基于Torque引擎的电力安规虚拟交互培训系统

姚 凡，罗滇生，赵 静，汪会财，匡少林

（1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082；2.河南省电力公司，郑州450052）

面对电力生产中的新形势，国家电网公司提出了“一强三优”的发展目标，作为电力系统的统一目标和根本任务。在这种形势下，电力安全教育更加凸现出其必要性。电力工业的迅速发展对工作人员的培训工作提出了较高的要求。培训是提高工作人员素质及保证电力系统安全、稳定运行的重要手段之一，而电力系统的运行特点决定了不能通过实际设备直接操作进行人员培训，而传统的理论讲述培训与手册培训周期长、资金投入大、学员现场感差，因此进行仿真培训具有重要的现实意义［1］。仿真培训不仅是一种实践与理论的结合，且寓教于乐，并能够使学员身临其境，达到高效、安全培训的目的。基于虚拟现实技术 VR（virtual reality）［2］的培训方式应运而生，它具有信息容量大、多项演示、模拟生动、身临其境等显著特征，这是有限空间、有限时间的其它传统培训方式无法比拟的。而基于Torque引擎的电力安规虚拟交互培训系统以虚拟仿真训练的方式，把各个岗位的操作规程和安全规程以一种交互的方式体现出来，并且涵盖了每个危险点陷阱。电力职工通过使用该系统，能够熟悉每个岗位的操作规范和安全注意事项，从而在日常的工作中最大限度地减少事故的发生。

1 Torque引擎介绍

Garage Games的先驱产品是Torque Game Engine，简称TGE，它是3D计算机游戏引擎的改进，也就是说TGE是一个专业的3D引擎，而不仅仅是一个游戏开发包。它最初由Dynamix于2001年为第一人称射击游戏―Tribes 2而研发。后由Garage Games向独立开发者和专业游戏开发商授权。著名的由该引擎开发的商业版游戏有：Marble Blast Gold， "Minions of Mirth"，"TubeTwist"，"Ultimate Duck Hunting"和"Wildlife Tycoon：Venture Africa"。涵盖了目前市场存在的各种游戏类型和风格。

作为一款典型的游戏引擎，Torque包含了以下主要功能模块［3，4］：

1）事件输入模块；任何平台输入事件经由平台层解释递交到游戏，然后游戏按照一张全局动作映射表检查输入事件，这张表取代所有其他的动作处理程序。最后这些事件都被发送到主应用程序事件队列中。

2）资源管理器模块；Torque Engine会使用到为数众多的资源，比如地形文件、位图、形状、材质清单、字体以及内景等等，因此这个管理器用于管理各种游戏资源并提供一个加载和保存资源的通用接口，它支持每次只加载一种资源的一个实例。

3）形状和动画处理模块；该模块管理各种形状模型的显示和动画。图形引擎负责渲染整个场景，并决定一个给定的对象是否需要有客户端处理。

4）网络连接模块；该引擎提供了强大的C／S网络模拟支持，同时处理了三个基本的实时网络编程问题：受限带宽，数据包丢失和延迟。

5）窗口管理模块；此模块包含了游戏的菜单、设置、选项、对话框以及每个游戏进行时的消息系统，能控制游戏视觉外观并接受用户控制输入，提供各种按钮控件。

游戏引擎的元素由用户输入、图形、音频、事件、时序与同步、场景图、脚本、对象和资源、网络、文件I／O九部分组成。

2 关键技术

2.1 Torque引擎与3D模型组合

本引擎全面支持3ds Max与maya建模，由于本次项目采用3ds Max建模，所以可通过引擎规定的导出插件，把3ds Max所搭建的模型导出为.dts格式文件。Torque引擎在内部已经封装好固定格式的数据块，只需要在脚本文件中填写该模型文件的属性信息，所需要的模型就可以在虚拟场景中得到加载和实现。整个流程简单易操作，而且虚拟场景中的所有3D模型都可以自由地设置其大小、位置。电力安规虚拟交互培训系统的变电站三维模型场景如图1所示。

