基于Unity3D的电力仿真教学系统

刘标 王大虎 徐炎军

摘  要： 针对现有电力系统仿真教学系统存在的事故仿真不足、缺乏真实感以及开发难度大的问题，以220 kV变电站为仿真对象，首先采用3DMAX软件建模，然后将模型导入Unity3D软件中，利用Unity3D提供的丰富的功能，搭建了一个完整的电力仿真教学系统，通过HTCvive虚拟现实设备实现了变电站场景漫游、设备交互、系统导航、故障处理以及考核平台等功能，弥补了变电站仿真系统沉浸感不足、设备交互简单、学员教学效果评价体系不全等缺点，在保障学员安全性的基础上，针对不同水平的学员制定不同的教学方案，提高了教学效果。

关键词： 电力系统;仿真教学;Unity3D;变电站

中图分类号： TM743    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.038

本文著录格式：刘标，王大虎，徐炎军. 基于Unity3D的电力仿真教学系统[J]. 软件，2019，40（6）：164168

【Abstract】： In view of the lack of accident simulation， lack of realism and difficult development of the existing power system simulation training system， the 220 kV substation is used as the simulation object. Firstly， the model is modeled by 3DMAX software， and then the model is imported into Unity3D software and provided by Unity3D. The rich functions of the system have built a complete power system simulation training system. Through HTCvive virtual reality equipment， the functions of substation scene roaming， equipment interaction， system navigation， fault handling and evaluation platform have been realized， which has made up for the lack of immersion in the substation simulation system. On the basis of ensuring the safety of the trainees， different training programs are developed for the trainees of different levels， and the training effect is improved on the basis of ensuring the safety of the trainees.

【Key words】： Power system; Simulation training; Unity3D; Substation

0  引言

随着我国经济的快速发展，电力在国民经济生活中占据着越来越重要的作用。然而，随着电网的越来越大，电力系统越来复杂，对电力系统操作人员的要求也越来越高;同时，变电站运行过程中有许多由于设备原因、天气及误操作等会引起各种安全事故，对电力系统的安全运行带来了巨大的挑战。单纯地靠引入先进的控制技术以及提高变电设备的智能化程度，不能从根本上解决问题。电力系统的运行需要人的参与，对工作人员的要求更高，因此，对变电站的工作人员的教学就更为重要。

传统的电力系统教学主要是课堂教学为主，通过一些手册、图片以及模拟板等来学习，内容枯燥乏味，学员学习兴趣低下、理解困难，教学效果不理想;变电站实操是在变电站设备上进行实际操作，教学效果好，但存在购买设备花费巨大，学员误操作容易引发安全隐患等缺点;一些新兴的电力系统教学会采用电脑仿真软件来对变电站的设备虚拟仿真，仍然采用传统的鼠标键盘操作方式，对于系统仿真沉浸感不足，操作体验与实际不符，不能呈现事故真实情况等。文献[1]提出利用Quest3D软件实现变电站仿真的应用方案，利用该软件实现变电站仿真中漫游、天气模拟等一些简单的功能，系统简单，开发成本低;但是，系统缺乏变电站事故仿真的研究，教学效率低下，只有一些简单的交互功能，学员学习积极性不高等。文献[2]等人提出沉浸式變电站仿真教学系统的实现方案，系统从视觉、听觉和交互方式为变电站教学带入了现场感，但系统仅从场景漫游和设备交互方面对变电站进行沉浸式仿真研究，缺少故障仿真教学环节和必要的考核平台，系统研发成本高，研发难度大，实用性不强。文献[3]提出了变电站仿真教学和学员事故考核的功能。完善了系统考核评价功能，为学员学习提供了评判依据，但对于仿真事故的处理，没有加入引导性学习，对学员的友好度不高。

