基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统开发应用.pdf

基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统开发应用 摘要：变电站作为电力系统的关键设备，直接影响着电力的稳定性。本文以500kv 变电站为例，构建基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统，利用 3DS MAX 软件建模，对虚拟场景进行优化，使人在 500kv 变电站中进行游览体验。关键词：虚拟现实技术；变电站；仿真；应用 为了优化电力输送，降低能源消耗，加快现代化建设，我国提出了“智能电网”建设，改善资源配置，提高电网的安全稳定，加强电网与用户之间的互动，让电网能够发挥出更加重要的作用。电力规模不断扩大，自动化水平不断提升，使得变电站的运行与维护都变得日益复杂。基于此，利用虚拟现实技术构建变电站仿真培训系统，通过虚拟现实技术对员工进行培训，提高了沉浸感，避免了安全隐患，提升了培训效果，保证了电网的安全运行。1.变电站仿真培训系统总体设计 本文计划开发出一套现代化的仿真培训系统，以 500kv 变电站为例，开发流程如图 1 所示1。图 1：系统流程开发 2.搭建虚拟现实变电站 2.1 建立几何模型 在虚拟变电站的场景这能够建立各种电气设备模型。（1）长方体建模：结合图纸数据，采用描点法画出设备的轮廓，然后通过后期贴图进行处理，长方体建模是一种最基本的建模方法，一些非规则的图形都可以用长方体代替；（2）圆柱体建模：3DS MAX 软件中采用的正多边形会影响模型的效果，达不到较好的真实感，采用近似圆的图形进行建模，可以达到较好的效果；（3）绝缘瓷套管建模：变电站中有很多绝缘瓷套管，但是在进行模型搭建时会占用大量的内存，它是一种不规则形状的圆柱体，采用“车削”进行建模，先描绘出瓷瓶的轮廓，然后进行“车削”，调整轴半径，完成建模2；（4）管道建模：管道在变电站中多为矩形，为了提高模型的逼真度，先结合现场的图片确定管道的几何外形，然后通过描点确定路径；通过图纸确定外形，最后“放样”，完成管道建模。2.2 模型纹理库 完成几何建模后需要对设备模型进行纹理细节处理，通过纹理映射技术对贴图进行编辑，使用纹理技术能够增加物体的真实感。纹理制作需要在 3DS MAX 软件中进行处理，然后在导入 Unity3D 中进行优化调整。2.3 模型组装与布线 对模型进行组装并布线，将单独建立的模型组建成变电站的场景，然后根据图纸将设置各个电气的位置，组装完成后进行布线。虚拟变电站与现实中的变电站一样，布线复杂，是最为麻烦的异步，需要明确各个设备的电压等级以及接线方式，采用分层编号法将各个电压先编号，能够减少失误。建立 500kv 的变电站3，需要注意线缆的型号、间距，合理分段，节省内存。2.4 动画开发 对于容易实现的动画，只需要使用到移动和旋转等操作即可；对于难以实现的动画，牵涉到的动画过程较多，不能在引擎中实现，需要在 3DS MAX 中开发动画，然后在 Unity3D中控制混合开发方式；对于混合开发的动画，现在虚拟变电站中进行开发，然后导出，放在Unity3D 中进行整合。2.5 导出模型 在导出之前，需要调整轴中心的位置，检查各个设备的法线方向是否正确等工作，正常情况下如果按照设计步骤进行建模，不会出现较大的失误，但是会出现或多或少的问题，比如背面消隐。电气设备作为仿真培训系统的重要基础，建模的效果直接影响到系统最终呈现的效果，因此建模完成后需要对模型进行全面检查，避免发生较大的失误。3.仿真培训系统的功能开发 3.1 基础场景 在导入模型之前，需要现将模型以.FBX 格式将其导出，然后在 Unity3D 中做功能开发，提高人们的沉浸感。搭建系统模型与开发功能是两个不同的软件，因此需要全面考虑软件兼容的问题，比如单位换算、重置变换、背面消隐以及材质调整等问题。因为两个软件中的单位大小不同，要注意单位的换算，避免发生冲突；Unity3D4引擎中默认为世界坐标，如果不做调整将会发生角度偏移问题；搭建模型时会将背面消隐关闭，导致物体出现法线错误等问题，需要将背面效隐开启；调整材质的颜色，避免发生材质颜色变异的问题。3.2 虚拟变电站管理功能的实现 为了便于对仿真系统进行更好的管理，为每一位学员设置一个对应账号，记录学员的学习进度，培训学院能够相互沟通交流，通过 UI 制作注册登陆界面。为了便于学员更好的理解变电站中涉及的内容，在程序中加入仿真培训菜单、漫游菜单等设计，点击各个模块可以进入到相应的培训功能中。3.3 仿真培训功能 在仿真培训的模式下，可以选择电气设备学习模式或者基本操作模式，电气设备需要通过程序进行控制，学习电气设备的型号以及工作原理等内容。在变电站中，有很多电气设备，学员要正确掌握电气设备的使用，电气设备的学习与掌握是虚拟变电站仿真培训系统的重点。因为变电站中涉及到的设备种类繁多，每一种设备的参数各有不同，需要了解设备的运转机理，但是对于教员而言工作量较大，不利于学员的记忆。为了提高培训的效率，本系统中采用文本混合语音的形式，对各个电气设备进行内容的显示与语音解读，通过语音介绍能够让学员更快的理解知识。3.4 漫游巡视功能 漫游功能是本系统的重点，人物进行漫游时分为正常漫游与故障漫游，在系统中加入了小地图，能够准确显示人物的所处位置，漫游巡视功能中加入了摄像器与控制器，通过控制器对变电站进行检测，实现数据观测的功能；将控制器绑在机器人身上可以实现数据的采集，学员可以通过移动键盘鼠标控制小地图的方向，让学员能够准确知晓自己所处的位置，实现自动漫游的功能。漫游巡视功能中一个常规漫游模式，重点是为了方便教员对学员进行培训，起到一定的引导作用，通过键盘的按键实现人物的移动；通过小地图进行自动寻址；通过无围栏查看变电站的电气设备使用情况，加入这些功能的目的是让学员能够感受变电站的展示运行情况，对变电站的运行环境更加熟悉。为了方便学员可以更好的了解变电站的整体运行情况，系统中的飞行模式可以让学员上升到不同的高度，方便对设备进行检查。结束语：建立基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统，利用 3DS MAX 进行建模，利用Unity3D 进行功能的开发，结合虚拟现实技术实现真实感，通过仿真系统培训，提高了工作人员的工作素质，激发了学员的积极性，提高了培训效率，让学员能够沉浸其中，达到漫游巡视的效果。参考文献：1 李鸿佐,韩冰,陈盟.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的研究J.建筑工程技术与设计,2017(20).2 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).3 唐洪良,骆志刚.基于虚拟现实技术的配电线路巡检虚拟仿真培训系统J.科技创新与应用,2013(29):56-56.4 李桐.变电站三维虚拟仿真系统的研究和应用D.郑州大学,2016.