趙 旭，陳永青，劉昊橙，李 蕊，陳開(kāi)維，楊 勇，樊 蓉

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是一種利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，使用者通過(guò)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備進(jìn)入虛擬空間中，成為虛擬環(huán)境的一員，采用自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感覺(jué)。VR具有如下特征：沉浸式；交互性；感知性。目前VR技術(shù)在電力培訓(xùn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如用在電力設(shè)備運(yùn)維、運(yùn)行檢測(cè)、檢修作業(yè)等，并取得了較好的培訓(xùn)效果。目前的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)采用純虛擬過(guò)程，缺少作業(yè)動(dòng)作過(guò)程中動(dòng)作信息的反饋，造成體驗(yàn)過(guò)程中作業(yè)動(dòng)作不到位等現(xiàn)象，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不良[1-3]。

本文介紹基于多感知傳感器的虛擬電力培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)作業(yè)過(guò)程中所涉及的電力工器具和電氣設(shè)備互動(dòng)點(diǎn)的分析，制作帶有智能定位傳感器的電力工器具和電氣設(shè)備的互動(dòng)模型。作業(yè)人員在虛擬環(huán)境中通過(guò)利用互動(dòng)模型可真實(shí)地感受作業(yè)動(dòng)作，克服傳統(tǒng)虛擬培訓(xùn)設(shè)備體感效果差的缺陷，達(dá)到作業(yè)技能良好培訓(xùn)效果的目的。

1 作業(yè)場(chǎng)景構(gòu)建

1.1 開(kāi)關(guān)柜模型

建立模型應(yīng)遵循先大后小，先簡(jiǎn)后繁的順序，因此建模順序應(yīng)該為柜體、柜門、操作按鍵、指示部件，斷路器、接地倉(cāng)。

(1)首先建柜體模型(見(jiàn)圖1)，創(chuàng)建一個(gè)Box，然后將Box的長(zhǎng)寬高按照開(kāi)關(guān)柜柜體對(duì)應(yīng)大小進(jìn)行調(diào)整，之后右鍵點(diǎn)擊模型，選擇轉(zhuǎn)換為多邊形編輯，將模型轉(zhuǎn)換為多邊形。對(duì)模型按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行布線，使用擠出、橋接、連接等命令對(duì)多邊形進(jìn)行編輯將柜體建立完成。

(2)根據(jù)柜體模型的大小，開(kāi)始建立柜門模型(見(jiàn)圖2)。柜門的建立方法與柜體相同，但柜門每一個(gè)都可開(kāi)合，所以需要調(diào)節(jié)成獨(dú)立的物體。柜體前門要按照左側(cè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)打開(kāi)，還需要點(diǎn)擊層次——軸——僅影響軸，將每個(gè)柜門的軸心位移到柜門左側(cè)。柜體后門是拆卸式，不用對(duì)軸心進(jìn)行移動(dòng)。

(3)在柜門上建立操作按鍵、指示部鍵模型(見(jiàn)圖3)，建立方法同上。需注意操作按鍵和指示部件的每個(gè)都要為獨(dú)立物體，根據(jù)使用情況的不同，對(duì)物體的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，并且要根據(jù)物體間的關(guān)系設(shè)置層級(jí)關(guān)系。

(4) 隱藏柜門，顯示柜體，根據(jù)柜體大小建立相應(yīng)的斷路器和電纜倉(cāng)模型(見(jiàn)圖4)。

1.2 分組整理創(chuàng)建層級(jí)關(guān)系

模型建立完成之后，需要進(jìn)行分組整理并且創(chuàng)建層級(jí)關(guān)系。比如將柜門設(shè)定為柜體的子物體，將柜門上的操作按鍵設(shè)定為柜門的子物體。3DMAX有層級(jí)和層次兩種排序方式，父子類和組關(guān)系應(yīng)使用層次排序方式。

1.3 UVW應(yīng)用

如果將所有物體的UV全部展開(kāi)在一個(gè)貼圖上，貼圖的分辨率會(huì)變得很模糊，模型的細(xì)節(jié)會(huì)分辨不清，因此在模型展UV前要先將UV進(jìn)行規(guī)劃，可使用3DMAX的層排序來(lái)進(jìn)行整理。整理完畢后點(diǎn)擊命令UVW展開(kāi)來(lái)展開(kāi)UV。

1.4 檢查并導(dǎo)出模型

建模完成后，選擇物體，進(jìn)入面級(jí)別，在Ribbon面板點(diǎn)擊選擇——按數(shù)值>4，來(lái)檢查模型是否有多邊面。檢查完畢后，再查看模型是否缺失。一切完畢后，點(diǎn)擊文件——導(dǎo)出，導(dǎo)出模型。

