許春香，許海濤，胡大海

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，鄭州 450044)

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，“智慧電網(wǎng)”“智慧城市”和“智能家居”等諸多新概念與技術(shù)的提出，新供配電設(shè)備和與之配套的保護(hù)設(shè)備在變電所得到廣泛應(yīng)用，其運(yùn)行操作進(jìn)程也趨于復(fù)雜。變電所對(duì)設(shè)備維護(hù)人員的操作水平和故障發(fā)現(xiàn)與處理能力要求越來(lái)越高，而變電所運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備缺乏足夠的了解。電力系統(tǒng)(強(qiáng)電系統(tǒng))存在高危險(xiǎn)性，其在供電過程中的連續(xù)性要求，使得變電所在培訓(xùn)和教學(xué)中難以進(jìn)行實(shí)際操作和故障演練[1]。因此，研究如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，構(gòu)建人性化、實(shí)用化的培訓(xùn)平臺(tái)，提高對(duì)變電所運(yùn)行維護(hù)員工培訓(xùn)質(zhì)量，改善培訓(xùn)效果，從而增強(qiáng)員工專業(yè)技能，是變電站培訓(xùn)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)源于美國(guó)，具有三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互能力以及給人們帶來(lái)身臨其鏡的感受，從而改變了人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的交互現(xiàn)狀，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于商業(yè)、設(shè)計(jì)、教育、軍事、醫(yī)學(xué)和娛樂等領(lǐng)域，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。Web 3D技術(shù)是B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于Web 3D技術(shù)的變電所培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)變電所教育培訓(xùn)領(lǐng)域的嘗試。Quest 3D軟件是一款優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)軟件。虛擬變電所在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)變電所的實(shí)際設(shè)備布局、設(shè)備構(gòu)造與功能，運(yùn)用3D MAX軟件建模并渲染，并將模型導(dǎo)入Quest 3D，利用Quest 3D中豐富的預(yù)設(shè)通道(Channel) 技術(shù)搭建了變電所仿真培訓(xùn)系統(tǒng)?，F(xiàn)代變電所設(shè)備隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷更新，研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電所仿真系統(tǒng)，不但能夠?qū)υ性O(shè)備的功能進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)也能以虛擬仿真形式展現(xiàn)新引入的變電所設(shè)備，大大提高了變電所員工熟悉和掌握新設(shè)備的能力。該培訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要是可以降低培訓(xùn)成本、節(jié)約培訓(xùn)時(shí)間、利用率高、減少“誤操作”風(fēng)險(xiǎn)、易于維護(hù)和升級(jí)等，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1 Quest3D軟件介紹

Quest3D軟件是Act-3D 公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣闊的實(shí)時(shí)三維項(xiàng)目制作軟件，它能夠?qū)D形處理、聲音、網(wǎng)絡(luò)、交互設(shè)計(jì)、人工智能等技術(shù)融為一體，展現(xiàn)虛擬場(chǎng)景、設(shè)備、人物等復(fù)雜內(nèi)容，是眾多虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)公司的首選[3]。Quest 3D 是基于DirectX引擎，通過通道式(Channel)程序創(chuàng)建方式，可以輕松創(chuàng)建效果絢麗的三維交互程序，避免了開發(fā)人員編寫大量復(fù)雜代碼的工作。當(dāng)需要某些特殊功能時(shí)，可以使用SDK 的二次開發(fā)功能為Quest3D 添加新的通道(Channel)，提高了變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可重用性[4]。該培訓(xùn)系統(tǒng)為學(xué)員提供了更全面具體的知識(shí)系統(tǒng)，友好交互功能的實(shí)現(xiàn)能夠提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率。

2 變電所虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Web 3D技術(shù)的變電所培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。首先根據(jù)變電所功能要求和每個(gè)設(shè)備布局的情況，結(jié)合變電所上級(jí)主管部門的培訓(xùn)意見，制定符合本變電所員工的培訓(xùn)方案，然后采用3D MAX 軟件建立變電所設(shè)備模型并將此模型導(dǎo)入Quest3D 軟件中。接下來(lái)在Quest3D 環(huán)境下，根據(jù)變電所設(shè)備正常運(yùn)行的工藝流程，通過模型交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變電站的仿真并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔美觀的運(yùn)行界面。最后，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)布成可執(zhí)行程序的形式。

圖1 基于Web 3D技術(shù)的變電所培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.1 制定詳細(xì)培訓(xùn)方案

以典型的變電所設(shè)備為例，如變壓器、高/低壓配電柜、斷路器、接觸器和設(shè)備儀表等，讓員工了解其外形、內(nèi)部構(gòu)造、常見故障和操作注意事項(xiàng)，并且根據(jù)設(shè)備的外觀特征和動(dòng)作特性，確定需要建立的模型以及要實(shí)現(xiàn)的功能。變電所場(chǎng)景主要是變電所內(nèi)部環(huán)境，場(chǎng)景模型盡量符合常見變電所的裝修風(fēng)格。

