基于桌面虚拟现实技术的高压柜教学系统开发

刘浩 王大虎 白帆

摘  要： 电力行业高压柜的工作环境危险系数比较高，误操作不仅会导致设备的损坏，还可能危及操作人员的生命安全。用虚拟现实技术便可以突破传统训练方法的很多局限，使教学变得形象、易懂。文章通过3ds MAX和Torque Game Engine软件开发了高压柜教学系统。测试表明，该系统能增强学员的学习兴趣，保证学员的人身安全，提高学员的学习效率，弥补了传统高压开关柜检修教学的不足。

关键词： 高压柜; 虚拟现实; 教学; 3ds MAX; Torque Game Engine

中图分类号：TM743          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）01-13-04

Abstract： The high voltage cabinet in power industry has a high risk factor of working environment. Misoperation will not only cause damage to equipment， but also may endanger the operators. Virtual reality technology can break through many constraints of traditional training methods and make the teaching visualized and understandable. In this paper， a high voltage cabinet teaching system is developed with 3ds MAX and Torque Game Engine software. The tests show that the system can enhance students' interest in learning， ensure students' personal safety， improve students' learning efficiency， and make up for the shortcomings of traditional high-voltage switchgear overhaul teaching.

Key words： high-voltage cabinet; virtual reality; teaching; 3ds MAX; Torque Game Engine

0 引言

現今我们国家的电网水平发展非常迅速，所以就需要工作人员的综合实力越来越高，于是传统的培训方式已经不能达到这个现阶段的要求。传统的培训方式一般都以课本配合教学人员的讲解来实现，有时会有一些PPT课件或者图片、视频等来进行简单的演示。这样的方式极其枯燥无聊，而且学员不能马上进行操作，也不能对自己不懂得地方进行重复的学习了解，这就导致了传统的培训方式中教学时的环境与实际工作的环境区别很大，而要投资建设现实的工作环境则存在着投资费用高、更新困难等问题。

虚拟现实技术是通过计算机制造出虚拟场景，与现实很接近，让人们有一种置身于现实中的感觉[2]。近段时间，沉浸式的虚拟仿真技术基于头盔、手柄等工具通过动作捕捉等方法来进行沉浸式的虚拟现实交互。这样的方法虽然效果好，但需要一台高性能的电脑主机和HTC公司的VIVE设备来支持，这样造价就高了。同时，由于HTC VIVE设备需要进行定位才能使用，场地的布置也是一个问题。

基于桌面的虚拟现实技术的仿真培训就很好的解决了沉浸式虚拟现实仿真技术的弊端，而且，实际培训的效果也不比沉浸式的差。这种培训方式主要是通过电脑来实现，所以需要的场地也就很少。因为不需要对VR设备进行支持，所以对电脑主机的硬件要求也就没有那么高。同时也能解决传统的培训方式的枯燥无趣且学员不能动手操作的缺点，经济性也比较高，后期的教学内容更新也可以通过软件来进行改变，极大的提高了培训效率。

1 系统总体设计

高压柜在电力系统中起着至关重要的作用，它的作用非常多主要是起到开通、关断、控制或者保护的效果。它是输电、变电设备中的一个非常重要的设备，在整个电力的行业里面有着举足轻重的位置。

由于高压柜有很多种类型，所以就需要把每种柜型都进行三维建模，这样才能使学员能完整且系统的学习各个柜的区别与关联。本系统可以使受培训人员系统地掌握不同柜的区别，以使学习人员最终能够通过本系统提高自己的专业知识高度，全面的掌握设备知识，从而使得在实际工作的时候能够进行正确的操作。系统的整体流程如图1所示。

系统设计主要分成了四个部分。

⑴ 建立三维模型，然后再建立和完善设备的标准化检修流程。要依标准来建立所需要的流程，如果不按照标准，就不能得到预期的培训效果。

⑵ 建立设备检修培训系统，将设备的主要信息录入到模型里，这样学员在学习时能得到设备的详细信息。之后是建立设备的场景，这里以某一变电所为场景来进行场景的布置与构建，让学员可以在与实际场景一样的三维场景里学习，提高学习效率。