针对以上不足，开发了电力仿真教学系统。在系统开发过程中需要先到变电站采集信息，对一些重要的设备多次拍照，根据采集的信息利用3DMAX软件对变电站设备进行建模，同时对模型进行优化，再将建立的模型导入Unity3D中，通过Unity3D实现系统的交互，然后通过连接htc vive虚拟仿真设备，学员带上虚拟仿真设备来进行沉浸式仿真教学，在进行故障处理的过程，会给出学员成绩，并指出学员的一些错误操作，并对错误操作进行纠正。

该系统将沉浸式仿真技术运用到电力仿真教学系统中，既加强了学员故障处理能力，又能够带入沉浸感，激发了学员学习的兴趣，提升了教学效率;系统开发出考核平台，弥补了传统变电站教学系统的不足，为学员学习提供评判依据，同时，能够指出学员的错误操作，学员可以通过引导，自我改正。

1  系统总体设计方案

该系统采用平顶山220 kV变电站为原型，主要对其一次侧设备：变压器、电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、避雷器、电力电容、谐波阻抗器及接地电压器等等，二次侧设备：测量表计、绝缘监察装置、控制和信号装置、继电保护及自动装置等进行了三维建模以及交互仿真。沉浸式变电站人机交互框架图如图1所示。

由图1可知，电力仿真教学系统主要由两大模块组成：学员模块和操作模块。在学员模块中，学员主要带上htc vive头盔来接收视觉、听觉等信息，同时通过htc vive的手柄接收动作反馈信息以及进行动作交互等;操作模块主要由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括htc vive的头戴式设备、vive无线操控手柄、vive定位器、一台高性能电脑等，通过该硬件可以把学员操作信息传递给操作模块，同时也能把操作信息反馈给学员模块。软件部分是实现电力仿真教学系统的关键部分，通过把3dmax中的设备场景模型导入到unity3D中，再使用贴图技术对模型进行优化，在unity3D中实现设备交互等功能，通过使用htc vive设备就可以实现设备交互、场景漫游和三维场景仿真等功能。

2  系统硬件配置

建议电脑配置GPU：NVIDIA? GeForce? GTX 970、AMD Radeon? R9 290同等或更高配置，CPU：Intel?Core? i5-4590/AMD FX? 8350同等或更高配置，RAM：4 GB 或以上，视频输出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2或以上，USB端口：1x USB 2.0 或以上端口;VIVE头戴式设备：屏幕：双AMOLED 屏幕，传感器：SteamVR追踪技术、G-sensor校正、gyroscope陀螺仪、proximity距离感测器，连接口：HDMI、USB 2.0、3.5 mm立体耳机插座、电源插座、蓝牙支持， VIVE操控手柄，多功能触摸面板、抓握键、双阶段扳机、系统键、菜单键。

3  系统构建

基于HTC vive、3Dmax以及Unity3D的电力仿真教学系统的总体流程图如图2。在系统的构建过程中，首先是对系统的模型进行构建，精细的模型能够提高系统的仿真程度，因此，模型的制作非常重要。首先，对于模型的制作，如果能找到CAD图纸，可以通过CAD图纸精确地建造3D模型;或者可以通过照片素材在3Dmax构建变电站模型。建好的3D模型再通过模型优化处理，之后导入Unity3D再配合HTC vive設备进行交互，最后为该系统构建界面并测试及优化。

3.1  三维建模

三维模型的构建是该系统的基础，三维模型必须保持与现实一致，同时也要保证三维模型精确性和完整性。三维模型的构建主要包括三维视觉建模和三维听觉建模。三维视觉建模主要包括几何建模、运动建模、物理建模、对象行为建模、模型分割等方法[4]。本系统主要采用几何建模的方法。几何建模软件一般包括3Dmax、maya、softimage、犀牛等，3Dmax软件具有应用广泛，上手容易，对不同文件有较好的兼容性等优点，因而采用该软件进行3D建模。