2.2 運(yùn)用3D MAX建模

3DMAX 軟件為一款經(jīng)典的3D建模軟件。常見的三種建模方法為多邊形、面片及NURBS建模。對(duì)于變電所的各種虛擬軟件(變壓器、高/低壓配電柜、斷路器、各種控制屏等，如圖2至圖4所示)本身的外形特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳圖來(lái)說，采用多邊形建模的方法基本上可以滿足設(shè)計(jì)要求。建模過程中要注意通過點(diǎn)、線和面相結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)作、分析和修改，該種模型布線控制相對(duì)容易，隨意在模型上添加需要的要素，就能達(dá)到減少大規(guī)模修改的可能，同時(shí)也避免了模型導(dǎo)入到Quest 3D后出現(xiàn)重大錯(cuò)誤問題等。此外，在運(yùn)用3D MAX建模過程中要遵循一定的原則，從而提高整體的建模效率，改善建模效果，提升模型的完整性。例如，在不影響顯示效果的前提下，多使用優(yōu)化器進(jìn)行全面優(yōu)化，盡量降低對(duì)象模型面數(shù)；一邊建模一邊刪處冗余部分，如及時(shí)刪除多余的點(diǎn)和邊，簡(jiǎn)化模型數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；多使用快捷工具欄，例如，多使用系統(tǒng)的對(duì)齊工具，配電屏、配電柜等原件排列整齊，提高建模效率；建模時(shí)所有對(duì)象的貼圖放在統(tǒng)一的文件夾類中，因?yàn)閷?dǎo)入模型后的Quest 3D運(yùn)行只支持檢索一個(gè)指定的貼圖目錄；做好前期工作，如為增強(qiáng)建模和表現(xiàn)最終的渲染效果，可以在3D MAX創(chuàng)建的過程中確定合適的自由相機(jī)確定視域和視高[5]。這些技巧的掌握會(huì)對(duì)建模的質(zhì)量和速度起到事半功倍的效果。

圖2 變壓器模型

圖3 變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)

2.3 模型導(dǎo)入Quest 3D軟件

將采用3D MAX建立好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到虛擬平臺(tái)Quest3D 中，供后續(xù)的模型交互設(shè)計(jì)工作，根據(jù)變電所正常的操作規(guī)程，實(shí)現(xiàn)各功能部件之間的模擬操作。此外，在模型導(dǎo)入的過程中要十分注意模型文件格式的設(shè)置及轉(zhuǎn)換，減少錯(cuò)誤。例如，因?yàn)镼uest 3D中對(duì)“.FBX” 格式的導(dǎo)出文件進(jìn)行任何修改都不會(huì)影響源文件，所以建模完畢后，盡量將模型導(dǎo)出為“.FBX”格式文件。

圖4 高低壓開關(guān)柜

2.4 3D模型的交互設(shè)計(jì)

Quest 3D的通道技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模型交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。將3D MAX模型場(chǎng)景導(dǎo)入后，利用Quest 3D提供各種通道實(shí)現(xiàn)邏輯鏈接，且每個(gè)通道均有特定的功能和邏輯順序。例如，斷路器的每個(gè)分支模型，以動(dòng)畫的形式組裝，觸發(fā)開關(guān)部件，會(huì)顯示相應(yīng)的元器件動(dòng)作，同時(shí)會(huì)提示操作注意事項(xiàng)，如果有錯(cuò)誤操作會(huì)記錄保存，以備下次操作提醒之用。根據(jù)流程規(guī)則將各通道組合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互邏輯功能，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)各種特效和動(dòng)畫表現(xiàn)，如建立相機(jī)、光暈效果、配電屏、變壓器及背景配音之間的聯(lián)系等[6]。

2.5 變電所培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)布

采用Quest3D軟件設(shè)計(jì)的項(xiàng)目可能由許多子程序組成，發(fā)布成可執(zhí)行的程序前，必須先將各個(gè)部分有機(jī)整合起來(lái)，如各個(gè)菜單屏幕和三維場(chǎng)景的融合。常用的整合方法有兩種:一是使用各功能部件邏輯信道建立邏輯關(guān)系，進(jìn)行切換; 二是使用Quest3D軟件中自帶的“Finite State Machine(有限狀態(tài)機(jī))”信道進(jìn)行組織[7]。整合之后的文件才能發(fā)布。Quest3D常用的有Q3D 播放器文件、exe文件和安裝文件等，其中Q3D 播放器文件可以在支持ActiveX控件的因特網(wǎng)瀏覽器上查看。系統(tǒng)加載成功后，分別在自動(dòng)漫游、手動(dòng)漫游等模式下操作，檢驗(yàn)每一個(gè)功能是否存在漏洞，通過不斷的測(cè)試改進(jìn)，使變電所培訓(xùn)系統(tǒng)的功能更加完善。本系統(tǒng)可供Web查看。

