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摘要：基于VR的标准化变电站应用平台研究与设计是在变电站精细化三维建模的基础上，利用虚拟现实技术，实现虚实结合、人机交互的变电站智智能应用平台。本文通过对变电站设备健康指标体系的深入研究，采用信息融合技术，将各种数据信息在可视化载体上进行综合展现，以提供更先进、更直观、更友好的工具和手段，全面辅助业务人员对设备进行实时监测和状态评估，从而实现变电站的可视化智能管理。
关键词：虚拟现实；变电站；虚实交互；信息融合
一、引言
变电站智能应用平台设计就是依托变电站精细化三维建模，利用虚拟现实技术，使业务人员能够在虚拟变电站中进行漫游，遵照现场管理的习惯，在变电站模型中对每个设备进行查看，同时将与该设备的基础数据、监测数据等信息实时动态的呈现出来，辅助业务人员发现缺陷、定位故障，提供标准化、可视化的信息支撑。
二、背景技术
随着电网规模越来越大，结构越来越复杂，无人值守的变电站数量越来越多，电网对信息系统的依赖程度越来越强。而与此同时，各种信息系统按照业务线进行建设，系统之间缺乏必要的联系。传统的管理检测系统缺少直观有效的方式显示海量、复杂的信息，缺少有效的可视化手段对各种监测数据进行高效的展示。而一般的二维GIS系统只能对变电站总体状态进行展示，既无法满足变电站设备级的精细化管理要求，又不符合业务人员管理变电站的实际应用。
三、具体实施方式
1、三维建模
3D建模通俗来讲就是通过三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。3D建模大概可分为：NURBS和多边形网格。NURBS对要求精细、弹性与复杂的模型有较好的应用，适合量化生产用途。多边形网格建模是靠拉面方式，适合做效果图与复杂场景动画。通过maya，3Dmax等软件。根据真实的配电站场景，进行标准的三维建模，实现配电站的标准化改造和虚拟的场景漫游。
2、碰撞检测
需要检测到碰撞现象，即碰撞检测。首先，在unity3d中，能检测碰撞发生的方式有两种，一种是利用碰撞器，另一种则是利用触发器。这两种方式的应用非常广泛。碰撞器是一群组件，它包含了很多种类，比如：Box Collider，Capsule Collider等，这些碰撞器应用的场合不同，但都必须加到GameObjecet身上。所谓触发器，只需要在检视面板中的碰撞器组件中勾选IsTrigger属性选择框。在Unity3d中，主要有以下接口函数来处理这两种碰撞检测：
触发信息检测：
1.MonoBehaviour.OnTriggerEnter（Collider other）当进入触发器
2.MonoBehaviour.OnTriggerExit（Collider other）当退出触发器
3.MonoBehaviour.OnTriggerStay（Collider other）当逗留触发器
碰撞信息检测：
1.MonoBehaviour.OnCollisionEnter（Collision collisionInfo）当进入碰撞器
2.MonoBehaviour.OnCollisionExit（Collision collisionInfo）当退出碰撞器
3.MonoBehaviour.OnCollisionStay（Collision collisionInfo） 当逗留碰撞器
3、鼠标操作
通过鼠标选择场景中的设备是人机交互系统必不可少的功能，在unity3d中实现了选择与反馈机制来满足用户使用鼠标实时操作三维图形的需要，但是这种方式编程繁琐、只能针对特定类型的图元并且会大大降低渲染效率。为此，在本系统中采用拣选射线的方法进行三维场景中的对象选取。鼠标选取是用了U3D中一个比较方便的API来实现的。
4、鼠标滚轮实现拉近和远离功能
在Windows系统下，人们习惯性使用鼠标中间滚轮实现上下翻页和前进和后退的功能，在U-nity3d里可以借助鼠标的这个部件实现拉近和远离物体的功能。
