VR技术在智能化供用电仿真培训领域的应用

宁波市电力设计院有限公司 张 帅 严浩军

VR技术在智能化供用电仿真培训领域的应用

宁波市电力设计院有限公司 张 帅 严浩军

VR仿真培训就是创建出一个和实际情况一样的虚拟工作场景，学员可以在虚拟的工作场景中对虚拟的设备进行操作，完成工作流程模拟。因此，可以通过VR仿真培训的模式实现智能化供用电运行培训，同时利用各种沉浸式硬件外设，可以加强学员培训过程中的进入感，强化培训效果。

一、VR虚拟现实技术在智能化供用电仿真培训中的运用

仿真和VR培训就是创建出一个和实际情况一样的虚拟工作场景，学员可以在虚拟的工作场景中对虚拟的设备进行操作，完成工作流程模拟。因此，可以通过仿真VR培训的模式实现供用电运行培训，同时利用各种沉浸式硬件外设，可以加强学员培训过程中的进入感，强化培训效果。

供用电仿真培训系统的研究与实现，可以让变电站运行人员更加直观的熟悉其工作场景，也可作为新变电运行人员的初始培训内容，通过该系统学员可以在实地工作之前对工作场景、工作内容和工作标准规范进行充分了解，为即将开始的工作做好最充分的技术准备。日常巡视方面，员工可以利用系统中的定点传送功能，实现各巡视点的快速巡视，学员可以在和现实变电站环境一样的虚拟变电站场景当中，完成日常巡视的模拟，并且不再需要像现实当中一样将大量的时间花费在场地的往返上，学员只需要利用HTC VIVE设备中的手柄瞬移功能，便可以立刻到达虚拟变电站场景当中的各个角落，对各巡视点进行巡视。

二、虚拟变电站仿真培训系统的设计

本项目中将以先进的三维建模技术、虚拟现实技术、人机交互技术为核心，并综合应用沉浸式硬件外设（如HTC VIVE设备、空间动作捕捉设备等），研究开发沉浸式VR供用电仿真培训系统。

仿真软件支撑平台的架构主要包括两层：其中一层为连接系统平台和外部显示设备和输入设备的接口层，接口层中主要包括图形用户接口、输入控制接口及其他一些输入输出接口；另外一层为实现系统平台主体功能的功能实现层，主要包括UI设计模块、角色设计模块、任务设计模块、触发设计模块、动作设计模块、资源管理模块等。

图形用户接口：仿真软件支撑平台上将实现一系列友好的用户界面并通过显示设备展现给用户，用户通过这些界面可以使用平台中实现的各种设计、配置和展示功能。通过图形用户接口可以很直观的实现用户和系统的交互，也即人机交互，从而实现良好的用户体验。

输入控制接口：输入控制接口用于接收用户的所有输入控制信息，如鼠标键盘等常规输入设备控制接口，也包括kinect等空间动作捕捉设备的控制接口。输入控制接口将用户的各种控制信息，解析后转换为对系统中各个细节的控制，如虚拟角色在变电站场景中漫游，操作设备面板等。

其他输入输出接口：系统平台中还将预留输入输出控制接口的基本模板，用以实现系统后期输入控制和输出显示扩展。

UI设计模块：UI设计模块是仿真软件支撑平台中实现人机交互的一个重要模块，它包括样式设计、控件设计和界面设计等3个子模块，通过这3个子模块共同完成。各种用户界面的设计，包括变电站中后台界面的设计、各种电气设备操作面板界面设计、表计界面设计。其中样式设计子模块实现各种界面、控件的外观自定义设计；控件设计子模块完成各种用户界面上按钮、标签等操作单元的自定义设计；界面设计子模块完成各种界面的底图框架设计。

角色设计模块：虚拟人，也即虚拟角色的场景漫游功能是沉浸式变电虚拟仿真实操培训系统的特色功能，也是基础功能之一。而角色设计模块就是专门为仿真软件中角色漫游提供的配置功能模块，通过此模块可以对虚拟角色的各个方面进行参数设置，如角色在场景中的虚化角色模型、漫游速度、重力系数、弹跳系数，初始坐标、方位等。

任务设计模块：沉浸式变电虚拟仿真实操培训系统中需要实现各种倒闸操作、事故处理及日常巡视的模拟，这些工作都需要遵循特定的工作流程和标准规范进行，因此需要以任务的形式进行设计。通过任务设计模块可以对参与任务的角色数量，任务的内容，每个操作步骤/任务项的细节（如操作角色、操作对象，分数等）进行设计。

触发设计模块：要实现用户和三维场景的交互，空间触发是必不可少的，通过空间触发可以获取用户在三维空间的操作信息，并将这些操作信息发送给系统，由系统控制三维场景做出相应的变化，以响应这些操作。通过触发设计模块可以在三维空间中任意位置放置空间触发，设置触发大小，方位，并为触发绑定若干响应事件，如鼠标单击事件，进入事件等，最后为相应的响应事件绑定响应动作，便可实现用户与虚拟场景的三维交互，如通过鼠标在虚拟设备开关上进行点击控制设备动作等。

动作设计模块：动作是三维场景中所有动态展示的总和，如一张用户界面的显示、开关的分合、信号灯的亮灭，接地线的挂上和拆除等。通过动作设计模块，可以实现动作标识的设置、动作的类型（如界面显示动作、设备动画播放动作、信号灯信号切换动作等）的设置、动作参数的设置等，同时通过动作设计模块中的预览功能可以对各工作进行预览，从而快速查看动作产生的效果。动作设计模块是强化3D展示，丰富UI交互的重要功能模块。

