基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统

1.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082

2.常德电业局，湖南 常德 415000

1.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082

2.常德电业局，湖南 常德 415000

1 引言

从竹简到电脑，人类的学习模式一直在不断进步之中，同样电力培训的模式也是在不断地进步与发展。由于电网具有高危险性和不可轻易停电等特殊性，传统的培训方式在电力系统应用的效果不是很理想。比如：传统的基于文字与图片的培训手段，学员现场感差，容易感到枯燥、乏味，效果往往不理想；基于实物的培训，培训投资较大，不适合多人同时进行，操作不当还可能对人身造成危害。

随着虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）趋于成熟，基于虚拟现实技术的仿真培训也变得现实可行。基于VR的仿真培训不仅可以将理论与实际相结合，而且寓教于乐，让学员仿佛如临其境，并通过一定的设备与虚拟世界进行交互。通过仿真培训，学员可以提高电力安全生产作业的技能；通过对过去一些典型事故的学习，可以尽量减少类似事故的发生。

目前我国电力系统研究虚拟技术起步较晚，主要应用还是局限于配电GIS领域，在电力系统培训上的应用基本还处于空白阶段。国外电网在虚拟技术上取得了一定的成果，但是实用化产品还未出现[1-2]。

目前我国一些高校及科研单位已经对虚拟技术开展了研究。按照文献[3]所述，浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口等。正是在国内对虚拟现实技术有了一定的发展的基础上电力安全仿真培训系统才得以实现。

2 系统设计

2.1 系统设计工具的选取

开发基于VR技术的电力安全作业仿真培系统首先要对仿真的方式进行选取。仿真可分为硬件仿真和软件仿真，硬件仿真真实感强，但投资较大，软件仿真易实现网络化，更新换代简单，扩展性强，也更加实用。因此本系统采取软件形式。

系统开发引擎的选取也是一个重要方面。引擎可以为3D系统的运行提供底层技术支撑，可以简化系统开发过程。通过研究，系统选择了Torque Game Engine，后面简称TGE，它是3D计算机游戏引擎的改进，由Dynamix公司于2001年研发。其功能齐全，具有多平台支持、网络多客户支持、专业的骨骼动画系统、无缝结合的渲染等等特性。它的模块主要包括[4]：

（1）平台模块：该模块提供跨平台体系的接口，提供网络通信的接口，并进行图片初始化，记录用户输入及各种事件。

（2）控制模块：该模块同时拥有编译器和解释器。引擎内的所有控键、对象、逻辑以及接口都通过控制模块进行处理。控制模块的语言被称为Torque Script，与C++语言类似，但对于3D系统更具有针对性。

（3）资源管理模块：引擎使用到了许多资源，比如地形文件、模型文件、材质清单、声音以及图片等，并且还提供一个加载和保存资源的通用接口。

（4）网络连接模块：TGE设计的目的就是要提供强大的客户机/服务器网络模拟，因此它支持并能够在Internet上获得良好的网络性能。TGE的网络体系结构主要分为：连接层（Connection Layer）、数据流层（Stream Layer）和仿真层（Simulation Layer）。

2.2 系统关键技术

2.2.1 虚拟场景的搭建

电力安全作业仿真培训系统的开发首先需要众多虚拟场景来模拟真实的电力系统。搭建虚拟场景流程介绍如下：

（1）进行三维建模。三维模型是虚拟场景的基石，是整个虚拟现实的基础。由于TGE建模能力较弱，只能把电网空间信息、工程图纸、技术手册、设备参数、设备维保信息等技术资料有机地整合到一起，来构建独立的模型参数数据库。

再利用基于模型参数数据库的3ds Max等建模工具来进行建模。该技术的原理是将基础特征模型作为标准模型样本，在建立真实模型时通过用户化的参数调整设置模型的特征参数，进而得到所需要的真实模型。该建模方法操作简单直观，是大型城市场景建模的基础，特别适用于电力系统设备的三维建模[1]。

