基于VR的电力通讯故障检修培训系统设计

柳青，胡大炜，杨炳勇，吴超，王治宇

（国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司，内蒙古自治区兴安盟乌兰浩特市 137400）

0 引言

VR虚拟现实技术是计算机仿真技术的一个重要研究方向，是为了综合利用多种技术实现和虚拟环境进行人机交互，生成一个逼真的视觉体验场景的技术，是一个具有挑战性的研究领域。虚拟现实技术主要包括环境搭建、感官体验、技能实现和传感设备交互等方面。环境的搭建是利用3DMax、UG等三维模型软件进行三维模型的构建，然后生成相应的文件格式导入Unity3D中搭建出实时动态的三维立体逼真虚拟环境，理想的环境搭建应该达到让用户难辨真假的程度。感官体验是指不仅拥有计算机视觉感知，还拥有听觉，触觉等感知。技能实现是指人通过虚拟现实头盔（HMD）获得场景的画面信息，用户通过输入指令，计算机来处理生成和用户输入指令的相适应的信息。传感设备交互是指三维交互设备，是用户利用动作捕捉设备、光学跟踪技术等数据传感设备，实现与虚拟环境中的物体或者环境进行交互和感知，达到较强的仿真体验[1]。

目前对电力光纤故障检修操作人员的培训仍停留使用教学视频进行教学或者现场真实培训等传统的培训阶段。通过教学视频进行教学培训，学员无法获取实际操作经验，只能学习理论知识，在实际操作中仍然会遇到很多问题，并且会浪费学员大量宝贵时间。现场操作真实培训不能同时培训多个学员，培训效率比较低，电力检测都是带电操作，学员在培训中极易遇到危险，并且设备损耗也给企业浪费了大量资金。VR培训系统可以解决传统培训系统难以解决的问题，操作人员可以在没有任何危险的情况下完成整个培训操作，并且可以反复使用，为企业节省了许多培训成本[2]。

本文将重点阐述电力通讯故障检修培训系统的设计内容，设计内容包括场景搭建设计和系统程序设计，场景搭建设计分为室内电力光纤检测场景设计和室外电力光纤维修场景设计。系统程序设计是基于Unity3D引擎平台，利用面向对象的C#语言编写脚本实现。

1 系统设计

基于VR的电力通信故障检修培训系统功能模块如图1所示。

图1故障检修培训系统功能模块

其中，培训的内容在场景中主要以文字界面的形式呈现并带有语音提示，使操作人员能够清楚的明白具体的操作步骤，可以减少操作过程中容易出现的错误。培训的目的是为了使操作人员在虚拟环境中掌握真实环境中的光纤故障检修的技能，操作的步骤是先在室内场景1中查看计算机确定线路是否出现问题，然后携带检测设备到场景2中进行线路检测，确定线路损坏的具体位置，根据检测报告驾驶维修车携带维修设备去室外场景进行维修；检测设备学习模块主要以演示设备功能和使用方法为主，操作人员需要在培训人员的指导下切实掌握检测设备的功能和使用方法。设备功能和使用方法主要包括五种光纤钳的具体使用顺序和使用方法、切割机的使用方法、熔接机的使用方法及光线反射仪的功能，在设备的操作过程中要切实掌握操作的要领，以免在复杂的操作中出现错误；技能培训模块是虚拟现实人机交互的核心部分，根据Unity3D脚本来实现人机交互的所有功能，操作人员戴上头盔之后就进入了虚拟环境中，在语音和文字界面的提示下，操作人员能够按照要求完成光纤故障检修的所有内容，完美地再现了真实操作中的具体步骤。

系统的设计可以让操作人员进行无限次数的操作训练，不仅增加了操作人员的熟练度，还可以减少培训资金。在系统设计中增加了系统设置报错和提醒功能，能够让操作人员及时的发现操作过程中的错误，以至于能够及时改正。

2 基于Unity3D的场景搭建设计

虚拟现实领域离不开三维大规模场景的建立，而场景的建立又与3DMax、Maya等基础的三维建模工具密不可分。本项目选用3DMax 2017建模软件进行三维模型的建立，然后导入Unity3D进行场景构建。