在3Dmax建模软件中，主要建模方法包括基础建模、复合建模、多边形（Polygon）建模、NURBS建模等，在构建变电站设备模型中主要采用多边形建模的方法，同时在三维建模的过程中，主要采用先整体后部分的思想来建模，对一些比较复杂的模型，可以先构建出模型的大致轮廓，然后再对细节进行优化;因多边形建模方法具有很明显的优点：首先具有较好的操作感，可以边做边修改;其次对模型的网格密度能够较好的控制，能够较好的把握模型的比例，因此本系统主要采用多边形建模的方法。在建模刚开始时，我们要先观察要构建模型的照片，包括前后左右等多张照片，对要构建的模型做到心中有数。例如，在构建变压器模型时，先观察模型照片，再在3Dmax中构建同等大小的几何体轮廓，然后将几何体转换成可编辑的多边形，在点、线、面等选项中对其进行编辑。在编辑过程中，尽量不要使用布尔命令对模型进行编辑，布尔命令会导致模型多点、断线、面重合等问题，在后期对模型进行优化时会造成模型畸变等一系列问题，造成后期模型优化难以实现。对于某一些模型需要多次用到，可以采用快照工具进行复制即可。

在模型优化的过程中，首先是要减少模型的面数，由于变电站模型数目巨大，模型数目众多，对模型面数的优化能够达到很好的效果。因此，采用以下几种方法：

（1）模型精简

对于结构复杂的物体，在运行中一些看不见的部分可以删除，减少模型面数，模型堆放中有重叠的部分都要删除，对于一些圆形、柱形的模型，在不失真的情况下，可以跳跃着删除点、线。同时，对于一些重要的设备模型要精细建模，例如：变压器、断路器、互感器等重要设备，都需要精细建模;对于一些不重要的模型可以简化建模。

（2）纹理映射

所谓纹理映射是采用将二维纹理照片映射到三维实体表面的方法描述场景细节，使用很少的多边形即可获得真实感三维场景[5]。我们可以把现场拍的照片经过ps处理过后作为二维纹理照片，在3Dmax中以贴图（为了降低电脑性能损耗通常贴图以512*512来处理）的形式赋给设备模型，通过这样处理可以不需要辛苦的构造模型的细节和材质细节，也能给模型一些真实感，简化了模型，减少了多边形的数量，也节省了大量的人力和时间。

（3）阴影烘焙

对于三维场景中静态的模型，我们可以采用阴影烘焙技术来降低对电脑性能的开销，阴影烘焙技术主要是把巨量计算的虚拟光照信息生成纹理贴图，也叫做光照贴图，光照信息被写入这些纹理当中，同时，为了进一步降低模型中多边形的数量，我们采用一个变电站设备两个模型，一个模型保留设备的各种细节信息;另一个模型是这个模型的精简版，去掉一些细节信息，然后通过阴影烘焙技术把模型细节和光照信息一同烘焙到另一个精简模型贴图上，这样既能够达到仿真效果在使用时也能减少卡顿提高系统流畅性。

3.2  交互技术

3.2.1  漫游

在变电站漫游主要是学员对变电站进行设备巡检以及在事故仿真中对事故进行正确的处理。学员通过使用HTC vive设备可以在虚拟场景中进行设备巡检，使用沉浸式设备观察一、二次设备的状态。在事故仿真中，通过随机产生事故如：变电站着火冒烟、互感器瓷瓶破裂等，学员通过引导能够正确处理事故，锻炼学员处理事故的能力。如图3、4，电力系统仿真一、二次仿真设备。

3.2.2  导航

变电站漫游过程中需要小地图来进行导航，能够很好的了解变电站中各个设备分布。小地图的构建过程：首先，我们需要确定小地图的位置及大小，通常小地图是放在右上角能够实时了解自己的位置，在U3D设置中添加texture放到右上角，修改成合适大小;在添加一个摄像头并设置成跟随和垂直投影，然后将投影的画面显示在texture上面，摄像机要调好显示的大小，texture注意不要被其他物体遮挡[11-12]。