（2）把模型导入TGE。模型在3ds Max搭建好后还要将其导入TGE中，首先就在3ds Max将模型导出为.dts格式文件。因为TGE已经封装好了固定格式的数据类型，模型只需要通过TGE相应的接口就可以加载进入。之后模型要在个人电脑的屏幕上显示，还要进行渲染。渲染是将对象的3D数学模型变换成可以在屏幕上显示的2D图像的过程。在渲染对象时，TGE将计算对象各个不同面的外观，再将这些面转换成2D形式，然后将结果送到渲染卡。引擎内的渲染卡将自行负责渲染的下面的步骤。

（3）地形建模和基于电气连接特性的虚拟场景搭建。地形相对比较简单，在引擎中就可以进行建模，这是TGE自带的功能。再通过TGE的控制脚本语言Torque Script对加载进入的三维模型逐一再进行编辑处理，并结合地形模型就能搭建出需要的虚拟场景。因为电网是一个庞大的系统，仿真这样一个系统需要搭建一个实体众多、运动规律复杂、特效多样的虚拟环境，所以需要一个良好的组织方案。

尽管电网形式多样，但是通过分析电网物理特点，主要可以把它分为输配网和变电站。输配网则主要是以输电杆塔为中心的纵向分布结构。变电站则无论是单母线接线、双母线接线还是一台半断路器接线方式，变电站的结构都是以变压器为基点，以母线为纬线，以间隔为经线的分布结构。基于这个思路，电网设备明显具有二叉空间剖分的特性。因此虚拟电网场景可以采用树型层次结构，按照从上而下的方式搭建场景。场景的空间N叉树组织如图1所示。

图1 场景的树型层次结构图

搭建虚拟场景将按照设定的层次结构进行，每一个叶子节点有自己的位置属性、运动特性及电气特性。节点的电气连接关系通常用树型层级结构来表示。节点与节点之间的距离同时也大于规定的安全距离（10 kV：0.7 m、35 kV：1 m、110 kV：1.5 m、220 kV：3 m、500 kV：5 m）。之所以考虑电气连接特性，因为电网中电气连接特性与空间布局约束具有隐含的对应关系[5]。这样一个N叉树可以看成是一个把地形网格均匀分割的空间BSP树的稀疏矩阵，这样的N叉树比基于均匀分割地形网格的空间BSP树有更高的遍历效率，将大大提高系统搭建的速度。搭建完成的某110 kV虚拟变电站和某220 kV输电线路如图2、3所示。

图2 110 kV变电站

图3 220 kV输电线路

2.2.2 系统可视化交互

虚拟场景搭建好后还要加入动画、交互等元素，因为一个虚拟场景，它要想引人注目，它必须是动态可交互的[6]。这也是模拟现实中的电力生产作业所必需的。

动画的实现首先就是给予一些模型设定好一些动作，这在3ds Max中就可以初步实现，只是那些模型相对于纯静态模型还多带有一些格式为.dsq的文件。模型主要由骨骼和外皮组成，在TGE的数据库中模型的骨骼就是一系列矩阵，而模型附带的.dsq文件则记录着那些矩阵的变化。在TGE中利用Torque Script对这些动作进行编辑处理，就可以生成一些具体的动作列表，并把这些列表按照一定的规律和计算机的输入设备相连。培训人员通过点击鼠标键盘就能控制模型动作，完成需要的各项电力操作。电力安全作业仿真系统的某隔离开关检修现场如图4所示。

图4 隔离开关检修现场

当模型按照培训人员的意愿在虚拟世界进行动作时，碰撞检测这一难题就凸显出来了。简单地说，碰撞检测就是检测不同模型是否发生了碰撞。如果没有碰撞检测，就会产生“穿墙而过”的效果，这将大大降低虚拟环境的真实感。碰撞检测核心问题是物体求交，这需要快速且有效的碰撞检测算法。目前层次包围盒法是应用最为广泛的碰撞检测算法，它检测精度较高，通用性比较强，能适合于复杂物体的各种碰撞的场合[7]。而比较常用的包围盒类型有包围球、轴向包围盒（AABB）、方向包围盒（OBB）等。

包围球算法比较简单，相交测试比较快，而且球体基本不受旋转变换的影响，但其精确度却比较低；AABB轴向包围盒算法构造简单、计算量较小、检测速度比较、快于编程，可是其紧密性一般、精确度一般;OBB方向包围盒算法则精确度最高，可是其原理比较复杂、计算量太大。

