基于虚拟现实技术的电网安全警示教育系统设计

蒋婷婷，张崇亮，刘志恩，马启林，孙晨曦，韩 凯

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000)

近年来，随着电网规模的不断扩大，运行人员的违章作业导致的电网安全事故时有发生，已成为电网事故的主要原因之一。安全生产培训是提高电网员工安全素质、防范伤亡事故、减轻职业危害、确保电网安全稳定运行的有效途径。然而，当前的安全教育主要采用理论学习和在现场跟班学习的方法进行，同时在培训过程中不能通过实际设备直接操作进行人员培训，更不允许人为设置一些事故让学员观察和体验。这使得当前的培训无法达到安全警示的目的，导致培训效果不理想[1-3]。因此，改善电力安全作业人员的培训现状成为电力企业对培训机构的迫切要求。

目前，国内外相继研发出了基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统[4-6]。例如，加拿大等国家已经开发出了基于虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)的变电站仿真培训系统。国内有针对江西赣东北供电公司的 110 kV东风变电站研制的虚拟变电站仿真培训系统，该系统包括了变电站虚拟开关场和虚拟主控室等部分。诸如南京理工大学、武汉大学电气工程学院等国内高校开发出的基于微机平台的虚拟现实变电站仿真培训系统，也已成功应用于实践中。可见，以网络、虚拟现实、三维图形技术为代表的电脑信息科技的发展，为电力安全教育培训的实施提供了新思路。

本文开展基于虚拟现实技术的电网安全警示教育系统设计研究。利用3DMAX软件构建事故现场，利用粒子特效模拟电网事故效果，在虚拟环境中，培训人员通过对设备的违章作业，体验违章作业导致的相应电力事故，提高其安全作业的安全意识，达到警示教育的目的。

1 事故场景构建

开关柜模型根据浙江桐乡变电站为参考对象(见图1)，进行取材和测量，确保了模型的真实性和准确性。

根据图1可知：开关柜根据结构可以分为开关柜柜体；上柜门，柜门显示器，柜门按钮，柜门后部按钮接线口；中柜门，柜门按钮；下柜门，柜门按钮；后柜门；上柜内部，内部电表，接线盒，开关按钮，接线按钮；中柜内部，内部机械连锁装置，小车挡板，二次插口；下柜内部，避雷器，铜片，零式电流互感器，电缆；后柜内部，接地开关，电流互感器小车。

导入搭建场景所需的模型，如开关柜，房间，灯，灭火器，工器具等并调整材质球参数。

按照所需的场景摆放模型，并将警戒线与模型排列对齐。点击场景窗口的灯光切换，将场景照明关闭。在场景上添加墙灯的模型并摆放在适当位置。选择墙灯，右键添加灯光，这里的墙灯为点光源，所以单击点光源。选择添加的点光源，在右侧的检查器中调整灯光的强度，范围，颜色参数(见图2)。

检查场景的布局，无误后选择房间，在层级中单击右键选择摄像机，在房间中心添加一个摄像机。在场景中移动到合适位置点击摄像机，并使用快捷键Ctrl+Shift+F将摄像头移动到当前视角。

2 事故效果构建

以爆炸效果为例，建立粒子特效：创建初步粒子物体，选中粒子物体在编辑展示界面有默认的粒子参数和形态效果；根据粒子组件的参数进行调整，调整粒子大小、播放时长、粒子变化路径、粒子显示范围，粒子播放速度等调整成自己需要的粒子基础状态，根据Renderer调整粒子的视觉状态，添加Materials材质赋予单个粒子最基本的形态和颜色材质，实现最佳的粒子状态效果，利用unity3d引擎软件制作粒子特效展示。

根据现实爆炸效果剖析爆炸形态：火烟、火花、烟雾和爆炸后的痕迹。火光、火花和烟雾三种都需要根据粒子特效的参数进行调整，由于爆炸后同时出现，所以开始时间是一致的，烟雾在爆炸后持续时间较长，可设定比火光火花时间久的时间。

2.1 修改默认粒子基础参数

爆炸火光比较激烈，火光粒子持续时间短，速度快单次产生，修改Duration参数为2；Looping不勾选；Prewarn表示粒子从无到有符合火光产生，不勾选；开始时间不延迟Start Lifetiome为0；粒子速度Start Speed可以选择固定速度或者区间随机生成速度；修改粒子生成的大小Start Size为合适大小；在VR场景中单个粒子效果具有3D特性，3D Start Rotation可勾选，开始产生的粒子角度随机旋转，适当的调整Start Rotation；火光在刚开始爆炸是红色，适当调整Start Color；粒子在开始产生就立即执行Play On Awake；其余参数对粒子的空间状态效果没有直接的影响，在综合特效完成时再进行综合调整。