⑶ 建立考试系统，考试系统分为三个部分。一是试题库的维护，因为现在变电设备经常会有一些小变化，所以题库也需要随着设备的变化而变化，维护即在需要的时候对考试系统进行升级或者添加内容。二是学员在线考试系统，学员在这个功能模块进行在线测试，对自己的学习效果进行一个评测。三是对测试结果进行分析，系统有一个评估标准，可以对学员的评测结果进行分析，分析学员哪些地方比较薄弱，可以更好的提升培训效率。

⑷ 用户权限的管理，用户登录分为管理员和学员班级登录两种。管理员登录是为维护系统服务的，包括管理后台储存的学员信息。学员需要在登录界面注册，然后在学员登录界面进行登录。登录后即可完成学习与测试等相应工作。如图2所示。

2 变电柜三维模型的构建

2.1 构建原则

三维模型的构建是最基础和最重要的，因为一个好的三维场景可以给学员更真实的视觉回馈，这样才能更好的提升培训效果。建模时候需遵循几个原则。

⑴ 还原度。本身三维建模就是根据现实的物体来进行三维重现，所以就要尽可能的做到高还原度，这样学员看到的跟真实的一样才能达到培训效果。如果模型效果很差，还原度非常低学员的学习效果就会非常低，甚至还不如传统的培训方式。

⑵ 主次结构。在建模和场景的布置中都要考虑到这个方面，在某一个模块需要突出什么就把这部分构建的相对精细一些，让其显得更加突出，这样能够更好的被识别。

⑶ 色调统一。在建模中色彩要尽量保持协调，首先有一个主色调，然后其他的地方尽量选择可以与主色调能够相辅相成的色彩，有时候还可能有的物体会出现曝光或过暗的现象，这时就要考虑整体的亮度，尽量向其靠近。这样能够显得更加的有整体性。

2.2 模型构建

模型的构建用的是3ds MAX软件来实现的，3ds MAX是一个常用的三维建模软件，它性能很好且价格适中，不仅能带来良好的制作效果还可以节约很多不必要的成本，一般的电脑配置就可以运行操作[3]。

建模方法采用实地拍照后对比对照片进行建模。由于变电柜的线条太多，所以在建模过程中要注意卡线的规则性，否则会出现错误。在建模过程中合理的使用切角、挤出和镜像等功能可以大大减少建模的时间，增加效率。因为人类是感官动物，而主要的获取信息的手段是通过视觉，所以就需要尽可能的还原真实场景，这是一个工作量很大的部分。建模完成后我们就要使用烘培技术来进行优化，由于现在计算机的硬件水平普遍不高，而且高配置的计算机价格昂贵，就需要使用烘培技术，这样既可以保证模型的效果又可以降低对硬件配置的需求。烘培技术是将高模的纹理映射到简模上，高模即纹理细腻跟真实物体几乎一样的模型，底模是保留了大概整体，如图3所示。通过烘培可以用低模的模型来显示出高模的效果。主要步骤是将低模进行UV拆解，拆解后摆放在方形格内，再用渲染技术将高模的细节烘培到底模上。有的高模圆滑度不够的话可以使用NURBS变换来进行优化后再进行烘培操作，这样还原度更高。

3 系统设计

3.1 工具的选择

系统的开发引擎选择是很重要的，通常使用的是Unity 3D和Quest 3D来进行系统的设计。一个合适的引擎可以提供稳定的交互效果，还可以简化整个设计的工作流程。通过比较与研究，最后选用了Torque Game Engine，它不同于通常广泛使用的Unity 3D和Quest 3D，这个软件本身是广泛用于游戏制作的一种3D游戏引擎，所以拥有更优秀的光影效果，它主要有以下四個模块：平台模块、控制模块、资源管理模块和网络连接模块。

3.2 模型优化

之前已经介绍了建模的过程，这里利用Torque Game Engine将其进行再开发并结合3ds MAX来进行整个系统三维场景的构建。

同时，还利用了Torque Game Engine来优化建模过程。由于建模过程是两个软件来实现，所以就要对建模的过程进行检测，以免在投入使用后出现错误。我们使用了一个数学公式来实现检测工作，这样就能提前避免模型出错，公式如下：