3 虛擬變電所培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于Web 3D技術(shù)的變電所培訓(xùn)系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有變電所設(shè)備的數(shù)字化和虛擬化處理，通過該模擬培訓(xùn)系統(tǒng)能夠給員工提供逼真的3D變電所設(shè)備和虛擬場(chǎng)景，給變電所運(yùn)行維護(hù)員工以身臨其境的真實(shí)感受，是一種嶄新的培訓(xùn)模式[7]。根據(jù)變電所培訓(xùn)功能的需求，查閱變電所操作規(guī)程，結(jié)合上級(jí)主管部門意見，將變電所系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以下四個(gè)部分:(1)變電所主要設(shè)備模塊的建立。模塊要真實(shí)反映實(shí)物特點(diǎn)，例如，對(duì)變壓器外殼，變壓器內(nèi)部線圈要接近真實(shí)建模；對(duì)斷路器的缺口、凹槽，通過渲染手段達(dá)到更逼真。通過建立變電所模塊庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各類電氣設(shè)備( 如變壓器、高/低壓配電柜、斷路器等) 的虛擬仿真。(2)實(shí)際操作模塊的建立。構(gòu)建3D虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真實(shí)模擬電氣設(shè)備的運(yùn)行和測(cè)量?jī)x器工作，如斷路器觸發(fā)動(dòng)作，變壓器過載、高溫和缺相等故障狀態(tài)報(bào)警，配電柜指示燈按規(guī)程亮起等功能及邏輯關(guān)系。(3)構(gòu)筑管理平臺(tái)模塊。通過建立開放式虛擬變電所管理系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)虛擬變電所的全局管理。整體功能是按照變電所操作規(guī)程，模擬變電所的正常運(yùn)行來(lái)設(shè)計(jì)的。(4)升級(jí)維護(hù)。虛擬變電所的功能會(huì)根據(jù)變電所員工提出的新的功能要求不斷更新升級(jí)，在不斷的升級(jí)中逐步完善虛擬變電所的整體運(yùn)行效率。

3.2 建模與交互設(shè)計(jì)

基于Web 3D技術(shù)的虛擬變電所培訓(xùn)系統(tǒng)的總體功能框架確定后，要進(jìn)行系統(tǒng)的建模和交互設(shè)計(jì)。建模設(shè)計(jì)首先利用3D MAX模型庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)化模型設(shè)計(jì)出變電站元器件的整體框架模型，對(duì)變壓器等設(shè)備的外殼建模時(shí)，宜采用拉伸建模技術(shù)，通過二維截面增加厚度，進(jìn)而生成三維模型；接著再通過快速工具欄的編輯樣條線、車削、對(duì)齊等基本命令來(lái)對(duì)每個(gè)元器件模型進(jìn)行完善和優(yōu)化處理；最后通過擠出、編輯網(wǎng)格、外殼、錐化等命令來(lái)實(shí)現(xiàn)三維立體效果的變電站元器件模型。此外，還通過適當(dāng)?shù)募尤胼o助線等必要元素，使模型的建立更加方便。交互設(shè)計(jì)是建模完成后導(dǎo)入Quest 3D軟件，根據(jù)變電所各種設(shè)備之間的邏輯關(guān)系和變電所操作規(guī)程，實(shí)現(xiàn)變電所的正常運(yùn)行和故障報(bào)警等功能，最后通過整合各子程序功能，發(fā)布可執(zhí)行文件。

3.3 虛擬變電所的演示運(yùn)行

虛擬變電所的設(shè)計(jì)是為了更真實(shí)地滿足對(duì)變電所員工的培訓(xùn)功能。在設(shè)計(jì)中，虛擬變電所設(shè)備模塊盡量逼近實(shí)物，精度要求高，采用3D MAX建模能完全滿足設(shè)計(jì)要求。Quest 3D軟件功能強(qiáng)大，幾乎可以不用手寫代碼，就能創(chuàng)建出圖形應(yīng)用程序，提高了程序設(shè)計(jì)人員的工作效率，大大縮短可開發(fā)周期?；赪eb 3D技術(shù)的變電所仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5 虛擬變配電所內(nèi)部場(chǎng)景

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)變電所維護(hù)操作中存在的危險(xiǎn)性和復(fù)雜性(設(shè)備不斷更新)的特點(diǎn)，參考眾多虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建，提出了基于Web 3D 技術(shù)的虛擬變電所的整體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，即采用3D MAX + Quest 3D的Web 3D技術(shù)組合建立虛擬變電站培訓(xùn)系統(tǒng)。結(jié)合變電所培訓(xùn)自身實(shí)際情況，該虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)能改進(jìn)變電所生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)、檢修等培訓(xùn)手段，縮短培訓(xùn)周期，從而節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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