基于虚拟现实的牵引变电所仿真技术研究

廖 峰，韩志伟



基于虚拟现实的牵引变电所仿真技术研究

廖 峰，韩志伟

针对牵引供电系统传统培训方式受场地、安全、成本等因素限制，提出基于虚拟现实的牵引变电所仿真平台设计，对牵引变电所进行全三维场景建模，并对系统三维场景组织方式进行对比，研究三维场景模型和地形资源的动态调度技术，同时将三维场景与虚拟现实技术相结合实现了牵引变电所的沉浸式系统仿真。实践证明，该仿真平台模拟真实度高，使培训方式更加具体形象，极大地提高了培训效率。

牵引变电所仿真；虚拟现实技术；资源动态调度

0 引言

牵引变电所连接电力网和牵引网，是牵引供电系统中电能传输的重要部分。牵引变电所的安全可靠运行对确保电力机车安全稳定取流具有重要意义，而变电所运行维护人员则是影响牵引变电所安全可靠运行的直接因素[1]。因此，加强对变电所运行维护人员的技术技能培训显得至关重要[2]。

近年来，美国、加拿大等国家已陆续开发了基于虚拟现实技术的变电所三维仿真培训系统，而我国在这方面处于起步和探索阶段[3，4]。文献[5]建立了虚拟电气设备及变电所，将基于Matlab的电力系统仿真软件与虚拟变电所连接，模拟变电所的运行状态；文献[6]通过3ds Max建模，利用虚拟现实平台VRP提供的漫游功能，通过对场景中对象的操作和控制，实现虚拟变电所培训系统的应用功能；文献[7]利用3ds Max建模工具和DynaVR-Net虚拟现实平台，设计开发了桌面型虚拟变电所仿真培训系统。

在牵引变电所传统培训中，学员主要通过观看视频、阅读教材、现场参观、师傅传授等方式进行学习，而这些培训方式存在以下缺陷[8，9]：（1）培训所需的硬件设备费用较高，且培训场地建设时间长，培训安全性较低；（2）除现场参观，其他培训方式中，学员缺乏对设备的直观了解；（3）培训难以模拟现实环境下的设备故障、设备维修等特殊设备状态。

因此，利用现代计算机仿真技术，对现实变电所进行三维建模，构造虚拟三维变电所场景，实现对牵引变电所系统的全三维化系统仿真，为受训学员提供一个虚拟的仿真学习平台，在此基础上对学员进行巡视、值班、倒闸、检修等职能培训，藉此可解决上述传统培训方式的不足。

1 系统总体设计

牵引变电所的日常工作主要包括电气设备巡视、倒闸、工作票办理、检修和故障处理等[10]。由于变电所场景节点多、规模大，电气设备分布集中、逻辑操作复杂，为了保证仿真平台渲染的实时性、操作的逻辑性以及可扩展性，基于系统结构化、模块化的设计思想，提出一种牵引变电所三维虚拟仿真平台架构方案。该平台的系统结构分为数据资源层、系统实现层和人机交互层，如图1所示。

图1 牵引变电所三维虚拟仿真平台系统结构

2 系统资源场景的组织

2.1 牵引变电所场景结构设计

根据牵引变电所设计图纸等资料，在对变电所设备进行高精度建模的基础上，对牵引变电所三维场景进行组织。三维场景分为室内场景和室外场景。室外场景主要包括隔离开关、互感器、断路器、变压器等三维模型。室内场景包括工具室、值班室、高压室、检修室等场景。工具室场景包括各类电气工具模型；值班室场景模拟职守人员日常办公；高压室场景主要包括断路器等高压设备模型；检修室场景模拟日常各类检修作业。图2为牵引变电所的整体布局结构图。

图2 牵引变电所布局结构

2.2 三维场景组织方式研究

三维场景组织方式包括静态几何、实例几何和实体几何3种。采用此3种方式分别进行三维模型的大规模渲染以比较其渲染效率，如表1所示。三维场景中渲染了50个隔离开关模型，3种组织方式的三维效果相似，但静态几何渲染和实例几何渲染的批次数相同而且较低，帧率较高，相同数量的实体几何渲染批次数较高，帧率较低。因此，在对牵引变电所场景进行组织时，应减少实体几何的使用，只保留部分关键设备实体几何的应用。

表1 三维场景组织方式的批次及帧率对比

3 三维实景地形仿真

三维地形由一系列地形网格组成，将平面网格的每个顶点赋予一个在方向上延伸的高度值，通过该方式绘制一块具有高低起伏效果的平面，从而模拟现实世界中的地形。

高度图实际是一个二维数组，该数组包含每个数组元素的索引值和存储值，即灰度图中的像素和像素的灰度值。而地形网格同样也包含网格顶点和网格顶点的高度。因此，高度图中二维数组的每个元素与地形网格中顶点是一一对应的。二维数组的索引值可以用于定位不同的网格顶点（,），其所储存的数值可以用于设置网格的高度（）。只需依次遍历高度图二维数组的行和列，获取每个像素点的灰度值，并将其填充到对应网格顶点的高度（）数据中，即可生成与高度图对应的具有高低起伏效果的地形网格，如图3所示。

图3 包含高度信息的地形网格

通过纹理映射技术将纹理贴图映射到具有高度信息的地形网格上，使得地形网格具备颜色纹理等信息，从而实现了对现实世界地形的重构，完成了在变电所仿真系统中真实地形的模拟，模拟效果如图4所示。