资源管理模块：所有系统的设计过程当中都需要用到各种各样的资源，如文件素材，多媒体资源等，沉浸式变电虚拟仿真实操培训系统也不例外。资源管理模块就是对所有的项目资源进行管理和维护（添加和删除），以实现系统运行过程中的快速调用，如显示一张图片，播放一段视频等。

三、虚拟变电站仿真培训系统的实现

本系统的实现工具如下所示：

主要建模软件：3ds Max、Maya

主要开发语言：Java Script，C#，C++

数据存储方式：外部数据文件（XML、Oracle数据库）

主要开发工具：Unity3D 5.5.0

具体实现以下几个功能：

1）场景文件导入和导出功能

主要包括原始场景文件的导入以及编辑好的场景文件的导出等功能。软件中可以进行场景文件的导入，并对导入的场景文件进行设计，包括空间触发设计、用于界面设计、操作条件设计等；设计好的场景文件也可以导出为外部文件。

2）考核任务设计功能

用户可以为场景新建一个考核任务，并将操作步骤添加到任务当中。同时可以随时修改或删除考核任务中的已有操作步骤，也可以调整任务中操作步骤的排列顺序，完成的任务信息可以进行实时保存。考核任务设计模块可以三维场景为背景设计各种业务流程以及三维交互培训任务。

3）用户界面设计模块

用户界面设计模块包括新增用户界面、用户界面基本信息编辑功能、用户界面尺寸编辑功能、用户界面样式编辑功能、用户界面布局编辑功能、用户界面删除功能以及用户界面保存功能。在三维仿真考核软件中，仅仅通过空间触发来完成所有的三维交互，会使项目的设计工作量和复杂程度大大增加，很多场合下，使用用户界面往往可以达到更好的三维体验效果。

4）用户控件设计模块

用户控件设计模块包括新增控件到界面、控件基本信息编辑功能、控件尺寸编辑功能、控件样式编辑功能、控件删除功能、控件保存功能、控件响应信息设计功能、控件响应信息设计等功能。控件是用户界面上必不可少的组成要素，绝大多数交互都通过界面上的控件来完成，界面设计的主要工作量也用于控件设计。用户同样可以对控件的尺寸、样式进行设计，并对已有的空间进行修改或删除操作。所有的控件信息在用户界面保存时，会作为界面的附属单元信息被保存。

5）界面样式设计模块

界面样式设计模块包括新增界面样式、样式基本信息设计功能、界面样式删除功能、界面样式保存等功能。所有界面及控件的样式首先都要在界面样式设计模块中进行设计，样式是界面和控件给用户的直观视觉感受，界面及控件样式设计的好坏，会大大影响用户的交互体验。通过界面样式设计模块，可以新增界面样式，也可以对已有界面样式进行修改或删除，并实时保存设计好的样式。

6）动作设计模块

动作设计模块包括新增动作、动作类型选择、动作参数设置、动作删除功能、动作信息保存等功能。动作是三维交互设计中的重要组成部分，它是三维空间动态可交互的首要条件。动作是各种空间触发和控件触发的细节实现，如显示或隐藏某个界面、点亮或熄灭某盏灯等等，都属于动作。

用户可以新建各种类型的动作，对已有动作进行修改和删除，并实时保存设计好的动作信息。

7）条件设计模块

条件设计模块包括新增条件、条件信息设计功能、条件信息设计功能、条件信息保存功能。条件同样是三维交互设计中的重要组成部分，现实中很多事情的发生都有一定的前提条件，条件设计模块便是用于这种场合。用户可以选择为某个事件绑定条件，也可以不绑定。

用户可以新建各种类型的条件，对已有条件进行修改和删除，并实时保存设计好的条件信息。

8）知识库设计模块

知识库设计模块包括新增知识项、知识项内容设计功能、知识项删除功能、知识项保存等功能。知识库可以为考核任务提供全面的在线帮助功能，用户可以新建知识项，为每个知识项设计知识内容，内容包括文字、图片、音频和视频。用户可以随时打开知识库模块查看对应的知识项。用户可以新建各种知识项，对已有知识项进行修改和删除，并实时保存设计好的知识库信息。

9）场景配置模块

场景配置模块主要包括场景基本信息配置功能、场景环境信息配置功能、任务角色信息配置、小地图配置功能。基本信息配置用于对场景文件的名称、场景图片等信息进行配置。环境信息配置主要用于对体验环境进行配置，包括背景音乐、环境颜色、渲染通道类型和视距等属性进行设置。角色信息配置主要用于对角色名称、角色对象、角色属性、碰撞外形、漫游参数等属性进行设置。

10）资源管理模块

资源管理模块包括图片资源导入和导出功能音频资源导入和导出功能、视频资源导入和导出功能以及天空盒导入和导出功能。

四、结束语

随着时代的发展以及科学技术的进步，虚拟现实技术在社会生产、生活中获得了广泛的运用。VR仿真培训就是创建出一个和实际情况一样的虚拟工作场景，学员可以在虚拟的工作场景中对虚拟的设备进行操作，完成工作流程模拟。因此，可以通过VR仿真培训的模式实现智能化供用电运行培训，同时利用各种沉浸式硬件外设，可以加强学员培训过程中的进入感，强化培训效果。

张帅（1988—），湖北宜昌人，工程师，现供职于宁波市电力设计院有限公司。

严浩军（1963—），男，浙江余姚人，高级工程师，现供职于宁波市电力设计院有限公司。