基于Web 3D技术的变电所仿真培训系统设计

许春香，许海涛，胡大海

(郑州工程技术学院 土木工程学院，郑州 450044)

随着我国电力系统的高速发展，“智慧电网”“智慧城市”和“智能家居”等诸多新概念与技术的提出，新供配电设备和与之配套的保护设备在变电所得到广泛应用，其运行操作进程也趋于复杂。变电所对设备维护人员的操作水平和故障发现与处理能力要求越来越高，而变电所运行维护人员对新技术、新设备缺乏足够的了解。电力系统(强电系统)存在高危险性，其在供电过程中的连续性要求，使得变电所在培训和教学中难以进行实际操作和故障演练[1]。因此，研究如何利用现代信息技术成果，构建人性化、实用化的培训平台，提高对变电所运行维护员工培训质量，改善培训效果，从而增强员工专业技能，是变电站培训系统研究的重点之一。

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术源于美国，具有三维空间表现能力、人机交互能力以及给人们带来身临其镜的感受，从而改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的交互现状，现已广泛应用于商业、设计、教育、军事、医学和娱乐等领域，并产生了巨大的经济效益[2]。Web 3D技术是B/S(浏览器/服务器)架构的分布式虚拟现实技术，基于Web 3D技术的变电所培训系统设计是对变电所教育培训领域的尝试。Quest 3D软件是一款优秀的虚拟现实设计软件。虚拟变电所在设计时，根据变电所的实际设备布局、设备构造与功能，运用3D MAX软件建模并渲染，并将模型导入Quest 3D，利用Quest 3D中丰富的预设通道(Channel) 技术搭建了变电所仿真培训系统。现代变电所设备随着技术的进步不断更新，研究基于虚拟现实技术的变电所仿真系统，不但能够对原有设备的功能进行模拟仿真，同时也能以虚拟仿真形式展现新引入的变电所设备，大大提高了变电所员工熟悉和掌握新设备的能力。该培训系统的优点主要是可以降低培训成本、节约培训时间、利用率高、减少“误操作”风险、易于维护和升级等，其应用前景十分广阔。

1 Quest3D软件介绍

Quest3D软件是Act-3D 公司开发的一款功能强大、应用广阔的实时三维项目制作软件，它能够将图形处理、声音、网络、交互设计、人工智能等技术融为一体，展现虚拟场景、设备、人物等复杂内容，是众多虚拟现实开发公司的首选[3]。Quest 3D 是基于DirectX引擎，通过通道式(Channel)程序创建方式，可以轻松创建效果绚丽的三维交互程序，避免了开发人员编写大量复杂代码的工作。当需要某些特殊功能时，可以使用SDK 的二次开发功能为Quest3D 添加新的通道(Channel)，提高了变电站仿真培训系统的可扩展性和可重用性[4]。该培训系统为学员提供了更全面具体的知识系统，友好交互功能的实现能够提高学员的学习效率。

2 变电所虚拟培训系统设计

基于Web 3D技术的变电所培训系统的设计流程如图1 所示。首先根据变电所功能要求和每个设备布局的情况，结合变电所上级主管部门的培训意见，制定符合本变电所员工的培训方案，然后采用3D MAX 软件建立变电所设备模型并将此模型导入Quest3D 软件中。接下来在Quest3D 环境下，根据变电所设备正常运行的工艺流程，通过模型交互设计，实现变电站的仿真并设计出简洁美观的运行界面。最后，对系统功能进行测试，发布成可执行程序的形式。

图1 基于Web 3D技术的变电所培训系统设计流程

2.1 制定详细培训方案

以典型的变电所设备为例，如变压器、高/低压配电柜、断路器、接触器和设备仪表等，让员工了解其外形、内部构造、常见故障和操作注意事项，并且根据设备的外观特征和动作特性，确定需要建立的模型以及要实现的功能。变电所场景主要是变电所内部环境，场景模型尽量符合常见变电所的装修风格。

