文/王宇軒 陳立 何曉丹

1 背景介紹

對于電廠而言，配電盤是電廠中的重要設備，電廠工作中，配電盤常常會因為配電盤的布線與電器、儀表等接觸不牢，配電盤內(nèi)零部件的選擇和配電盤的實際容量不符合，長期過負荷運行等原因而造成火災事故，配電盤造成的火災事故占了電廠火災事故較大比例，因此電廠中對于配電盤的事故應急培訓較為重要。現(xiàn)有的著火事故應急培訓，一般分為兩種方式。一種是通過一些事故預案來進行課堂講授或桌面演練，其中部分使用了二維平面電子地圖進行培訓，但大多還是采用文字與表格的方式進行描述，缺乏嚴肅性和真實性，無法體會到若因處理不當而造成事故擴大的嚴重后果，無法較好地提升電廠運維人員事故應急處置能力，因此培訓效果不甚理想；另一種方式就是實戰(zhàn)演練，這種方式針對性強，容易找出問題，但是需要耗費一定的人力物力，演練的內(nèi)容也有很大的局限性。

因此，現(xiàn)有的著火事故應急演練方式，采用課堂講授或桌面演練，存在缺乏嚴肅性和真實性，培訓效果不甚理想的問題，采用實戰(zhàn)演練，存在耗費人力物力，演練內(nèi)容受到局限的問題。

2 改進方案

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的配電盤著火事故應急演練模擬方法，包括以下步驟：

（1）通過三維建模技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實場景（包括：收集現(xiàn)實的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；構(gòu)建電站的三維模型和電站運維人員的人物模型；構(gòu)建電站的虛擬現(xiàn)實場景）；

（2）構(gòu)建虛擬事故應急演練場景：設計交互界面，設計虛擬現(xiàn)實場景中的角色操作流程和設備模型的動畫，根據(jù)起火點的位置、火情大小和處理方式，構(gòu)建不同的事故應急演練場景。設計步驟如下：

1.設計空間型UI 界面：在虛擬現(xiàn)實場景中定義空間參考系，將UI 界面放置在空間參考系中，保證用戶在觀看UI 界面時的舒適性；

2.設計UI 系統(tǒng)交互：設計UI 按鍵碰撞事件，達到與UI 系統(tǒng)交互的目的；

3.設計角色/設備模型交互：

①制作虛擬角色模型和各種個性行為動作，實現(xiàn)虛擬角色的仿真運動，完成需要實時控制的動作動畫；

②設置IK 動畫，利用虛擬現(xiàn)實場景中的各種物體設備控制和影響身體部位的運動，實現(xiàn)虛擬角色模型與物體設備交互動畫，完成事故應急演練場景的構(gòu)建；

（3）將虛擬事故應急演練場景接入VR全向行動平臺；

（4）操作者通過VR 全向行動平臺進行虛擬著火事故應急演練。VR 全向行動平臺包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，眼鏡向操作者反饋視覺信息，手柄向操作者反饋動作信息，操作者輸出的操作動作信息反饋給位置追蹤器和手柄。

方案如圖1所示。

3 實施方案

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的配電盤著火事故應急演練模擬方法，包括以下步驟：

3.1 建立虛擬現(xiàn)實場景

（1）通過測繪，例如三維激光掃描儀在水電站現(xiàn)場收集水電廠廠房以及廠房設備的現(xiàn)實空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

（2）使用逆向建模的手段，利用三維激光掃描儀獲取的現(xiàn)實空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在RiSCAN PRO 和3DsMax 中構(gòu)建電站的三維模型和將電站的三維模型導入到Unity3D 引擎中構(gòu)建電站的虛擬現(xiàn)實場景；

具體步驟如圖2所示。

3.2 構(gòu)建虛擬事故應急演練場景

根據(jù)電廠的配電盤著火應急處置手冊、規(guī)范和處理流程，以及之前發(fā)生事故的記錄文檔、處置人員的實際經(jīng)驗，設計虛擬現(xiàn)實場景中的角色操作流程和設備模型的動畫；根據(jù)起火點的位置、火情大小和處理方式，構(gòu)建不同的事故應急演練處置場景，真實還原處理流程。包括以下步驟：

圖1：交互框架圖

圖2：建模步驟

圖3：示意圖

3.2.1 設計空間型UI 界面

（1）定義空間參考系：在虛擬現(xiàn)實場景中定義空間參考系，采用以頭部作為參考系，界面跟隨用戶的頭部運動；以軀干作為參考系，界面隨著身體旋轉(zhuǎn)和平移；以虛擬世界作為參考系，在利于用戶觀察的世界空間中放置UI界面；

