基于VR技术的变电站运维检修培训系统

范志远

【摘 要】经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。变电站作为电力系统的重要组成部分，其运行的安全对电力系统的稳定非常重要。随着信息化技术的发展，虚拟化现实技术逐渐渗透到变电站的仿真培训系统开发中。本文就基于VR技术的变电站运维检修培训系统展开探讨。

【关键词】虚拟现实;变电站;运维检修

引言

虚拟现实技术作为新时代的先进技术，也得到了愈发广泛的应用，而这种技术简单来讲就是通过精确的三维场景与逻辑模拟，使现实中的相关事物再现。尤其是对于智能变电站的运维培训系统来讲，其不仅能帮助受训者在安全的环境下，进行相关知识学习与设备使用练习，使各类风险尽可能降到最低，还能够科学有效地降低成本预算，提升学习与保留率，总体来讲利远远大于弊。

1 虚拟现实技术在培训教学中的必要性

近年来，国网公司对电网调度运行和设备运检人员的实训高度重视，主要采用传统的调控一体化数字仿真培训系统、变电站数字仿真培训系统、基于真实设备的实训环境、基于多媒体的仿真培训系统等方式对相关人员有效地开展了技能培训、考核及鉴定。随着培训业务的增加，传统培训系统的不足之处也日渐凸显。基于真实设备的实训方式存在占地面积大，投资费用高，有些设备难以或无法拆解，学员无法深入了解与学习内部构造、运行机理，无法叠加培训信息以及异常、故障的现象，设备容易损坏，无法同时支持大量学员同时开展实训，可扩展性低、费用高等问题。因此，迫切需要利用当前最新的虚拟现实技术研究成果和交互设备，构建具有高度沉浸感的变电仿真培训系统，实现对变电站电气设备、辅助设备、环境场景以及虚拟人等的建模与仿真，进行倒闸操作、事故处理、日常巡视和运行维护工作的真实演示和互动操作。基于多媒体和虚拟现实仿真技术的培训方式具备培训内容标准化，重复利用性高，最大程度模拟真实环境，可单兵训练，也可以集体协同训练，并能支撑大量学员同时开展培训等特点。结合已建设智能变电站实训系统，构建真实场景与虚拟信息“虚实融合”的培训情境，可以全面提升变电设备运维培训的学习、认知及培训效果。

2 系统需求

虚拟现实（VR）技术是一种计算机仿真系统，它可构建出虚拟世界，并让人体验到现实世界与虚拟世界相同的环境，这种模拟环境具有交互式动态效果，旨在消除用户与计算机系统之间的交互障碍。虚拟现实可以分为两类：基于桌面的非沉浸式VR和沉浸式VR。沉浸式虚拟现实需要头戴式显示器、跟踪系统、交互设备，如数据手套或操纵杆，以及先进的可视化系统，如CAVE自动虚拟环境。这些特殊的接口设备将用户与物理世界隔离，并提供更深层次的临场感和沉浸感。基于非沉浸式桌面的VR是最常见和最便宜的VR形式，它通常由用于可视化的标准计算机屏幕和用于交互的常用输入设备（如鼠标、键盘和操纵杆）组成。传统的培训方法要求工人离开工作岗位，前往有时远离工作地点的特殊培训中心进行集中学习，这样不仅影响日常工作，还增加培训成本。因此，寻找新的创新的劳动力培训技术有更高的动机和要求。以下是最重要的几点：第一，无需出差就能融入工作环境培训系统;第二，适应不同技能水平的适应性培训方法;第三，全国范围内标准化劳动力培训程序;第四，公司可随时随地使用的灵活培训系统;第五，公平评估根据能力认证工人的知识。据上述需求，基于虚拟现实（VR）技术的模拟培训显示出潜力，它提供了一种方法，将劳动力培训的现代需求和前面提到的必备条件整合到一个单一的应用程序中，并拥有以下优势：第一，提供使用3D环境吸引用户注意力的机会;第二，允许对对象进行近距离检查，可以更准确地说明某些功能;第三，允许受训者按照自己的速度进行程序;第四，提供多层次的互动，鼓励参与而不是被动;第五，允许受训者探索否则将无法接触或危险的工具和设备。