在Unity3d软件中，鼠标的滚轮定义方式Input．GetAxis（“MouseScrollWheel”）是否为真识别滚轮的启用，并通过比较其滚动的方向实现拉近和远离的功能。拉近的极限距离可以设定值为5的变量DistanceMin。并设置滚轮的最小变化变量MouseSense初值为5。
四、装置设计要点
1.1设计思路：
由于该系统是一套完整的3D人机交互培训系统，第一步工作是要把整个变电站场景模拟出来。这一步可以分成2部分，一部分，是做出一个完整的变电站模型，这部分工作主要靠美工来做；另一部分，是选取并使用合适的工具把美工做的模型表现出来，这部分工作则需要程序员来做。这里，采用作为仿真对象。最后，采用3dmax软件作为制作3d模型的工具，采用unity3D引擎作为显示这些模型的工具。
第二步的工作主要是实现在虚拟的场景里进行模拟现实的操作。这一步也分为2个部分来做，1、实现对变电站机柜及设备的拆装功能；2、系统可使实现自动组装和手动零件更换操作，更好的实现人机交互，把变电站标准化，方便工作人员施工前和新员工的培训。具体实施过程如下。
1-1具体实施过程
1.2 系统结构设计
由Unity3D引擎开发的系统可以同时运行在多个异构系统上，如Windows、Linux、Unix等，为了满足平台无关性的要求，采用unity3D导出web格式实现网络浏览功能。
一个完整的三维交互系统主要包括设备建模、场景建模、场景浏览（交互）这三个部分。将采用3DS MAX、Maya等专业三维建模软件来进行设备和场景的建模。由于电力仿真中需要模拟设备的状态和缺陷，并且要完成场景切换、设备操作等功能，因此实现的三维交互系统提供了设备编辑器来辅助设备建模。
2-1系统结构
1.3 三维引擎
本系统使用Unity3D三维引擎，满足三维仿真的基本要求。主要内容包括：
1、基本对象表现：包括立方体、球、圆柱、圆锥等基本的几何体
2、模型导入：目前支持3DS、OBJ、MD2等格式的模型导入
3、图片导入：在Qt支持的图片格式基础上增加了TGA格式图片的导入
4、碰撞检测：实现了线、立方体、球、椭球体之间的碰撞检测，可以方便的实现设备操作、角色行走、上下楼梯、沿墙滑行等功能
5、灯光：可以方便的创建点光源、平行光源、聚光灯等
6、材质、纹理：可以编辑对象的材质和纹理
7、粒子系统：提供火、烟、蒸汽、爆炸、雨、雪现象的模拟
8、公告牌（Billboard）：提供以平面方式廉价模拟大量三维对象的功能，如树等
9、天空体、天空盒
10、BSP、视景体裁剪，提高渲染效率
11、动态图像序列，可以实现闪电、流水等效果
3、人机交互
人机交互是三维模拟培训系统最重要的一个部分。通过将场景文件导入unity3D实现场景的显示，用户可以自由的浏览场景，实现人机的交互。
在unity3D中，操作人员可以查看场景中的各种设备，从各个角度对设备进行观察场景中的设备都具有标准规格，配电站建设人员可以根据场景进行标准化的改造。新员工可以通过场景的漫游使其对变电站有更加深刻的了解，增强了培训的真实感。
五、总结
该研究的应用价值在于将信息与通信融合技术应用化，让技术更好的为电力应用服务，能够弥补人机交互中存在的不足，给生产运行提供更智能化的实时管理分析以及实时空间分析的能力，确保设备全方位检测管理，为变电站的运行与管理向自动化、网络化、数字化、智能化方向发展提供有力的技术保障，更好地为变电站运行提供服务。同时通过3D虚拟技术模拟真实场景使电力培训更加生动形象，提高了电力培训的效率，降低了培训的成本，减少了安全事故的发生，使变电站的设计改造更加规范可靠，有据可依，保证安全、合理、经济、可靠供电、与环境协调且美观。
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论文作者:邵文晋,吴信文,胡朋杰,田烨
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：变电站论文; 建模论文; 场景论文; 设备论文; 鼠标论文; 系统论文; 人机论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;