2.2 运用3D MAX建模

3DMAX 软件为一款经典的3D建模软件。常见的三种建模方法为多边形、面片及NURBS建模。对于变电所的各种虚拟软件(变压器、高/低压配电柜、断路器、各种控制屏等，如图2至图4所示)本身的外形特征和内部结构详图来说，采用多边形建模的方法基本上可以满足设计要求。建模过程中要注意通过点、线和面相结合进行创作、分析和修改，该种模型布线控制相对容易，随意在模型上添加需要的要素，就能达到减少大规模修改的可能，同时也避免了模型导入到Quest 3D后出现重大错误问题等。此外，在运用3D MAX建模过程中要遵循一定的原则，从而提高整体的建模效率，改善建模效果，提升模型的完整性。例如，在不影响显示效果的前提下，多使用优化器进行全面优化，尽量降低对象模型面数；一边建模一边删处冗余部分，如及时删除多余的点和边，简化模型数据量，提高系统的运行效率；多使用快捷工具栏，例如，多使用系统的对齐工具，配电屏、配电柜等原件排列整齐，提高建模效率；建模时所有对象的贴图放在统一的文件夹类中，因为导入模型后的Quest 3D运行只支持检索一个指定的贴图目录；做好前期工作，如为增强建模和表现最终的渲染效果，可以在3D MAX创建的过程中确定合适的自由相机确定视域和视高[5]。这些技巧的掌握会对建模的质量和速度起到事半功倍的效果。

图2 变压器模型

图3 变压器铁芯结构

2.3 模型导入Quest 3D软件

将采用3D MAX建立好的数据模型导入到虚拟平台Quest3D 中，供后续的模型交互设计工作，根据变电所正常的操作规程，实现各功能部件之间的模拟操作。此外，在模型导入的过程中要十分注意模型文件格式的设置及转换，减少错误。例如，因为Quest 3D中对“.FBX” 格式的导出文件进行任何修改都不会影响源文件，所以建模完毕后，尽量将模型导出为“.FBX”格式文件。

图4 高低压开关柜

2.4 3D模型的交互设计

Quest 3D的通道技术是实现模型交互设计的关键。将3D MAX模型场景导入后，利用Quest 3D提供各种通道实现逻辑链接，且每个通道均有特定的功能和逻辑顺序。例如，断路器的每个分支模型，以动画的形式组装，触发开关部件，会显示相应的元器件动作，同时会提示操作注意事项，如果有错误操作会记录保存，以备下次操作提醒之用。根据流程规则将各通道组合，可实现复杂的交互逻辑功能，同时也可实现各种特效和动画表现，如建立相机、光晕效果、配电屏、变压器及背景配音之间的联系等[6]。

2.5 变电所培训系统发布

采用Quest3D软件设计的项目可能由许多子程序组成，发布成可执行的程序前，必须先将各个部分有机整合起来，如各个菜单屏幕和三维场景的融合。常用的整合方法有两种:一是使用各功能部件逻辑信道建立逻辑关系，进行切换; 二是使用Quest3D软件中自带的“Finite State Machine(有限状态机)”信道进行组织[7]。整合之后的文件才能发布。Quest3D常用的有Q3D 播放器文件、exe文件和安装文件等，其中Q3D 播放器文件可以在支持ActiveX控件的因特网浏览器上查看。系统加载成功后，分别在自动漫游、手动漫游等模式下操作，检验每一个功能是否存在漏洞，通过不断的测试改进，使变电所培训系统的功能更加完善。本系统可供Web查看。