1.5 繪制貼圖

在3DMAX中，貼圖一般用默認(rèn)的材質(zhì)球和Vary進(jìn)行調(diào)節(jié)，Vary能更好地體現(xiàn)出物體的細(xì)節(jié)和真實(shí)度，大部分的3DMAX場(chǎng)景建模所使用的都是Vary材質(zhì)。但Vary材質(zhì)與Unity的材質(zhì)不能相互兼容，3DMAX本身的材質(zhì)球沒(méi)有很高的使用性。因此，在制作貼圖時(shí)可導(dǎo)入到C4D，SP等軟件中。

2 互動(dòng)模型構(gòu)建

2.1 虛擬工器具制作

分析模型結(jié)構(gòu)，開(kāi)始建模。如果建模型時(shí)有曲面模型，要用平滑命令給模型加入平滑。

整理層級(jí)關(guān)系，展開(kāi)模型UV。

2.2 虛擬作業(yè)模型制作

構(gòu)建避雷器，避雷器需要進(jìn)行拆卸替換，操作點(diǎn)較多，建模時(shí)需要注意，先建出避雷器模型(見(jiàn)圖5),再建出操作點(diǎn)所需的螺絲，接線頭等地方。在構(gòu)建完成一個(gè)之后，使用復(fù)制命令進(jìn)行復(fù)制并排列整齊。

零式電流互感器模型如圖6所示。零式電流互感器可以先用鏤空方法在Box模型中間創(chuàng)造一個(gè)圓柱，復(fù)制中間鏤空部分，使用法線修改器翻轉(zhuǎn)法線，刪除多余部分并進(jìn)行連接。最后對(duì)整體形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)得到外形。

電纜先使用圓柱體再進(jìn)行調(diào)整建出大體，用擠出修改器構(gòu)建層疊結(jié)構(gòu)，再使用復(fù)制并旋轉(zhuǎn)來(lái)建出傾斜模型。

3 作業(yè)動(dòng)作模擬

以更換避雷器為例，描述整個(gè)多感知傳感器的體驗(yàn)過(guò)程，先進(jìn)入程序中的更換避雷器場(chǎng)景。

3.1 檢查驗(yàn)電棒

驗(yàn)電棒的警報(bào)裝置如圖7所示。先拿起地上的驗(yàn)電棒，先用手指按壓驗(yàn)電棒上端的警報(bào)按鈕，檢查驗(yàn)電棒是否可以正常使用。正常狀態(tài)按壓會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，如未發(fā)聲，進(jìn)入異常處理程序，防止意外發(fā)生。

3.2 驗(yàn)電

驗(yàn)電位置如圖8所示。對(duì)開(kāi)關(guān)柜下柜中金屬裸露部分進(jìn)行驗(yàn)電。

3.3 夾上接地端

把接地端加載開(kāi)關(guān)柜下部金屬片上，需要夾上的位置如圖9所示。

3.4 夾上接地棒

將地上的三個(gè)接地棒依次接在黃色的裸露金屬片上，完成接地操作，如圖10所示。

3.5 更換避雷器

避雷器介紹如圖11所示。繞到開(kāi)關(guān)柜后方，找到需要拆除的避雷器(中間為例)，先拆除避雷器上方固定螺絲，再拆下連接線，最后再拆下下方的固定螺絲，最后摘下避雷器。

把拆下來(lái)的零件都放在一處，拿起新的避雷器，裝上去，裝的順序正好與拆的順序相反。先放上避雷器，然后安裝下方固定螺絲，再放上連接線，最后安裝上方固定螺絲。之后摘下接地棒，接地端，關(guān)上柜門，整個(gè)更換避雷器的過(guò)程就體驗(yàn)結(jié)束了。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)電力工器具和電力設(shè)備作業(yè)過(guò)程中互動(dòng)點(diǎn)的分析結(jié)果，完成對(duì)相應(yīng)帶有感知傳感器的互動(dòng)模型的制作。作業(yè)人員通過(guò)對(duì)互動(dòng)模型的操作，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中沉浸式體驗(yàn)作業(yè)動(dòng)作，克服傳統(tǒng)虛擬培訓(xùn)設(shè)備體感效果差的缺陷，達(dá)到作業(yè)技能良好培訓(xùn)效果的目的。實(shí)物虛擬化技術(shù)可為今后電力作業(yè)技能培訓(xùn)提供一個(gè)良好的方法。