由于各类包围盒的应用都有一定的局限性，针对虚拟的电力系统设备多、类型杂的特点，故系统采取了对AABB轴向包围盒算法进行了改进，利用AABB轴向包围盒算法和空间剖分法混合的方法进行检测。

传统的AABB轴向包围盒算法原理如下：

用一个轴向包围盒包含着模型，这个包围盒是一个6面盒状的长方体，其面法线平行于给定的坐标轴，可以定义为：

当两个物体相交时，用一个轴向包围盒A代表物体甲，用另一个轴向包围盒B代表物体乙。A、B平行于坐标轴且刚好将甲、乙物体包含在其中。只有当A、B在三个坐标轴上的投影区间均相交时，它们才相交。这样三维相交问题就转变为一维相交的问题。

如图5所示，分别包围两个物体的轴向包围盒A、B在X轴上投影区间做相交测试。A和B的中心点为Wa和Wb，点Wa和Wb在X轴上的投影分别是Pa和Pb。投影长度的一半分别为Ra和Rb。如果Ra+Rb≤Pa×Pb，则物体甲和物体乙在X轴上不相交。在Y轴、Z轴同理可证。只要有一个坐标轴不相交，物体甲、乙就不相交。

图5 AABB轴向包围算法简单说明图

可以看出AABB轴向包围盒的原理是比较简单的，系统进行检测的数据量相对也比较小，可是其紧密性比较差，当物体没有碰撞时有时也会得到已经碰撞的计算结果，这将降低系统的真实感。所以系统对传统AABB轴向包围盒算法进行改进，采取了两步检测的方法：（1）利用AABB轴向包围盒算法进行快速检测，将一些明显不相交的物体进行快速排除；（2）再利用空间剖分法对那些初步认为已经碰撞的物体进行详细的检测。这样就能同时满足检测速度和精确度的要求。

空间剖分法的原理是将初步判断为已经碰撞的AABB包围盒均匀分割为一些小方块区间。检查这些小方块内的模型，不含物体的区间剔除掉，含有的给予一定的标记，当区间内同时存在两种及以上标记时就能判为发生了碰撞。

空间剖分法算法的步骤为：

（1）将包围盒进行空间分割。

（2）将模型的表面映射到相应的单元格。

（3）遍历单元格，对符合条件的单元格进行相交测试。

系统利用这种结合AABB轴向包围盒和空间剖分法的检测方案原理简单、容易实现，经实验也基本满足了系统的仿真的要求。图6为带电合接地刀闸操作接地刀闸动触头接触到静触头之前的场景，图7为带电合接地刀闸操作动触头碰撞到静触头后发生放电的场景。

图6 场景的树型层次结构合接地刀闸

图7 接地刀闸动触头碰到静触头之后的场景

2.2.3 网络连接

TGE是基于CS模式设计的网络结构模式，服务器和客户机两端各司其职，可获得良好的网络性能。但与传统的C/S模式区别是，采用3层结构的网络连接模式，三层体系结构将应用程序分成三个不同的逻辑层次：表示层、应用逻辑层和数据层，即通常所说的客户端、应用程序服务器、远程数据库服务器。

客户端集中处理数据显示和用户与数据之间的交互作用；应用程序服务用于管理客户端和远程数据库服务器之间的数据传输，协调各用户之间的请求；远程数据库服务器主要完成大部分数据库管理系统应该完成的任务。与传统的两层体系结构相比，使用三层结构的数据库应用程序使软件开发易维护它，保障系统有更高的安全性能。

系统网络连接的关键是加载任务。任务是一个用于描述虚拟场景配置信息的文件，包括虚拟场景中的对象、对象的位置、对象的状态、对象的属性、datablock数据（TGE定义的模型的数据块，用于对对象属性进行说明）等。而加载任务的过程是在创建服务器的最后阶段被调用的，启动加载任务加载到服务器，然后再发送给所有链接的客户端。TGE通过采取一些手段可以解决带宽，数据包丢失和延迟这3个网络连接的基本问题，每台服务器最多可以连接128台客服机[8]。但是由于3D仿真系统数据量比较大，对网络的负担较重，所以还要对网络数据传输进行一些优化。比如，系统设计一个本地预加载任务的策略。在本地机内部创建一个临时的仅用于加载datablock的服务器。在应用程序初始化时就预先加载datablock。用户在进行任务加载时就能感觉加载过程大大缩短了。程序如下：

