基于多感知传感器的虚拟电力培训系统设计

赵 旭，陈永青，刘昊橙，李 蕊，陈开维，杨 勇，樊 蓉

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000)

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是一种利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境，使用者通过输入设备和输出设备进入虚拟空间中，成为虚拟环境的一员，采用自然的方式与虚拟环境中的物体进行实时交互、感知和操作虚拟环境中的各种对象，从而获得身临其境的感觉。VR具有如下特征：沉浸式；交互性；感知性。目前VR技术在电力培训中得到了广泛的应用，如用在电力设备运维、运行检测、检修作业等，并取得了较好的培训效果。目前的虚拟培训系统采用纯虚拟过程，缺少作业动作过程中动作信息的反馈，造成体验过程中作业动作不到位等现象，导致培训效果不良[1-3]。

本文介绍基于多感知传感器的虚拟电力培训系统设计，通过对作业过程中所涉及的电力工器具和电气设备互动点的分析，制作带有智能定位传感器的电力工器具和电气设备的互动模型。作业人员在虚拟环境中通过利用互动模型可真实地感受作业动作，克服传统虚拟培训设备体感效果差的缺陷，达到作业技能良好培训效果的目的。

1 作业场景构建

1.1 开关柜模型

建立模型应遵循先大后小，先简后繁的顺序，因此建模顺序应该为柜体、柜门、操作按键、指示部件，断路器、接地仓。

(1)首先建柜体模型(见图1)，创建一个Box，然后将Box的长宽高按照开关柜柜体对应大小进行调整，之后右键点击模型，选择转换为多边形编辑，将模型转换为多边形。对模型按照结构进行布线，使用挤出、桥接、连接等命令对多边形进行编辑将柜体建立完成。

(2)根据柜体模型的大小，开始建立柜门模型(见图2)。柜门的建立方法与柜体相同，但柜门每一个都可开合，所以需要调节成独立的物体。柜体前门要按照左侧轴进行旋转打开，还需要点击层次——轴——仅影响轴，将每个柜门的轴心位移到柜门左侧。柜体后门是拆卸式，不用对轴心进行移动。

(3)在柜门上建立操作按键、指示部键模型(见图3)，建立方法同上。需注意操作按键和指示部件的每个都要为独立物体，根据使用情况的不同，对物体的旋转轴进行单独调整，并且要根据物体间的关系设置层级关系。

(4) 隐藏柜门，显示柜体，根据柜体大小建立相应的断路器和电缆仓模型(见图4)。

1.2 分组整理创建层级关系

模型建立完成之后，需要进行分组整理并且创建层级关系。比如将柜门设定为柜体的子物体，将柜门上的操作按键设定为柜门的子物体。3DMAX有层级和层次两种排序方式，父子类和组关系应使用层次排序方式。

1.3 UVW应用

如果将所有物体的UV全部展开在一个贴图上，贴图的分辨率会变得很模糊，模型的细节会分辨不清，因此在模型展UV前要先将UV进行规划，可使用3DMAX的层排序来进行整理。整理完毕后点击命令UVW展开来展开UV。

1.4 检查并导出模型

建模完成后，选择物体，进入面级别，在Ribbon面板点击选择——按数值>4，来检查模型是否有多边面。检查完毕后，再查看模型是否缺失。一切完毕后，点击文件——导出，导出模型。

1.5 绘制贴图

在3DMAX中，贴图一般用默认的材质球和Vary进行调节，Vary能更好地体现出物体的细节和真实度，大部分的3DMAX场景建模所使用的都是Vary材质。但Vary材质与Unity的材质不能相互兼容，3DMAX本身的材质球没有很高的使用性。因此，在制作贴图时可导入到C4D，SP等软件中。

2 互动模型构建

2.1 虚拟工器具制作

分析模型结构，开始建模。如果建模型时有曲面模型，要用平滑命令给模型加入平滑。

整理层级关系，展开模型UV。

2.2 虚拟作业模型制作

构建避雷器，避雷器需要进行拆卸替换，操作点较多，建模时需要注意，先建出避雷器模型(见图5),再建出操作点所需的螺丝，接线头等地方。在构建完成一个之后，使用复制命令进行复制并排列整齐。

零式电流互感器模型如图6所示。零式电流互感器可以先用镂空方法在Box模型中间创造一个圆柱，复制中间镂空部分，使用法线修改器翻转法线，删除多余部分并进行连接。最后对整体形状进行调节得到外形。

电缆先使用圆柱体再进行调整建出大体，用挤出修改器构建层叠结构，再使用复制并旋转来建出倾斜模型。

3 作业动作模拟

以更换避雷器为例，描述整个多感知传感器的体验过程，先进入程序中的更换避雷器场景。

3.1 检查验电棒

验电棒的警报装置如图7所示。先拿起地上的验电棒，先用手指按压验电棒上端的警报按钮，检查验电棒是否可以正常使用。正常状态按压会发出警报声，如未发声，进入异常处理程序，防止意外发生。

3.2 验电

验电位置如图8所示。对开关柜下柜中金属裸露部分进行验电。

3.3 夹上接地端

把接地端加载开关柜下部金属片上，需要夹上的位置如图9所示。

3.4 夹上接地棒

将地上的三个接地棒依次接在黄色的裸露金属片上，完成接地操作，如图10所示。

3.5 更换避雷器

避雷器介绍如图11所示。绕到开关柜后方，找到需要拆除的避雷器(中间为例)，先拆除避雷器上方固定螺丝，再拆下连接线，最后再拆下下方的固定螺丝，最后摘下避雷器。

把拆下来的零件都放在一处，拿起新的避雷器，装上去，装的顺序正好与拆的顺序相反。先放上避雷器，然后安装下方固定螺丝，再放上连接线，最后安装上方固定螺丝。之后摘下接地棒，接地端，关上柜门，整个更换避雷器的过程就体验结束了。

4 结语

根据对电力工器具和电力设备作业过程中互动点的分析结果，完成对相应带有感知传感器的互动模型的制作。作业人员通过对互动模型的操作，实现在虚拟环境中沉浸式体验作业动作，克服传统虚拟培训设备体感效果差的缺陷，达到作业技能良好培训效果的目的。实物虚拟化技术可为今后电力作业技能培训提供一个良好的方法。