公式里面的f代表着计算机在正常工作下的消耗功率，其余的都是常数，经过此公式检测后就能知道建模的工作流程里面是否发生的错误，如果出现了还可以由此计算出偏差的数值。

3.3 软件设计

3.3.1虚拟场景构建

把之前建好的模型导入到Torque Game Engine中，把场景布置好。场景共分为两部分，分别是室外场景和室内场景。室外场景是一些互感器、避雷器和输电线路等，如图4所示;室内场景是主要的学习区域，其中包含多种高压柜，如图5所示。

添加室外场景是为了尽可能的还原一个完整的变电站，这样可提高培训的效果。一个美观且完整的场景才能够更好的吸引学员的学习兴趣，这样也能更好的区别于传统的培训方式且更加具有真实感[4]。室内的学习区域有多种配电柜，是学员进行学习的主要区域。

3.3.2 教学内容

系统主要是熟悉操作场景和学习各种高压柜的知识，室内场景置放了多种配电柜，每个高压柜都有其特有的控制面板与设备具体信息。当视角面对某个配电柜时，可以选择观看设备的面板信息和设备型号、尺寸和具体功能等。且设备面板也是可操作的，如图6所示。每个旋钮与开关都可以进行操作，比如打开屏幕开关屏幕就会由关闭状态变为明亮的开通状态，按下按钮就会由暗红变为亮绿等。

此外还有针对五防操作的教学，众所周知电气五防在电气设备的操作中是非常重要的，因为它是确保设备正常工作甚至是操作人员人身安全的重要防护措施。很多意外事故的发生都是因为没有认真学习五防操作而造成的。在系统里也加入了针对五防操作的学习，在界面的左下方有五防操作的视频，点击即可进行观看学习，这样把现实中的操作结合语音反馈给学员，可以使学员结合高压柜获得更好的学习效果，如图7所示。

3.3.3 考试系统

最后为了检验学员的学习效果还加入了考试系统。每个学员都有其专属的账号，点击考试后所得的成绩都会记录在程序里，而且每次系统都会根据学员的成绩进行评测，指导学员下一步需要在哪个地方加深学习[5]。

考试系统有其独立的数据库，以管理学员数据和更新题库。当需要更新或者修改测试内容时，管理员可以随时进行升级与维护。这样可以根据实际需要随时进行更新，可以更好的提高培训效果。

4 结论

本文研究的教学系统改善了传统培训方式的很多缺点，实用性强、互动性高，而且具有一定的娱乐性，增强了学员的学习兴趣，提高了学习效果，使得培训效率大大提高。目前现在虚拟现实技术已经日趋成熟，在各种教育培训中都得了广泛的开发与应用，且已证实应用效果是非常好的，不仅授课教师觉得很便捷，受训学员也能更好更快的融入到培训中。学员可以通过登录系统学习和掌握传统培训模式所不能提及的很多细节，这样可以快速高效的提高受训学员的技术水平。

虚拟现实技术在电力系统的教学当中已经有了较为广泛的应用，拥有着一个非常好的前景[6]。目前本系统只仿真了正常工作的系统，当误操作时会发生什么样的后果还未进行仿真，需要在下一步完善。

参考文献（References）：

[1] 王大虎，卢正帅，贾倩.塔架式抽油机安装培训虚拟仿真系统开发[J].电子测量技术，2017.40（5）：95-108

[2] 陈昊，闫龙川，陈新鹏.刘军，李君婷，梁晓传，陈亮.虚拟现实技术及其在电力行业的应用[J].电力信息与通信技术，2017.5：16-21

[3] 王大虎，高会争，陈侠.精密压力表标准装置检定仿真教学系统开发[J].实验室研究与探索，2016.35（10）：85-89

[4] 刘森.VR虚拟现实技术在变电站智能电气运维及培训领域的应用[J].电气时代，2017.4：94-96

[5] 陈海波，郑健，费瑞轶，王媚，陈锦.虚拟现实技术在电力系统中的典型应用[J].电网与清洁能源，2017.11：43-45

[6] 王敬冲，王大虎，刘海洋.无极绳绞车三维可视化系统设计[J].测控技术，2015.46（9）：123-129