寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

VR技術(shù)在智能化供用電仿真培訓領(lǐng)域的應(yīng)用

寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

VR仿真培訓就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過VR仿真培訓的模式實現(xiàn)智能化供用電運行培訓，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學員培訓過程中的進入感，強化培訓效果。

一、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智能化供用電仿真培訓中的運用

仿真和VR培訓就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過仿真VR培訓的模式實現(xiàn)供用電運行培訓，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學員培訓過程中的進入感，強化培訓效果。

供用電仿真培訓系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)，可以讓變電站運行人員更加直觀的熟悉其工作場景，也可作為新變電運行人員的初始培訓內(nèi)容，通過該系統(tǒng)學員可以在實地工作之前對工作場景、工作內(nèi)容和工作標準規(guī)范進行充分了解，為即將開始的工作做好最充分的技術(shù)準備。日常巡視方面，員工可以利用系統(tǒng)中的定點傳送功能，實現(xiàn)各巡視點的快速巡視，學員可以在和現(xiàn)實變電站環(huán)境一樣的虛擬變電站場景當中，完成日常巡視的模擬，并且不再需要像現(xiàn)實當中一樣將大量的時間花費在場地的往返上，學員只需要利用HTC VIVE設(shè)備中的手柄瞬移功能，便可以立刻到達虛擬變電站場景當中的各個角落，對各巡視點進行巡視。

二、虛擬變電站仿真培訓系統(tǒng)的設(shè)計

本項目中將以先進的三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)為核心，并綜合應(yīng)用沉浸式硬件外設(shè)（如HTC VIVE設(shè)備、空間動作捕捉設(shè)備等），研究開發(fā)沉浸式VR供用電仿真培訓系統(tǒng)。

仿真軟件支撐平臺的架構(gòu)主要包括兩層：其中一層為連接系統(tǒng)平臺和外部顯示設(shè)備和輸入設(shè)備的接口層，接口層中主要包括圖形用戶接口、輸入控制接口及其他一些輸入輸出接口；另外一層為實現(xiàn)系統(tǒng)平臺主體功能的功能實現(xiàn)層，主要包括UI設(shè)計模塊、角色設(shè)計模塊、任務(wù)設(shè)計模塊、觸發(fā)設(shè)計模塊、動作設(shè)計模塊、資源管理模塊等。

圖形用戶接口：仿真軟件支撐平臺上將實現(xiàn)一系列友好的用戶界面并通過顯示設(shè)備展現(xiàn)給用戶，用戶通過這些界面可以使用平臺中實現(xiàn)的各種設(shè)計、配置和展示功能。通過圖形用戶接口可以很直觀的實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互，也即人機交互，從而實現(xiàn)良好的用戶體驗。

輸入控制接口：輸入控制接口用于接收用戶的所有輸入控制信息，如鼠標鍵盤等常規(guī)輸入設(shè)備控制接口，也包括kinect等空間動作捕捉設(shè)備的控制接口。輸入控制接口將用戶的各種控制信息，解析后轉(zhuǎn)換為對系統(tǒng)中各個細節(jié)的控制，如虛擬角色在變電站場景中漫游，操作設(shè)備面板等。

其他輸入輸出接口：系統(tǒng)平臺中還將預(yù)留輸入輸出控制接口的基本模板，用以實現(xiàn)系統(tǒng)后期輸入控制和輸出顯示擴展。

UI設(shè)計模塊：UI設(shè)計模塊是仿真軟件支撐平臺中實現(xiàn)人機交互的一個重要模塊，它包括樣式設(shè)計、控件設(shè)計和界面設(shè)計等3個子模塊，通過這3個子模塊共同完成。各種用戶界面的設(shè)計，包括變電站中后臺界面的設(shè)計、各種電氣設(shè)備操作面板界面設(shè)計、表計界面設(shè)計。其中樣式設(shè)計子模塊實現(xiàn)各種界面、控件的外觀自定義設(shè)計；控件設(shè)計子模塊完成各種用戶界面上按鈕、標簽等操作單元的自定義設(shè)計；界面設(shè)計子模塊完成各種界面的底圖框架設(shè)計。

角色設(shè)計模塊：虛擬人，也即虛擬角色的場景漫游功能是沉浸式變電虛擬仿真實操培訓系統(tǒng)的特色功能，也是基礎(chǔ)功能之一。而角色設(shè)計模塊就是專門為仿真軟件中角色漫游提供的配置功能模塊，通過此模塊可以對虛擬角色的各個方面進行參數(shù)設(shè)置，如角色在場景中的虛化角色模型、漫游速度、重力系數(shù)、彈跳系數(shù)，初始坐標、方位等。