（2）放置UI 界面：利用人體工學資料信息將UI 界面放置在空間參考系中的適當位置，保證用戶在觀看UI 界面時的舒適性。具體操作為，計算出當人體保持不動，只轉(zhuǎn)動眼睛觀察時最適合的視場角，以及當人眼保持不動，只轉(zhuǎn)動頭部觀察時最適合的視場角，將這些視場角數(shù)據(jù)進行整合，確定在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中人眼最舒適情況下所看到的區(qū)域，并在此區(qū)域內(nèi)設計UI 界面布局，經(jīng)過反復測試，確保所有UI 界面都清晰可見，并且無論用戶頭部如何轉(zhuǎn)動UI 界面始終在舒適范圍內(nèi)。

3.2.2 設計UI 系統(tǒng)交互

設計UI 按鍵碰撞事件，利用與UI 按鍵進行碰撞檢測，達到與UI 系統(tǒng)交互的目的，包括以下步驟：

（1）為UI 界面中的UI 控件添加Box Collider，設 置Box Collider 的Size 屬 性，使Box Collider 和控件大小尺寸一致，并設置Box Collide 的Is Trigger 屬性為true；

（2）編寫代碼文件，處理碰撞事件，并將代碼文件指定給相應的UI 控件；

如圖3所示。

3.2.3 設計角色/設備模型交互

（1）將電站運維人員的人物模型導入unity3d 中，調(diào)整人物模型的紋理貼圖，模擬水電站工作人員的真實形象，建立虛擬角色模型；基于骨骼蒙皮技術(shù)優(yōu)化人體骨骼并且設計動畫控制器，手動調(diào)整各關(guān)鍵幀的骨架節(jié)點位置和骨骼轉(zhuǎn)向，創(chuàng)建跑步、走路、等待等個性行為動作作為動畫片段，將建立的虛擬角色模型和對應的動畫片段導入素材庫，使虛擬角色模型和個性行為動作相擬合，從而實現(xiàn)虛擬角色的仿真運動，完成需要實時控制的個性行為動作動畫。

（2）設置IK 動畫，通過骨骼子節(jié)點帶動骨骼父節(jié)點，利用虛擬現(xiàn)實場景中的各種物體設備控制和影響身體部位的運動；利用代碼根據(jù)末端子關(guān)節(jié)的位置移動來動態(tài)的計算出每個父關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)控制動畫的播放，使虛擬角色和虛擬現(xiàn)實場景更加貼合，從而達到更加真實的虛擬現(xiàn)實體驗效果，可以實現(xiàn)虛擬角色模型與物體設備交互動畫，例如拿起滅火器等。如圖4所示。

3.3 將虛擬事故應急演練場景接入VR全向行動平臺

VR 全向行動平臺打破了現(xiàn)實和虛擬的隔閡，只需要一平米的現(xiàn)實空間，就能為用戶提供無限的虛擬世界，沒有場地大小的限制，也不需要采用折中的非自然的移動方式，在保證絕對安全的前提下，能將用戶做出的行走、奔跑等動作映射到虛擬場景中，使視覺運動狀態(tài)和自身實際身體運動狀態(tài)一致，在解決了暈動癥的同時，讓用戶感受身臨其境的震撼感。

3.4 操作者通過佩戴虛擬現(xiàn)實設備來讀取虛擬事故應急演練場景

通過VR 全向行動平臺在虛擬現(xiàn)實演練場景中進行虛擬著火事故應急演練，虛擬著火事故應急演練中，VR 全向行動平臺向操作者反饋操作信息，操作者根據(jù)反饋的操作信息調(diào)整操作，并向VR 全向行動平臺輸出操作動作信息。VR 全向行動平臺包括位置追蹤器、手柄和眼鏡，三維虛擬事故應急演練場景通過眼鏡向操作者反饋視覺信息，UI/角色/設備模型交互處理通過手柄向操作者反饋動作信息，操作者根據(jù)反饋信息調(diào)整自己的操作，輸出的操作動作信息反饋給位置追蹤器和手柄，位置追蹤器和手柄再反饋到UI/角色/設備模型交互處理中。如圖5所示。

4 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法通過建立高度逼真的真實電站的虛擬現(xiàn)實模型和虛擬現(xiàn)實演練場景，操作者戴上虛擬現(xiàn)實頭盔即置身于電站的虛擬現(xiàn)實場景中，在三維虛擬現(xiàn)實場景中真實地進行火災事故的應急響應演練與指揮訓練，提升電廠運維人員事故應急處置能力，培訓效果良好；運維人員可以不受時間、空間和內(nèi)容的限制在虛擬環(huán)境中進行配電盤著火事故的應急演練，提高培訓效率，減少人力物力和耗費。通過使用VR 全向行動平臺，打破虛擬現(xiàn)實場景的空間壁壘，解決了在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中因身體和眼睛接收到的空間信息不一致產(chǎn)生的眩暈感，能夠正確接收信號和處理信息，體驗效果好，反應真實、靈活、嚴肅，不會對人體造成傷害，方便運維人員進行培訓。

因此，該方法既具有嚴肅性和真實性高，培訓效果良好的特點，又具有減少人力物力和耗費，演練內(nèi)容不受局限的特點。

圖4：示意圖

圖5：系統(tǒng)架構(gòu)圖