3 电力安全作业仿真培训系统介绍

3.1 系统简介

电力安全作业仿真培训系统使用了计算机技术、网络技术、虚拟现实技术，并融合电力生产专业知识，为电力企业提供了一个电力培训的平台。系统具有强大的仿真功能，涉及了众多电力生产流程、工器具的使用、通过复现典型的电力生产事故来解读电力生产安规。仿真培训系统可以为电力生产的运行、检修、调度等专业提供基于虚拟现场的全方位培训。在不同地方的培训人员都可以进入同一的平台中，大家一起去了解电力设备的特性、获得电力事故的教训、明白电力系统运行特点、观摩标准化作业的正确流程、掌握电力生产工器具的使用等。系统采用C++作为平台开发语言，平台上提供了虚拟培训、实景培训、电力安规培训三个模块。

3.2 系统功能

对于电力安全作业仿真培训系统的各个模块简单介绍如下，其总体结构图如图8所示。

图8 系统结构图

（1）虚拟培训

本模块应用TGE开发了一个基于虚拟现实的电力培训平台。平台采用Torque Script进行流程控制、SQL 2000数据库记录培训者数据，并结合图片、声音等多媒体技术来辅助模拟真实世界。该平台包含两个小模块：事故案例培训和技能培训。

事故案例培训模块中对过去发生的一些典型事故进行了仿真再现。在以往的事故教育中，一般都是用文字语言把事故表述出来，然后人们在头脑中对事故进行想象。但由于每个人的理解能力不一，这些非直观的理解就可能为以后的工作留下隐患。基于VR技术的培训系统能将过去的一些典型事故逼真地再现，让培训者仿佛置身于真实事故一样，事故发生的起因、经过、结果一目了然。培训者可以得到最深刻的感受、接受到最有效的教育。

技能培训模块首先实现了现实设备的虚拟可视化。培训人员进入虚拟培训平台后，虚拟设备就呈现在培训者的面前，培训者可以主动地在虚拟的电力系统中遨游，可以随意地去了解设备的外部构造、变电站以及输电线路的结构、工作现场的环境等，然后再将感受到的信息经过大脑的思考和分析，形成自己想要的动作或策略，通过输入界面反馈给系统，实现与系统的交互和控制[9]。培训人员通过使用这个模块可以去深入了解电力系统。技能培训模块还仿真了许多电力生产流程，比如：10 kV更换地刀保险、110 kV隔离开关检修、220 kV线路更换绝缘子、变电站倒闸操作、线路巡线等。

虚拟培训集中了现场培训和书本培训的优势，感性认识和动手能力都能够得到提高，同时也减少了物质投入和对设备的损坏。培训人员在虚拟现实中通过交互完成这些流程的培训，既获得理论上的指导又能掌握现场知识，还能通过反复的练习来提升自己的技能水平，掌握标准化作业的正确流程。同时由于TGE具有存储量大、可扩展性强等特点，今后电力生产的众多重要环节都能在系统中得以实现。

（2）实景培训

本模块主要是采用视频拍摄手法，将电力生产的一些环节拍摄下来供电力工作者学习。培训者通过观看视频，看到现实电力系统中标准作业流程，得到一些感性而直观的认识。该模块能增强本系统模拟现实电力作业的真实感，让系统更加全面。

（3）电力安规培训

本模块主要以flash制作的二维动画来演绎电力安全规定的电力安规、触电急救等相关知识。Flash是美国Adobe公司推出的一款多媒体动画制作软件。采用Flash的形式来进行电力安规方面的培训，可以给培训系统注入娱乐性、生动性等元素，让枯燥的东西变得活泼，让培训者对系统产生浓厚的兴趣，主动地进行培训，寓教于乐。同时由于flash具有文件容量小、下载时间短的特点，可以方便系统推广与使用。

3.3 系统应用

本系统提供了一个人机交互的电力安全作业仿真培训平台，是虚拟技术的成功应用。系统将多种培训模式融合，让人有耳目一新的感觉。目前该系统已经验收，并在湖南省电力公司稳定运行，正准备向河南省电力公司推广。