任務(wù)設(shè)計模塊：沉浸式變電虛擬仿真實操培訓系統(tǒng)中需要實現(xiàn)各種倒閘操作、事故處理及日常巡視的模擬，這些工作都需要遵循特定的工作流程和標準規(guī)范進行，因此需要以任務(wù)的形式進行設(shè)計。通過任務(wù)設(shè)計模塊可以對參與任務(wù)的角色數(shù)量，任務(wù)的內(nèi)容，每個操作步驟/任務(wù)項的細節(jié)（如操作角色、操作對象，分數(shù)等）進行設(shè)計。

觸發(fā)設(shè)計模塊：要實現(xiàn)用戶和三維場景的交互，空間觸發(fā)是必不可少的，通過空間觸發(fā)可以獲取用戶在三維空間的操作信息，并將這些操作信息發(fā)送給系統(tǒng)，由系統(tǒng)控制三維場景做出相應(yīng)的變化，以響應(yīng)這些操作。通過觸發(fā)設(shè)計模塊可以在三維空間中任意位置放置空間觸發(fā)，設(shè)置觸發(fā)大小，方位，并為觸發(fā)綁定若干響應(yīng)事件，如鼠標單擊事件，進入事件等，最后為相應(yīng)的響應(yīng)事件綁定響應(yīng)動作，便可實現(xiàn)用戶與虛擬場景的三維交互，如通過鼠標在虛擬設(shè)備開關(guān)上進行點擊控制設(shè)備動作等。

動作設(shè)計模塊：動作是三維場景中所有動態(tài)展示的總和，如一張用戶界面的顯示、開關(guān)的分合、信號燈的亮滅，接地線的掛上和拆除等。通過動作設(shè)計模塊，可以實現(xiàn)動作標識的設(shè)置、動作的類型（如界面顯示動作、設(shè)備動畫播放動作、信號燈信號切換動作等）的設(shè)置、動作參數(shù)的設(shè)置等，同時通過動作設(shè)計模塊中的預(yù)覽功能可以對各工作進行預(yù)覽，從而快速查看動作產(chǎn)生的效果。動作設(shè)計模塊是強化3D展示，豐富UI交互的重要功能模塊。

資源管理模塊：所有系統(tǒng)的設(shè)計過程當中都需要用到各種各樣的資源，如文件素材，多媒體資源等，沉浸式變電虛擬仿真實操培訓系統(tǒng)也不例外。資源管理模塊就是對所有的項目資源進行管理和維護（添加和刪除），以實現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的快速調(diào)用，如顯示一張圖片，播放一段視頻等。

三、虛擬變電站仿真培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)工具如下所示：

主要建模軟件：3ds Max、Maya

主要開發(fā)語言：Java Script，C#，C++

數(shù)據(jù)存儲方式：外部數(shù)據(jù)文件（XML、Oracle數(shù)據(jù)庫）

主要開發(fā)工具：Unity3D 5.5.0

具體實現(xiàn)以下幾個功能：

1）場景文件導入和導出功能

主要包括原始場景文件的導入以及編輯好的場景文件的導出等功能。軟件中可以進行場景文件的導入，并對導入的場景文件進行設(shè)計，包括空間觸發(fā)設(shè)計、用于界面設(shè)計、操作條件設(shè)計等；設(shè)計好的場景文件也可以導出為外部文件。

2）考核任務(wù)設(shè)計功能

用戶可以為場景新建一個考核任務(wù)，并將操作步驟添加到任務(wù)當中。同時可以隨時修改或刪除考核任務(wù)中的已有操作步驟，也可以調(diào)整任務(wù)中操作步驟的排列順序，完成的任務(wù)信息可以進行實時保存?？己巳蝿?wù)設(shè)計模塊可以三維場景為背景設(shè)計各種業(yè)務(wù)流程以及三維交互培訓任務(wù)。

3）用戶界面設(shè)計模塊

用戶界面設(shè)計模塊包括新增用戶界面、用戶界面基本信息編輯功能、用戶界面尺寸編輯功能、用戶界面樣式編輯功能、用戶界面布局編輯功能、用戶界面刪除功能以及用戶界面保存功能。在三維仿真考核軟件中，僅僅通過空間觸發(fā)來完成所有的三維交互，會使項目的設(shè)計工作量和復雜程度大大增加，很多場合下，使用用戶界面往往可以達到更好的三維體驗效果。