3 虚拟变电所培训系统的设计与实现

3.1 总体设计

基于Web 3D技术的变电所培训系统是对现有变电所设备的数字化和虚拟化处理，通过该模拟培训系统能够给员工提供逼真的3D变电所设备和虚拟场景，给变电所运行维护员工以身临其境的真实感受，是一种崭新的培训模式[7]。根据变电所培训功能的需求，查阅变电所操作规程，结合上级主管部门意见，将变电所系统设计为以下四个部分:(1)变电所主要设备模块的建立。模块要真实反映实物特点，例如，对变压器外壳，变压器内部线圈要接近真实建模；对断路器的缺口、凹槽，通过渲染手段达到更逼真。通过建立变电所模块库，实现各类电气设备( 如变压器、高/低压配电柜、断路器等) 的虚拟仿真。(2)实际操作模块的建立。构建3D虚拟实验环境，真实模拟电气设备的运行和测量仪器工作，如断路器触发动作，变压器过载、高温和缺相等故障状态报警，配电柜指示灯按规程亮起等功能及逻辑关系。(3)构筑管理平台模块。通过建立开放式虚拟变电所管理系统，来实现对整个虚拟变电所的全局管理。整体功能是按照变电所操作规程，模拟变电所的正常运行来设计的。(4)升级维护。虚拟变电所的功能会根据变电所员工提出的新的功能要求不断更新升级，在不断的升级中逐步完善虚拟变电所的整体运行效率。

3.2 建模与交互设计

基于Web 3D技术的虚拟变电所培训系统的总体功能框架确定后，要进行系统的建模和交互设计。建模设计首先利用3D MAX模型库里的标准化模型设计出变电站元器件的整体框架模型，对变压器等设备的外壳建模时，宜采用拉伸建模技术，通过二维截面增加厚度，进而生成三维模型；接着再通过快速工具栏的编辑样条线、车削、对齐等基本命令来对每个元器件模型进行完善和优化处理；最后通过挤出、编辑网格、外壳、锥化等命令来实现三维立体效果的变电站元器件模型。此外，还通过适当的加入辅助线等必要元素，使模型的建立更加方便。交互设计是建模完成后导入Quest 3D软件，根据变电所各种设备之间的逻辑关系和变电所操作规程，实现变电所的正常运行和故障报警等功能，最后通过整合各子程序功能，发布可执行文件。

3.3 虚拟变电所的演示运行

虚拟变电所的设计是为了更真实地满足对变电所员工的培训功能。在设计中，虚拟变电所设备模块尽量逼近实物，精度要求高，采用3D MAX建模能完全满足设计要求。Quest 3D软件功能强大，几乎可以不用手写代码，就能创建出图形应用程序，提高了程序设计人员的工作效率，大大缩短可开发周期。基于Web 3D技术的变电所仿真培训系统的运行效果如图5所示。

图5 虚拟变配电所内部场景

4 结语

本文针对变电所维护操作中存在的危险性和复杂性(设备不断更新)的特点，参考众多虚拟培训系统的构建，提出了基于Web 3D 技术的虚拟变电所的整体设计方案和实现方法，即采用3D MAX + Quest 3D的Web 3D技术组合建立虚拟变电站培训系统。结合变电所培训自身实际情况，该虚拟培训系统能改进变电所生产运行、维护、检修等培训手段，缩短培训周期，从而节省培训费用，提高经济效益。

[1]林向义.虚拟现实技术在电力培训中的应用[J].计算机仿真，2005(4)：241-243.

[2]万元,陈海波,黄孝恩.面向运行人员的风电场3D 虚拟化仿真培训平台设计及实践[J].水电站机电技术，2016(8)：64-67.

[3]黄伟峰.Web 3D技术的应用比较[J].电脑知识与技术，2014(31)：7274-7275.

[4]艾达,乔明明,李敏. Web 3D技术综述[J].微型机与应用,2014 (2)：4-7.

[5]陈伟，方琪，平原，等.Quest3D 在电力系统仿真培训中的应用[J].水电能源科学，2013(1)：223-225.

[6]王大虎,高会争,陈侠. 基于Quest3D的变电站仿真培训系统[J].中国电力，2016(9)：62-65.

[7]范冲,周凤平,周敏.基于Quest3D的虚拟测绘实验室的设计与实现[J].测绘通报，2014(2)：119-121.