4 结论

基于虚拟现实技术的电力安全作业仿真培训系统是融合了实用性、互动性、娱乐性等特点于一体的电力生产培训系统，其突破了事物传统表达方法的局限，是虚拟现实技术在电力培训上的具体应用。通过完成对三维建模、场景搭建、碰撞检测、网络连接等问题的处理，系统终于搭建成型。其网络培训的模式方便了电力职工的学习；其娱乐性、互动性的特点提高了员工参与培训的兴趣；其高度仿真性的特点提高了培训的效果；其纯软件的形式大大节约了培训的费用。

[1]单业才，朱传柏，郭创新，等.城市电网空间三维可视化信息平台技术构架[J].电网技术，2007（10）：29-34.

[2]Losa A，Cervelle B.3D topological modeling and visualization for 3D GIS[J].Computer and Graphics，1999，23：469-478.

[3]姜学智.李忠华国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（2）：239-240.

[4]Acharya T.数字图像处理：原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2007：104-158.

[5]侯俊，李蔚清，林昌年.变电站三维交互场景仿真关键技术研究[J].电网技术，2005（29）：70-75.

[6]Anderson B，McGrath A.Strategies for mutability in virtual environments[C]//Virtual Worlds on the Internet.Los Alamitos，Calif：IEEE CS Press，1988：123-134.

[7]刘翼.三维游戏中碰撞检测算法的研究与实现[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[8]Finney K C.3D game programming all in one[M].[S.l.]：Cengage Learning，2006.

[9]周泽伟，冯毅萍，吴玉成，等.基于虚拟现实的流程工业过程模拟仿真系统[J].计算机工程与应用，2011，47（10）：204-208.

基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统

陈奇朋1，罗滇生1，胡 强2，何洪英1，康 童1，毛 田1，谢夏慧1

CHEN Qipeng1,LUO Diansheng1,HU Qiang2,HE Hongying1,KANG Tong1,MAO Tian1,XIE Xiahui1

1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China
2.Changde Electric Power Bureau,Changde,Hunan 415000,China

This paper introduces a simulation training system for electric power safety designed from angle of skills and safety training,combing the power grid’s physical characteristics and virtual reality techniques.The article presents the main key technologies such as 3d modeling technology based on the model parameter database,virtual scene building technology based on characteristics of electrical connections and internet connection technology used in the system.And the paper describes the three large modules including virtual training,imaging training,electric power safety training in detail.This system brings a new look to the power companies and also does great benefits for the enhancement of the operators’skill level and the improvement of their security awareness of operating.

virtual reality;three-dimensional modeling;visualization;network connection

从技能和安全培训的角度出发，将电网物理特点和虚拟现实相结合，设计了电力安全作业仿真培训系统，介绍了系统包含的基于模型参数数据库的三维建模技术、基于电气连接特性的虚拟场景搭建技术、可视化交互技术、网络连接等关键技术，详细介绍了系统的虚拟培训、实景培训、电力安规培训3个大模块。系统的开发给电力企业培训带来了新的面貌，对于提升作业者技能水平、提高作业人员安全作业也大有裨益。

虚拟现实；三维建模；可视化交互；网络连接

A

TP391.9；TM743

10.3778/j.issn.1002-8331.1110-0114

CHEN Qipeng,LUO Diansheng,HU Qiang,et al.Power safety simulated-training system based on virtual reality technology.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：232-236.

湖南省自然科学基金委员会与衡阳市政府自然科学联合基金资助（No.11JJ8003）。

陈奇朋（1984—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统虚拟可视化；罗滇生（1971—），男，博士，教授，研究方向为电力系统虚拟可视化、电力市场理论及其应用；胡强（1975—），男，工程师，研究方向为电网规划与工程前期；何洪英（1976—），女，博士，讲师，主要从事户外线路高压绝缘检测、户外线路覆冰检测、图像处理等方面研究；康童（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电力市场软件开发；毛田（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力市场软件开发；谢夏慧，女，硕士研究生，研究方向为高电压试验。E-mail：372922558@qq.com

2011-10-10

2011-12-05

1002-8331（2013）11-0232-05

CNKI出版日期：2012-03-08 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120308.1520.020.html