图2建模流程图

首先，在培训现场进行实物数据采集，准确地测量出物体的尺寸大小以便于在后期的模型制作中建立同等大小的物体模型，并切要在现场取景拍照，利于计算机技术制作出和实际场景模型表面图形一致的贴图；然后根据已有的实物数据和实物图像建立三维模型，在建立三维模型时要根据动画渲染的要求来建立满足实际要求的三维模型，这些模型通常都要实现自己独特的功能，所以模型建立时必须考虑物体的独特性采取适合实物的建模方式；最后导出.fbx格式的文件导入Unity3D中对模型进行优化和渲染，使其和实物模型完全一致，最好能够达到以假乱真的效果。具体导出流程如图3所示。

图3模型建立流程图

场景搭建设计包括室内场景搭建和室外场景搭建，室内场景搭建又分为电脑报警查询场景和光纤连接检测场景搭建。两个室内场景的搭建是联通的以便于查询报警后立刻能够去检测。电脑报警查询场景搭建比较简单，操作人员进入室内通过操作电脑，电脑显示线路是否连接，如果连接失败进入第二个室内场景进行光纤连接检测。光纤连接检测场景搭建比较复杂，设备比较繁多，不仅要考虑设备位置摆放的合理性，还要考虑室内场景的美观性。室外场景搭建包括检修车道路行驶场景和光纤熔接维修场景搭建。检修车道路行驶场景搭建主要是维修设备的装卸，光纤熔接维修场景搭建主要是各种维修设备的摆放和维修实验台的搭建各种场景的搭建都要按着和实际场景1:1的比例来进行模拟环境搭建，尽可能搭建出人眼难以辨别真假的虚拟场景。

3 基于Unity3D的程序设计

电力检测操作培训系统是基于Unity3D引擎平台，利用面向对象的C#语言编写脚本实现的，程序设计中包括场景类图和实体类图，面向对象程序设计的场景类图如图4所示。

图4面向对象程序设计场景类图

程序中所有场景类都继承了ISceneManger父类，在场景类图中，有三个场景管理器，分别对程序中的三个场景进行控制，初始化以及回收实体等。

图5面向对象程序设计实体类图

实体类都继承了AEnity父类，且由实体管理器EnityManger类进行管理，这些类中声明了程序中用到的方法和属性。

在实体类图中，基类AEntity中定义了实体的创建、初始化，及销毁的方法；各个继承该类的实体类均可以继承重写这些方法；在实体类图中，还有各种实体的类，它们中各自定义了自身的属性和需要使用的方法，例如：门的类：Door类中有开门的方法（Open（））和关门的方法（Close()）；光时域反射仪的类：OTDR类中有属性接口（port）以及使用OTDR的方法（Test）等。

面向对象的设计类图利用C#编写脚本实现了如下几个交互功能：

（1）利用手柄实现与系统中UI界面的交互：用户可通过按下手柄的Trigger键发射射线与系统中的提示UI、菜单、以及各种仪器的操作界面进行交互。

（2）对物体抓取和触碰进行交互：用户可以通过按下手柄的Grab键抓取物体实现使用光时域反射仪（OTDR）检测故障时光纤的连接、剥光纤时对各种钳子的拿取，以及对熔接光纤时对光纤的拿取等；

（3）按下手柄触摸板进行移动：用户在系统内可以通过按下手柄的Touch面板进行前后左右的移动。

系统还实现了如下的告警功能：

（1）在使用光时域反射仪（OTDR）检测故障时，连接OTDR和机柜的线需要按顺序插，如果插错，会产生报警声音。

（2）在使用钳子对光纤剥层时，必须按顺序使用钳子对光纤剥层，如果拿错钳子，系统语音提示拿取错误。

（3）在熔接光纤时，如果光纤没有进行切割或者没有擦拭，以及擦拭不干净，熔接机系统界面会出现熔接失败界面，此时应重新切割或擦拭。

4 结语

首先根据光纤熔接具体要求规范操作流程，进行虚拟场景设计，确定对光纤、光缆剪、光纤熔接机、检测仪器等利用3DMax软件进行三维建模与渲染，之后在Unity3D软件上编程实现光纤熔接的每一个步骤，结合HTC VIVE头显设备，实现对电力通信检修人员的光纤熔接培训，将虚拟现实与工业具体实例化操作相结合，解决了企业当前针对电网检修人员培训难的难题，满足了企业需求。