摘要：基于VR技术的变电站技能培训通过虚拟现实技术的应用，构造变电站三维模型、虚拟触控、3D实景操作等一系列实用场景，实现虚实结合、人机交互的变电站操作技能培训与考核。本文通过对变电站的日常维护流程与培训考核进行研究，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，全面辅助业务人员对变电站日常操作设备维护进行实时培训与考核。
关键词：虚拟现实；变电站；虚实交互；考核分析
1 引言
随着电网规模越来越大，结构越来越复杂，变电站数量越来越多，电网对变电站的维护与日常操作的工作量越来越大。现有变电站仿真培训系统难以使得维护人员快速掌握技能，因此需要在现有仿真培训系统的基础上，通过对变电站设备如变压器、母线、刀闸等进行3D建模，模拟变电站仿真运行，实现变电站各种运行工况展示及日常维护操作，模拟变电站故障定位及事故处理，培训学员通过头盔显示器和操作手柄等交互设备，实现与3D虚拟现实变电站场景设备的操作交互功能，改善培训效果，从而有利于较快提升变电站设备维护人员技能。
2 虚拟培训系统结构
虚拟变电站技能培训系统能模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况及操作过程，如工器具的检查、变电站日常巡视、操作票的流程与操作、事故处理等。例如在虚拟变电站内，受训人员按照操作票的内容进行操作，VR系统将会判断受训人员的每一步操作是否符合操作要求，同时变电站设备将根据操作进行正确反应，这样，模拟操作的过程和结果就与实际现场基本一致了。
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。它主要包括了以下几个模块：
（1）虚拟变电站对于用户是可见的，用户可以直接在其中模拟各种操作。
（2）建立变电站的一次设备及其操作机构、自动化装置及系统等的详细模型。
（3）在构建的虚拟变电站中，使用工器具、工作票许可、操作票培训与事故处理等，操作设备，改变设备状态，验证VR技术在变电站技能培训中的效果。
3 虚拟培训系统设计
3.1 设计思路
由于该系统是一套完整的基于VR的人机交互培训系统，第一步工作是要把整个变电站场景模拟出来。采用3dsmax软件做出一个完整的变电站模型，采用unity3D引擎把美工做的模型表现出。
第二步的工作是实现在虚拟的场景里进行模拟现实的操作。即把变电站标准化，实现对变电站的日常巡视工作、检查工具与设备、操作设备与更换操作等，方便工作人员施工前和新员工的培训与考核。
3.2 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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主要内容包括：基本对象表现、模型导入、图片导入、碰撞检测、灯光、材质和纹理、粒子系统、公告牌、天空体和天空盒、BSP和视景体裁剪（用以提高渲染效率）、动态图像序列（实现闪电、流水等效果）。
3.3 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，场景中的设备都具有标准规格，操作人员可以从各个角度对设备进行观察。特别是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。
4 具体实施方式
4.1 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。通过maya，3Dmax等软件，根据真实的变电站场景，进行标准的三维建模，实现变电站的标准化改造和虚拟的场景漫游。
4.2 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。
4.3 VR头显
VR头显是一种利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。
4.4 手柄操作
通过手柄选择与操作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手柄实时操作三维图形的需要。
4.5 考核分析
考核分析模块对学员的所有操作进行考核，针对现场实际的操作可能造成的危害进行完整性、正确性与操作顺序进行评估。评估学员操作是否完整、是否有被遗漏的步骤、是否正确、是否严格按照顺序进行操作。同时对学员的操作进行统计分析，针对一些遗漏与错误的步骤进行统计，针对每个学员出具考核评估与改进报告。
5 小结
本文建立的基于VR的变电站技能培训系统十分直观形象，培训人员可以直接动手操作而不会有危险。通过虚拟变电站与变电站仿真培训系统间的通信可实现用户与虚拟变电站的交互，很好的满足虚拟变电站实时仿真、实时动作的要求。通过3D虚拟技术模拟真实场景使电力培训更加生动形象，极大的提高了变电站培训考核效率，提高变电站运行人员的操作技能，降低了事故风险，并降低了培训的成本。
参考文献
[1]潘李兴，刘文婷.基于标准化的变电站自动化设计与实现[J].现代制造，2012（33）.
[2]魏焱.基于VR的变电站智能巡检场景研究与设计[J].科技视界，2013（27）.
[3]赵梓蓉.四川220kV变电站仿真培训考核系统的设计与实现[J].四川电力技术，2012，35（06）.
论文作者:简子杨,吴孝洁,徐进
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/8
标签：变电站论文; 操作论文; 设备论文; 场景论文; 系统论文; 建模论文; 人机论文; 《防护工程》2019年第7期论文;