面Radius的大小來達(dá)到符合場景需要的效果。

2.3 粒子產(chǎn)時長限速和粒子收到力的影響

(1)調(diào)整粒子方向軸的運(yùn)動速度。調(diào)整Separate Axes，根據(jù)單個粒子在X-Y-Z三軸的方向來進(jìn)行運(yùn)動方向調(diào)整，選擇Space的空間坐標(biāo)方向，局部Local和世界World的方向軸使粒子進(jìn)行不同模式的運(yùn)動軸向。Speed和Drag來根據(jù)速度和總的周期長度來進(jìn)行的阻尼大小。

(2)Force over Lifetime粒子在受到外作用力的情況的運(yùn)動情況。選擇粒子在局部空間和世界空間里受到外作用力運(yùn)動的軸向，針對X-Y-Z調(diào)整不同大小的作用力的軸向和運(yùn)動距離情況。

(3)最終調(diào)試粒子阻尼和外作用力的參數(shù)。

2.4 調(diào)整粒子發(fā)射中的顏色變化和大小變化

(1)在參數(shù)項Color over LifeTime中的色卡中選擇需要的顏色值，在粒子發(fā)射過程中修改粒子的顏色值，Color中只選擇一種顏色值代表粒子狀態(tài)顏色只有一種，再附加顏色是漸變顏色值。

(2)在參數(shù)選項Size over LifeTime中修改粒子變化的大小，根據(jù)不同時間在下方列表中選擇適當(dāng)需要的粒子變化過程大小，在選項中粒子變化和時間是相關(guān)的，在不同時間間隔中根據(jù)兩種粒子大小狀態(tài)，進(jìn)行均勻縮放大小狀態(tài)，實現(xiàn)最終粒子形態(tài)。

2.5 調(diào)節(jié)單個粒子的渲染器和材質(zhì)

(1)選擇粒子的類型。依次是面向攝像機(jī)S軸的、H軸的、速度方向的(拉長射線)、模型樣式的粒子，主要模型樣式的粒子不可以用序列圖，如果用必須Key UV動畫。

(2)調(diào)整發(fā)射期間的粒子排序方式Sort Mode：

None：無排序(隨機(jī))。

By Distance：固定距離間隔。

Oldest in Front：最大單個粒子在前面。

Youngest in Front：最小單個粒子在前面。

根據(jù)實況VR效果，為了使爆炸效果更有沖擊力煙霧會在爆炸的瞬間遮擋住人物的視線(VR眼鏡：場景相機(jī)[CameraRig])，可以選擇Oldest in Front/Youngest in Front。粒子煙霧在產(chǎn)生過程中為了使粒子效果在VR場景中更加真實，考慮到粒子效果受到實際光照的陰影效果，開啟陰影投射Cast Shadows選項On；接收其他物體投射的陰影Receive Shadows勾選。

(3)選擇渲染器的材質(zhì)Material。材質(zhì)主要表現(xiàn)在粒子表面的色彩和視覺形態(tài)，修改材質(zhì)的粒子shader和需要的火焰紋理。

根據(jù)對粒子組件參數(shù)項的修改和調(diào)整，完成粒子效果的預(yù)覽效果。根據(jù)場景需要可以調(diào)整粒子個數(shù)的多少，單個粒子的大小，粒子范圍和粒子速度的修改，爆炸效果預(yù)覽見圖3。

至此而言，爆炸效果中的火光效果制作完成，后續(xù)還有火花特效、特效音效、多路徑爆炸物散射特效的制作，最終融合起來以后，得到了一個完整的爆炸特效，可以在需要的時候使用。

3 安全事故體驗

安全事故體驗部分以高壓開關(guān)柜帶電合接地開關(guān)導(dǎo)致的安全事故為例，詳細(xì)描述整個事故體驗。

點(diǎn)擊體驗后，自動開始描述開關(guān)柜狀態(tài)。

接下來會提示順時針扳動接地刀閘的搖把(合閘)。

由于高壓開關(guān)柜帶電合接地開關(guān)，導(dǎo)致開關(guān)柜爆炸。

爆炸結(jié)束后，會用文字UI的形式顯示事故原因，并且可以觀看事故回放(見圖4)。

點(diǎn)擊事故回放后，會播放第三人稱視角的開關(guān)柜狀態(tài)，可以完全看清事故發(fā)生的原因(見圖5)。

回放結(jié)束后，可以再次體驗事故或者返回選擇其他的事故體驗。至此整個高壓開關(guān)柜帶電合接地開關(guān)導(dǎo)致的安全事故就結(jié)束了。這個體驗的是事故的結(jié)果、過程和原因，通過爆炸特效和音效，可以讓體驗者身臨其境，感受到如果做錯了操作，發(fā)生了事故，會導(dǎo)致多么可怕的事情發(fā)生，來提高操作者的警惕性。

4 結(jié)語

通過對基于VR的電網(wǎng)安全警示教育系統(tǒng)設(shè)計和制作，通過利用3DMAX軟件對電力設(shè)備和場景三維構(gòu)建和渲染，利用粒子效果對事故效果的制作，實現(xiàn)對電力安全事故場景的還原。在所構(gòu)建的虛擬三維場景中，作業(yè)人員通過模擬違章作業(yè)，沉浸式體驗到違章作業(yè)導(dǎo)致的電力安全事故，使其了解違章作業(yè)導(dǎo)致的相應(yīng)后果(如觸電事故、高空墜落事故等)，提高其作業(yè)過程中的安全防范意識。