图4 三维实景地形模拟

4 三维场景模型动态调度算法

由于三维场景涉及大量的渲染数据，如采用传统的一次性加载三维场景全部数据的方法，会导致初次加载三维场景时出现较长的等待时间，并占用大部分的内存资源。三维场景数据在计算机内存和外存之间的传输效率与其外总线速率关系较大，计算机外总线的传输速率往往低于内总线的传输速率，CPU的等待时间会随着数据量的增大而增加。为避免该问题，需将三维场景设备模型资源和地形资源分离，并分别对两者进行动态加载。

4.1 变电所三维模型混合加载研究

三维场景动态加载采用同步加载与异步加载相结合的方式。程序初始化时，采用同步加载方式快速加载三维场景关键区域模型，以满足用户基本使用需求；同步加载结束后，采用异步加载方式加载三维场景剩余区域模型。该动态加载方式极大地缩短了三维场景初始化过程中的等待时间，提高了系统运行流畅度。

（1）同步加载模式加载关键区域模型。

同步加载模式，即阻塞模式，其阻止程序的后续处理，停止了后续的解析，因而停止了后续的文件加载（如图像）、渲染、代码执行。因此同步加载模式不应对后续程序的执行产生过大影响。本文所述的同步加载模式仅加载三维场景关键区域模型。三维场景关键区域定义为牵引变电所室外的一次设备、二次设备和能与一/二次设备构成较为完整场景的对象，如变电所内房屋建筑、地板、道路、围栏、支持装置等。

（2）异步加载模式加载剩余区域模型。

异步加载模式，即非阻塞模式，在执行异步加载程序的同时，仍然继续进行后续的处理程序。在三维场景动态加载模式中，除去同步加载模式下加载的模型外，异步加载程序将加载剩余的所有三维场景模型，如变电所室内设备、地形模型、变电所外自然环境模型等。

4.2 三维场景地形模型动态调度研究

三维场景地形加载时，改变以往一次性将全部地形数据资源加载到内存的方法，在三维场景的异步加载模式下，采用实时解析人物模型位置数据，动态调度其所在地形块及其周围地形块的方法，加载一次仅占用少量的I/O时间，既提高了效率，又实现了不同地形之间漫游的平滑过渡和保持系统占用内存处于较低水平。

在程序的运行过程中，用户通过第一人称控制器在地形场景中漫游，通过场景摄像机获取视野范围内的地形场景，因此场景中用户能看见的部分是由当时场景摄像机所在的位置信息所决定，而场景摄像机所在位置又是由第一人称控制器决定，所以系统只需根据当前第一人称控制器的参数，对每帧作出是否加载或卸载周围地形块的策略，加载需要进入可视区的地形，卸载远离观察者的地形即可。图5为地形块加载示意图。

图5 地形块加载示意图

如图5所示，地形块（2，2）中五角星标志为人物模型所在位置，其周围灰色区域为已加载至内存的地形，共9块。图5所示坐标系下，经推导，地形块编号（_，_）与人物模型位置（，）换算关系式为

式中，为地形块单元的轴向长度，为地形块单元的轴向宽度，%为取模运算符，为整个地形在轴向的地形块个数，为整个地形在轴向的地形块个数。

5 基于虚拟现实的沉浸式系统仿真

为了更真实地反映牵引变电所的结构和组成，增强系统沉浸式体验，通过虚拟现实仿真技术对牵引变电所三维场景进行虚拟现实仿真教学的设计。通过虚拟现实设备，将搭建完成的牵引变电所三维场景渲染至双目头盔式立体眼镜结构的左右显示屏，通过虚拟现实设备的高精度传感器跟踪人体头部动作。当使用者环顾周围时，虚拟现实头盔立体眼镜以亚毫米级的精度跟踪人体头部动作，实现“六自由度”的三维场景操作，因而用户可对变电所虚拟场景进行高自由度的漫游操作。基于对牵引变电所的高精度建模，学员在虚拟现实设备中仍然可以观察到逼真的设备模型及其运行状况，渲染效果良好，如图6、图7所示。

图6 沉浸式3D虚拟场景仿真

图7 牵引变电所三维仿真场景

6 结语

针对牵引供电系统对工作人员技能要求的特殊性和传统培训方式受场地、设备、安全、成本等因素限制的缺陷，将三维模拟技术、虚拟现实技术应用到牵引变电所仿真系统中，对变电所进行全三维场景建模，并对系统三维场景组织方式进行对比研究，使用纹理映射技术对真实世界地形进行仿真，研究实现了三维场景模型和地形资源的动态调度技术，同时将三维场景与虚拟现实技术相结合，实现了牵引变电所的沉浸式系统仿真。该仿真平台具有成本低、模拟真实度高、无危险、可反复演练等优点，可极大地提高培训效率，增强培训效果，实现了三维虚拟现实技术在员工培训方面的有效应用。

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[2] 黄清江. 探讨电力企业变电运维人员的现场培训工作[J].城市建设理论研究：电子版，2016，6（2）.

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With respect of factors of places, safety and costs restricting traditional training mode for traction power supply system, the paper puts forward the virtue reality based simulation and design platform for traction substation, by establishing of all three dimensional landscape model for traction substation, comparison of the organization mode of system three dimensional landscape, the researches are made for the dynamic dispatching technology for three dimensional landscape model and terrain resources, and immersive system simulation of the traction substation is realized with integration of three dimensional landscape and virtual reality technology. The practice shows that the simulation platform has higher simulation trueness, lets the training to be more concrete and vivid, and improves dramatically the training efficiency.

Traction substation simulation; virtue reality technology; dynamic dispatching of resources

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.024

TM743

B

1007-936X(2018)06-0095-04

2018-03-28

廖 峰.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

韩志伟.西南交通大学电气工程学院，讲师。

国家自然科学基金（U51407147）。