图1 Torque引擎中变电站的模型场景Fig.1 Substation model scene of Torque engine

2.2 Torque引擎与3D动画组合

3D动画整合与3D模型整合大致相似，3D动画也可以说是带有动作的3D模型，都是通过加载.dts格式文件，填写数据块属性值来指定给引擎，所不同的是由于有动作，3D建模会有两个部分，即骨骼和蒙皮。导出时骨骼与蒙皮是分开的，蒙皮也就是一个3D模型，而骨骼是一些存储蒙皮变换的矩阵，引擎通过不同的矩阵来控制虚拟人物的不同动作。当模型加载入引擎以后会再加载一个动作列表，该列表也可以在脚本文件中编写。程序员编写逻辑代码判断培训人员的键盘或者鼠标操作，通过匹配动作列表中动作各动作名称，达到不同操作不同动作的播放。

电力安规虚拟交互培训系统中的人物验电动作如图2所示。

图2 Torque引擎中的人物验电Fig.2 People examining electricity in Torque engine

2.3 Torque引擎与SQL Server数据库组合

本引擎在网络支持方面存在着缺陷，引擎本身也不支持SQL Server数据库连接，但可以用改动引擎的方法达到支持。

由于Torque是基于Win32平台，对MFC不支持，所以在改动引擎时选用 Win32连接数据库的方法，把该功能加进引擎源代码后对引擎进行再次编译，达到通过脚本文件，指定数据库类型、连接地址、表名、用户名、密码等，即可连接数据库，对SQL Server数据库进行读取、修改、添加、删除操作。

3 电力安规虚拟交互培训系统

3.1 系统简介

电力安规虚拟交互培训系统应用目前的计算机技术、信息及网络技术，采用虚拟现实的方法，为电力企业提供了一个3D互动电力安全教育培训平台。系统运用TorqueScript进行培训流程控制，采用SQL Server数据库记录受训人员的信息，采用xmlhttp的service技术与流媒体技术实现变电的无刷新实时电力安规培训操作场景，以3D游戏开发引擎Torque作为基础平台进行二次开发。

系统基于虚拟现实技术，综合运用图形、3D动画和声音等多种媒体模拟电力现场作业的实际情形，将电力标准化作业流程和安全规程以一种交互的方式体现出来，涵盖各种典型违章事故案例。同时，系统引入110kV、220kV变电站仿真系统，供变电运行人员进行巡视、操作、异常及事故处理的仿真模拟训练及考核，可供电力企业的各级管理人员和生产技术人员进行安全生产规程考核培训使用。

虚拟交互系统的结构如图3所示，主界面如图4所示。

图3 虚拟交互培训系统的结构Fig.3 Structure of virtual interactive training system

图4 虚拟交互培训系统的主界面Fig.4 Main interface of virtual interactive training system

3.2 系统功能

为了给电力设备运行、维护、检修人员提供全方位的仿真培训，通过构建一个虚拟仿真培训系统平台，为变电、线路运行人员提供系统结构、变电站设备、运行原理、运行规程、生产流程等的培训。尽可能地提供与实际工况相一致的软、硬件环境，使受训人员有身临其境的感受，掌握变电、线路运行操作控制的基本技能。进一步提升检修人员和老员工的业务水平，也为新员工提供对专业设备的感性认识，并具备一定的操作技能。通过使用虚拟仿真培训系统平台，在一定程度上解决了电力安全培训中不可视、不可摸、不可入危险性场所的的难题。同时对于变电站日常运行过程中并非每个员工都会遇到的故障和事故，可以利用本系统的预设场景，使受训人员在虚拟事故中得到"真实"锻炼，一旦真实的事故发生，得到"真实"锻炼的人员就可镇定自若地正确应对，把事故影响减至最小范围。

系统功能主要分三个模块，如图5所示。

图5 系统功能模块Fig.5 System function block diagram

1）实景培训

本模块采用现场实拍视频方式，完整记录电力标准化作业流程的各个现场操作。学员通过观看各种知识点的实际操作过程，对每一步操作都有一个感性的认识，理论结合实际，更有助于将安全意识融入到实际操作中。