3 虚拟现实变电站的功能

3.1Unity3D

采用Unity3D引擎进行变电站的功能开发，Uni-ty3D引擎功能非常强大，含有大量的插件，能够补充自身所存在的缺陷，开发的环境逼真，有较高的灵活度。变电站中的电气设备的参数信息以及结构原理都需要工作人员进行掌握，根据场景的基本功能实现设备的学习以及故障的培训等内容，相比其他培训系统而言，虚拟现实仿真培训系统能在建模的过程中随时删除内部的点面，并利用Unity3D进行消隐以及贴图的功能，以此提高系统的运行速度，真实感得到明显提高，实现人机之间的交互，并利用计算机与虚拟设备，实现两者的同步运行，能够通过鼠标键盘进行基本的操作，也可以利用头盔和手柄进行控制。

3.2变电站三维场景模拟

虚拟变电站模型的搭建由三维建模和真实化处理两部分构成，三维模型是系统的前提基础，真实化处理是获取沉浸感的必要条件之一。三维建模是变电站三维场景在VR技术中的精确体现，以增强系统的可操作性和虚拟场景的真实效果。同时也应考虑到精确建模导致的内存增加、画质不流畅等问题，所以建模时适当舍弃一定的真实度，采用轻量化建模技术。将虚拟变电站的场景导入到工程中，为VR技术的研究打好基础，生成的虚拟变电站的三维场景。真实化处理是为确保基于VR技术设计的虚拟变电站三维场景可以真实、有效地反应出变电站运行状态，主要包括赋予模型材质和贴图以及设置灯光等操作。材质、贴图是显示变电站三维模型设备的表面纹理，增强细节表现力的主要手段。为使场景中模型的整体效果更为逼真还需进行打灯操作，根据模型在实际环境中的亮度、阴影效果等。

3.3漫游巡视

三维场景漫游技术能为学员提供设备巡视与场景故障处理的练习机会，其中以箱柜门打开与闭合、隔离开关以及倒闸操作等为例的动画极多，这不仅是确保用户沉浸感与体验感增强的关键，也是学员身临其境巡视变电站的重要平台，对其全面了解变电站构造或者是现场故障分析与处理模拟等十分有帮助。

3.4虚拟变电站故障仿真

静态故障模拟的方式，主要是通过对程序进行控制，如果發现机箱门没有上锁，通过RotateAround函数进行实现，机箱未锁结构图。在Unity3D中实现动态仿真，通过引擎系统中的粒子系统，可以实现设备着火情况，如果并联电抗器出现着火情况，需要在模型上设置粒子系统，并制作火焰，使模型出现冒烟着火的情况，更改设备的贴图模拟设备着火后的现象，通过调整相应的参数实现着火现象。

3.5适合的交互工具

首先，学员在智能变电站场景内漫游期间，需合理交互场景中的相关设备，在运维操作训练中，学员应根据具体的操作内容，灵活选择诸如电脑钥匙、手电、红外测温仪、万用表等多种类型的设备，尤其在基于虚拟现实技术的培训系统中，良好的操作方式是实现上述功能的关键。同时，考虑到VR市场目前的整体情况，相关人员在设计系统时也要选择最合适的设备，通常情况下需准备一个头戴式显示器以及两个单手持控制器，以及能同时展开显示器与控制器追踪的定位系统。

结语

基于虚拟现实技术的实践教学系统，实现了场景漫游、技能训练、测试分析和信息查询的关键内容。将虚拟现实技术引入电力系统运维检修培训，在保证培训效果的基础上，大大节省教学成本，对提高电力运维检修的效果以及保证电力系统的安全具有至关重要的作用。

参考文献：

[1]吴义纯，周磊，房雪雷，等.变电站开关设备检修虚拟仿真培训系统开发与应用[J].电工技术，2018，（5）.

[2]江龙，张德刚，李泽河，等.基于虚拟现实头盔的沉浸式变电站仿真培训系统设计与实现[J].电工技术，2018，（11）：43-45.

[3]李桐.变电站三维虚拟仿真系统的研究和应用[D].郑州：郑州大学，2018.

（作者单位：国网浙江省电力有限公司检修分公司）