4）用戶控件設(shè)計模塊

用戶控件設(shè)計模塊包括新增控件到界面、控件基本信息編輯功能、控件尺寸編輯功能、控件樣式編輯功能、控件刪除功能、控件保存功能、控件響應(yīng)信息設(shè)計功能、控件響應(yīng)信息設(shè)計等功能?？丶怯脩艚缑嫔媳夭豢缮俚慕M成要素，絕大多數(shù)交互都通過界面上的控件來完成，界面設(shè)計的主要工作量也用于控件設(shè)計。用戶同樣可以對控件的尺寸、樣式進行設(shè)計，并對已有的空間進行修改或刪除操作。所有的控件信息在用戶界面保存時，會作為界面的附屬單元信息被保存。

5）界面樣式設(shè)計模塊

界面樣式設(shè)計模塊包括新增界面樣式、樣式基本信息設(shè)計功能、界面樣式刪除功能、界面樣式保存等功能。所有界面及控件的樣式首先都要在界面樣式設(shè)計模塊中進行設(shè)計，樣式是界面和控件給用戶的直觀視覺感受，界面及控件樣式設(shè)計的好壞，會大大影響用戶的交互體驗。通過界面樣式設(shè)計模塊，可以新增界面樣式，也可以對已有界面樣式進行修改或刪除，并實時保存設(shè)計好的樣式。

6）動作設(shè)計模塊

動作設(shè)計模塊包括新增動作、動作類型選擇、動作參數(shù)設(shè)置、動作刪除功能、動作信息保存等功能。動作是三維交互設(shè)計中的重要組成部分，它是三維空間動態(tài)可交互的首要條件。動作是各種空間觸發(fā)和控件觸發(fā)的細節(jié)實現(xiàn)，如顯示或隱藏某個界面、點亮或熄滅某盞燈等等，都屬于動作。

用戶可以新建各種類型的動作，對已有動作進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的動作信息。

7）條件設(shè)計模塊

條件設(shè)計模塊包括新增條件、條件信息設(shè)計功能、條件信息設(shè)計功能、條件信息保存功能。條件同樣是三維交互設(shè)計中的重要組成部分，現(xiàn)實中很多事情的發(fā)生都有一定的前提條件，條件設(shè)計模塊便是用于這種場合。用戶可以選擇為某個事件綁定條件，也可以不綁定。

用戶可以新建各種類型的條件，對已有條件進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的條件信息。

8）知識庫設(shè)計模塊

知識庫設(shè)計模塊包括新增知識項、知識項內(nèi)容設(shè)計功能、知識項刪除功能、知識項保存等功能。知識庫可以為考核任務(wù)提供全面的在線幫助功能，用戶可以新建知識項，為每個知識項設(shè)計知識內(nèi)容，內(nèi)容包括文字、圖片、音頻和視頻。用戶可以隨時打開知識庫模塊查看對應(yīng)的知識項。用戶可以新建各種知識項，對已有知識項進行修改和刪除，并實時保存設(shè)計好的知識庫信息。

9）場景配置模塊

場景配置模塊主要包括場景基本信息配置功能、場景環(huán)境信息配置功能、任務(wù)角色信息配置、小地圖配置功能?；拘畔⑴渲糜糜趯鼍拔募拿Q、場景圖片等信息進行配置。環(huán)境信息配置主要用于對體驗環(huán)境進行配置，包括背景音樂、環(huán)境顏色、渲染通道類型和視距等屬性進行設(shè)置。角色信息配置主要用于對角色名稱、角色對象、角色屬性、碰撞外形、漫游參數(shù)等屬性進行設(shè)置。

10）資源管理模塊

資源管理模塊包括圖片資源導入和導出功能音頻資源導入和導出功能、視頻資源導入和導出功能以及天空盒導入和導出功能。

四、結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展以及科學技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在社會生產(chǎn)、生活中獲得了廣泛的運用。VR仿真培訓就是創(chuàng)建出一個和實際情況一樣的虛擬工作場景，學員可以在虛擬的工作場景中對虛擬的設(shè)備進行操作，完成工作流程模擬。因此，可以通過VR仿真培訓的模式實現(xiàn)智能化供用電運行培訓，同時利用各種沉浸式硬件外設(shè)，可以加強學員培訓過程中的進入感，強化培訓效果。

張帥（1988—），湖北宜昌人，工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計院有限公司。

嚴浩軍（1963—），男，浙江余姚人，高級工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計院有限公司。