2）虚拟交互培训

本模块采用VR虚拟现实，提供了一个3D互动电力安全教育培训平台。系统根据不同学员的培训需求，提供了整体、随机和游戏三种培训模式。

整体模式：该模式主要针对于新学员。在系统的提示下，学员可完成整个标准化作业流程操作，让其熟悉整个操作流程，并了解操作流程中的关键环节。

随机模式：系统将整个培训流程做内容分解，提取各个不同的关键操作环节并随机地供学员自由选择进行培训。

游戏模式：学员可自由选择培训内容，并能触发相关任务事件，可以获取成就、金钱、积分等，增加培训的趣味性。

培训开始时，系统将会下达培训任务书。任务书起作业指导作用，其中列出了要完成相应知识点正确操作步骤，是初学者顺利完成任务的有利保障。当完成培训任务时，系统将会给出任务报告，任务报告将总结作业过程，指出其中需改进的地方，给你任务评价，同时提供了作业时间、事故列表等参考信息，有助于规范操作，避免事故发生。

3）典型案例分析

本模块归类收集了国内近年来发生在供电企业的大量典型事故案例，以供电企业发生的典型违章事故案例为原形，采用事故现场资料和3D动画仿真的表现手法，生动形象地演示了事故过程，并结合《安规》相关条款，详实地分析了事故发生的主要原因，提出相应的防范措施，对电力职工的安全教育起到警示作用。

文献［5］描述的系统可实现的培训功能主要有现场漫游、电路图培训、安全工器具规范化操作指导、运行操作培训、维护检修培训、倒闸操作票培训、典型案例仿真处理、教员 －学员互动平台、学员－学员互动平台等，这些功能本系统都能实现。

为了实现以上培训功能，本系统须在技术上实现以下功能：

1）自动行走：利用引擎把键盘按键事件和人物动作做出绑定，在程序中判断其按键键值做出相应的动作。在碰撞检测中，给每一个物体套上一个和物体大小相同的盒子，并做出统一的命名，在虚拟人物身上也会有一个相同的盒子，当盒子与盒子发生碰撞时判断其盒子属性，其盒子属性分为：可站立，不可通过，事件触发等。

2）案例重现：将虚拟人物在电杆的操作过程全部存储在数据库中，每一次重要操作都会进行与标准操作的判定，是否为可操作，是否为正确操作等。如有错误发生将正确的数据提示，或在操作结束后，用正确数据将操作步骤以重放方式进行。

3）操作流程：由于每一个操作步骤都是在数据库中存放，所以可在数据库中动态的改变操作顺序以及匹配操作动作，程序将在初始化的时候读取数据库中的标准流程表，所以每一个场景的操作流程根据数据库中数据的不同动态的改变，但所改变的数值必须是虚拟人物动画中存在的动作。

4）娱乐性：在虚拟交互培训系统中将人物划分等级，以勋章数目表示，人物等级越高，其勋章越多，而且生命值也会有所增长，在虚拟培训中，生命值等于可出现错误的次数，而致命错误是不受生命值多少影响的，当然考试中是不允许出现错误的，既等级以及生命只对培训有作用，管理人员可根据安规规定在数据库中标识出致命错误，而且可考虑把培训人员的等级以百分比方式纳入考试中。

5）音乐播放：根据每个动作以及动作产生后的效果播放音效，而音乐采用三维立体声，既离声源的远近及角度不同会改变耳麦中左右声道的大小，让人能感觉到声源的位置，使整个操作更逼真。

6）虚拟场景：场景根据实拍照片所编辑，整个布局都可以灵活变动，在规定文本当中会存储某一个物体的大小，位置，碰撞体盒，而场景中的各种建筑都是由3ds max所键，这样很方便以后对场景的改动，也方便新增加场景。

7）工作虚拟：将一个电力工人所有工作流程以数据方式存储，而该数据与数据库当中匹配，因此只需要在数据库中制定好正确的工作流程，虚拟人物会在接受培训人员命令后进行相对应的操作，很好地处理了重复动作问题，即在整个操作流程中可能会出现多次的相同动作，而人物只有一个对应的动作，在数据库中将这个动作名称在不同的地方多次放置，就可达到该动作多次操作的功能。