3.2.3  设备交互

在进行变电站漫游时，学员可以对变电站设备进行交互，该交互主要通过HTC vive手柄实现，在虚拟场景中，主要通过手柄与3D模型的碰撞来实现各种交互功能，主要的交互功能包括对设备拆装，了解设备内部构造;或者对设备进行操作，例如，打开二次侧柜门，通过手柄与门把手接触并按住按钮，触发判定手柄抓住门把手，再像正常开门时一样打开柜门，手柄也可以发出激光，激光打在想要了解的模型上就能显示模型的名字及功能的介绍，也可以把模型单独拉出来，进行全方位的观察[7-10]。

在设备交互过程中，设备的主要触发事件是碰撞，为了使事件能够发生通常我们在模型中添加Box Collider组件，这样，当手柄与物体接触，能够触发调用OnColliderEventHoverEnter（）函数，使得门能跟随手柄活动从而被打开。为了精简编程过程我们可以添加SteamVR Plugin和Vive Input Utility组件，能够大幅度减少编程的工作。关于手柄发射激光，对于一些训练场所较小的地方，不能任意走动，采用左手手柄会射出一个抛物线激光，当pad按下的时候，会传送到抛物线和物体交汇处，从而实现远距离移动，右手激光与实物交汇处显示出模型的名字及功能的介绍。

3.2.4  故障处理

针对变电站故障本系统采用两个学习方法，第一，通过使用原理图的方式查看。学员选择不同的设备以及对应的故障后，能够了解故障原理以及故障的正确处理方式。这个方法主要针对初步了解变电站的学员，通过了解学习后，学员进入下一步学习方法;第二，通过使用HTC vive设备进入变电站虚拟场景进行实际操作。变电站设备故障主要包括静态和动态。静态故障主要包括互感器外绝缘破裂、端子箱标牌掉落、变电站设备出现渗油漏油等现象。动态故障主要是指场景设备有明显的动作表现的现象，例如，变压器着火喷油、互感器冒烟等。通过使用虚擬仿真设备跟随系统的提示对故障设备进行正确的处理。

3.3  考核平台

学员通过穿戴虚拟设备以漫游的方式进入虚拟仿真场景，教员随机选取变电站设备故障，学员检查场景的故障现象，同时对场景的现象进行处理，最后检查处理最后提交数据库，系统根据教员设置的故障的信息表以及学员的操作信息等进行处理，最后给出学员的考核成绩。

3.4  系统测试与发布

在电力仿真教学系统中主要的功能实现后，需要对系统添加一个登陆界面，不同的学员可以通过登陆界面登陆系统并了解自己的信息;系统的测试，需要多次的运行系统并测试，对于出现的系统BuG进行修复，直到系统稳定后，因U3D具有强大兼容性，可以发布windows、ios、android等平台，本系统主要在windows 10系统下运行，通过U3D平台打包成.exe格式即可。

4  结语

（1）在教学过程在，通过使用沉浸式系统仿真技术，用3D模型代替枯燥2D图片，能够引发学员的学习兴趣，提高学员学习的积极性，提升教学效率。

（2）通过使用电力仿真教学系统能够减少教学费用，同时，可以在不同的地方学习，提高教学便携性，减少教学过程中容易造成危险的操作，保障学员安全性。

（3）Unity3D具有多种模块和插件，能为系统开发带来了很大便利，缩短了开发周期，提高产品实时性，减少了开发费用。Unity3D有很强的兼容性，能够在多种平台发布，降低不同平台维护成本。

（4）系统实现了变电站场景漫游、设备交互、系统导航、故障处理以及考核平台等功能，弥补了变电站仿真系统沉浸感不足、设备交互简单、学员教学效果评价体系不全等缺点，在保障学员安全性的基础上，针对不同水平的学员制定不同的教学方案，提高了教学效果。

参考文献

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