2.2 调整粒子发射模式和形状板块

首先调整粒子发射Emision的数量：根据Rate over Time来确定每秒钟发射的粒子个数，尝试调试自己认为合适的粒子数量；根据Rate over Distance确定每个粒子之间的距离多少进行调整；Bursts用来调整每个时间段内里面的粒子数量。

调整粒子形状Shape，其中Sphere为球体，HemiSphere为半球体，Cone为椎体，Box为长方体，Mesh为网格。

火焰为井喷式效果，只需要改成Cone椎体效果；限制了产生的粒子在Cpne椎体框范围内的效果，调整椎体的倾斜角度Angle；尝试调整椎体上下面Radius的大小来达到符合场景需要的效果。

2.3 粒子产时长限速和粒子收到力的影响

(1)调整粒子方向轴的运动速度。调整Separate Axes，根据单个粒子在X-Y-Z三轴的方向来进行运动方向调整，选择Space的空间坐标方向，局部Local和世界World的方向轴使粒子进行不同模式的运动轴向。Speed和Drag来根据速度和总的周期长度来进行的阻尼大小。

(2)Force over Lifetime粒子在受到外作用力的情况的运动情况。选择粒子在局部空间和世界空间里受到外作用力运动的轴向，针对X-Y-Z调整不同大小的作用力的轴向和运动距离情况。

(3)最终调试粒子阻尼和外作用力的参数。

2.4 调整粒子发射中的颜色变化和大小变化

(1)在参数项Color over LifeTime中的色卡中选择需要的颜色值，在粒子发射过程中修改粒子的颜色值，Color中只选择一种颜色值代表粒子状态颜色只有一种，再附加颜色是渐变颜色值。

(2)在参数选项Size over LifeTime中修改粒子变化的大小，根据不同时间在下方列表中选择适当需要的粒子变化过程大小，在选项中粒子变化和时间是相关的，在不同时间间隔中根据两种粒子大小状态，进行均匀缩放大小状态，实现最终粒子形态。

2.5 调节单个粒子的渲染器和材质

(1)选择粒子的类型。依次是面向摄像机S轴的、H轴的、速度方向的(拉长射线)、模型样式的粒子，主要模型样式的粒子不可以用序列图，如果用必须Key UV动画。

(2)调整发射期间的粒子排序方式Sort Mode：

None：无排序(随机)。

By Distance：固定距离间隔。

Oldest in Front：最大单个粒子在前面。

Youngest in Front：最小单个粒子在前面。

根据实况VR效果，为了使爆炸效果更有冲击力烟雾会在爆炸的瞬间遮挡住人物的视线(VR眼镜：场景相机[CameraRig])，可以选择Oldest in Front/Youngest in Front。粒子烟雾在产生过程中为了使粒子效果在VR场景中更加真实，考虑到粒子效果受到实际光照的阴影效果，开启阴影投射Cast Shadows选项On；接收其他物体投射的阴影Receive Shadows勾选。

(3)选择渲染器的材质Material。材质主要表现在粒子表面的色彩和视觉形态，修改材质的粒子shader和需要的火焰纹理。

根据对粒子组件参数项的修改和调整，完成粒子效果的预览效果。根据场景需要可以调整粒子个数的多少，单个粒子的大小，粒子范围和粒子速度的修改，爆炸效果预览见图3。

至此而言，爆炸效果中的火光效果制作完成，后续还有火花特效、特效音效、多路径爆炸物散射特效的制作，最终融合起来以后，得到了一个完整的爆炸特效，可以在需要的时候使用。

3 安全事故体验

安全事故体验部分以高压开关柜带电合接地开关导致的安全事故为例，详细描述整个事故体验。

点击体验后，自动开始描述开关柜状态。

接下来会提示顺时针扳动接地刀闸的摇把(合闸)。

由于高压开关柜带电合接地开关，导致开关柜爆炸。

爆炸结束后，会用文字UI的形式显示事故原因，并且可以观看事故回放(见图4)。

点击事故回放后，会播放第三人称视角的开关柜状态，可以完全看清事故发生的原因(见图5)。

回放结束后，可以再次体验事故或者返回选择其他的事故体验。至此整个高压开关柜带电合接地开关导致的安全事故就结束了。这个体验的是事故的结果、过程和原因，通过爆炸特效和音效，可以让体验者身临其境，感受到如果做错了操作，发生了事故，会导致多么可怕的事情发生，来提高操作者的警惕性。

4 结语

通过对基于VR的电网安全警示教育系统设计和制作，通过利用3DMAX软件对电力设备和场景三维构建和渲染，利用粒子效果对事故效果的制作，实现对电力安全事故场景的还原。在所构建的虚拟三维场景中，作业人员通过模拟违章作业，沉浸式体验到违章作业导致的电力安全事故，使其了解违章作业导致的相应后果(如触电事故、高空坠落事故等)，提高其作业过程中的安全防范意识。