3.3 系统特点

本系统利用Torque引擎，设计出了一个人机交互的虚拟交互培训平台，与传统的电力安规培训系统相比，具有以下与众不同的特点：

（1）顶级的三维游戏享受

本系统充分借鉴三维游戏的开发模式和技术。一方面以逼真的显示方式，为学员营造身临其境的感受，使学员得到与现场操作相近的效果。例如：在对电力施工流程建模中，除了模拟相关的电力设备，同时也需要模拟雨、雪之类的自然现象和触电时火花四溅等状况（系统中所涉及的3D模型均以实物为原型），并对相关地方配以声音。同时，在模拟电力操作时，常常按三维动力学的思想来设计，从而很好地模拟了系统中电力工具、设备受到外力时，产生的诸如自由落体、滚动、倾斜等动作。使得整个培训场景绘声绘色，给人的感觉与所模拟的客观世界非常相像，如同在真实世界一样。

另一方面采用人机交互运行方式和积分制。在虚拟环境中，操作人员通过自主选择推动情节向前发展，若操作错误，便扣除相应积分，这样便可充分发挥其积极主动性。

（2）灵活的人机交互

本系统通过OpenGL程序，完成移动、旋转和放缩过程中物体的三维几何坐标的平移、放大和缩小、坐标旋转［6］。根据计算机图形学关于物体和坐标系统变换公式，计算物体被操纵后的目标坐标值，从而使学员可使用鼠标、键盘对可视化的人机交互界面中的三维场景模型进行操作：平移物体、旋转物体、对物体拉伸、在场景中进行浏览、电力系统元件工作原理演示、将系统元件与其相联系的工作元件联合演示、出现故障如何进行抢修等。

4 系统数据流程图

图6描述的是电力安规虚拟交互培训系统各个部分之间的数据关系，即系统数据流程图。

图6 系统数据流程图Fig.6 System data flow diagram

5 结语

基于Torque引擎的电力安规虚拟交互培训系统是集实用性与有效性于一体的电力现场作业人员的培训方式，是虚拟现实技术的具体应用。本系统已成功应用于湖南省电力公司及其各下属单位，提高了电力工业企业和电力职工培训的积极性，在培训过程中人们充分享受培训的乐趣，改变了原来那种呆板的培训，使人们由“要我培训”到“我要培训”的转变，培训的效果大幅度提高。系统中虚拟现实技术、数据库技术、3D动画技术的完美整合，使整个系统不但大量节省了培训成本，而且提高了培训效率。

［1］ Frank Paul.Using simulations to provide safety and operations training in the electric power industry［C］∥IEEE Engineering Society Winter Meeting，New York，USA：1999.

［2］ 陈天翼，邱家驹，邱淘西（Chen Tianyi，Qiu Jiaju，Qiu Taoxi）.电力系统虚拟现实场景开发研究（PC－based VR environment of a power system training system）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU－EPSA），2000，12（5）：7－10.

［3］ Kenneth C Finney.3D游戏开发大全［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［4］ 李志丹（Li Zhidan）.应用游戏设计思想开发指控系统引擎的研究（Feasibility Study of Building Command and Control System Engine Based on Game Engine）［J］.计算机与数字工程（Computer ＆ Digital Engineering），2010，38（8）：118－121.

［5］ 徐良军，章建，蒋毅，等（Xu Liangjun，Zhang Jian，Jiang Yi，etal）.基于虚拟现实技术的电力安监仿真培训系统（Simulation training system for supervision of power work safety based on virtual reality）［J］.计算机系统应用（Computer System ＆ Applications），2010，19（11）：162－165，147.

［6］ 檀英杰 （Tan Yingjie）.OpenGL在变电站仿真系统中的应用 （Application of OpenGL in Substation Simulation System）［D］.天津：天津大学电气与自动化工程学院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation of Tianjin University），2008.