沉浸式建筑供配电虚拟实验系统的设计与实现

曹祥红，袁凯鑫，童 硕，杜 薇

（郑州轻工业大学 建筑环境工程学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

《建筑供配电技术》课程是建筑电气与智能化以及其他相关专业的必修核心专业课程，其应用性和工程实践性强，需注重理论与实践结合，因此开展课程相关实验尤为重要。《建筑供配电技术》的实验课一般仅有8～10个学时，仅能开设4～5个实验。同时由于建筑供配电实验设备体积大、电压高，对安全性、实验室空间和投资要求较高，实验内容仅包括基本设备认知、基本线路连接等，以演示性操作为主，无法有效通过实验课提高学生的动手能力和工程实践能力。

近年来不断发展的虚拟现实（VR）技术，主要是通过计算机模拟虚拟环境，使人们在操作过程中可以得到关于环境的最真实反馈，实现了人机交互。VR技术具有直观性、多感知性、交互性和生动性等特征，在工业仿真、教育、军事等领域得到了广泛应用，使得突破传统实验在安全性、大空间和高投资方面的限制成为可能。目前，已有VR技术在电力行业应用的研究。例如，丁毓峰等利用Unity 3D进行虚拟场景的搭建和交互开发，并利用网页动态展示机电产品的工作原理与拆装过程；陈海波等探讨了VR技术在电力系统运行维护和工程设计中的应用；陈丽丹等研究了“跌落式熔断器的拉合操作”虚拟实验，并使用HTC VIVE穿戴设备进行了虚拟实训操作；陈永波等研究了沉浸式变电站仿真培训系统，实现了基于Kinect体态识别的场景漫游技术；王大虎等以某10 kV变电所为原型，将VR技术与变电所操作教学相结合，在Unity 3D软件中利用C#语言编写相应的脚本，完成10 kV变电教学仿真系统的开发。然而，关于将VR技术应用于建筑供配电技术实验的研究还较少。

本文提出将虚拟现实技术应用到建筑供配电技术的实验教学中，设计并实现了一个沉浸式建筑供配电虚拟实验系统。利用建模软件和开发引擎对所需模型和实验环境进行创建与搭建；基于沉浸式交互设备与开发引擎，通过UI设计、脚本设计与挂载、物理引擎添加、碰撞检测等手段完成虚拟实验系统的设计与实现，并进行了优化、发布与实践应用，使学生能够在虚拟环境下进行预设实验或自主实验。

1 建筑供配电虚拟实验系统设计

1.1 系统的总体设计流程

系统设计是以调查分析、功能构建、模型创建、场景搭建、交互开发、优化发布为主线，以3D Max、Unity 3D、HTC VIVE为工具，借助3D Max的建模、材质贴图技术，Unity 3D的PBR渲染、物理引擎、碰撞检测算法以及HTC VIVE的VR交互技术，完成对建筑供配电虚拟实验系统的设计与开发。系统的总体设计流程如图1所示。

图1 系统设计总体流程

1.2 系统的总体框架设计

虚拟实验系统设计划分为交互层、功能层、数据层。老师或学生通过交互层进行操作，比如通过VR手柄操作电气设备的通断；功能层主要包含各个实验模块，如建筑供电设备组件认知模块；数据层针对系统所需的电气设备信息、操作流程信息及操作记录信息等建立数据库，目的是供功能层调用和存储学生的操作过程。系统总体框架设计如图2所示。

图2 系统总体框架设计

1.3 系统的功能设计

建筑供配电虚拟实验系统的主要设计目的是解决真实实验中存在的时空限制和安全性等问题，其功能包含建筑供电设备组件认知、拆装和建筑供电故障操作等实验操作与分析。建筑供电设备组件认知实验主要通过漫游观察认知设备，在虚拟环境中学习和认识设备的信息、原理、功能、结构整体性；建筑供电设备拆装实验主要对某些常用的电气设备或电气设备的某部分进行虚拟拆分和组装，如低压馈线柜的断路器抽屉；建筑供电故障操作实验主要通过对虚拟故障设置柜进行不同的故障设置，并根据电力系统继电保护原理和电气主接线的“四性”要求，对隔离开关、断路器进行通断操作。

2 建筑供配电虚拟实验系统基础构建

通过对真实实验室的观察可知，虚拟实验系统所需模型分为高压开关柜、变压器柜、低压计量柜、低压补偿柜、低压联络柜、低压馈线柜、故障设置柜等。分别采用3D Max和Unity 3D对虚拟电气设备和虚拟实验环境进行创建和搭建。

2.1 电气设备创建

3D Max具有强大的建模能力，被广泛应用于建筑设计、工业设计以及辅助教学等领域。模型的创建遵循“观察→拆分→创建→修改→组合”这一流程。以低压馈线柜抽屉为例来说明利用3D Max建模的过程，真实设备与虚拟模型对比如图3所示，其他电气设备和辅助设备建模过程和方法同理。观察：观察低压馈线柜抽屉的组成部分，包括断路器、断路器操作机构、电流互感器、进出线接口、信号传递接口、导线、显示仪表等，并使用测量工具对其各个组成部分进行尺寸测量。拆分：确定尺寸后，将其在空间上进行拆分，拆分为接口类、导线类、电器类、机械操作类以及仪表显示。创建：根据拆分后的独立部分，选择基本长方体对柜体、电流互感器等进行创建；选择样条线对断路器、熔断器等进行创建；选择基本圆柱体对导线、操作手柄等进行创建。修改：对创建好的模型进行修改，目的是使创建的模型更加真实。对基本长方体进行插入、挤出、对齐等修改，完成对柜体、电流互感器的建模；对使用样条线构建的断路器、熔断器加载平滑修改器；使用弯曲、缩放等修改器对“导线”进行接近真实的修改。组合：将修改后的模型按照真实物体进行组合连接，组合时尤其要注意不能出现穿透、重合等现象，否则会对后期的碰撞检测造成影响。

图3 真实设备与虚拟模型对比图

2.2 虚拟实验环境搭建

Unity 3D是一个多平台的综合型游戏开发工具，具有易用性和跨平台性等诸多优点，近年来受到广泛关注。本文选用Unity 3D进行整体虚拟实验环境的搭建、渲染、贴图等技术处理。首先将3D Max创建的模型以“.FBX”的格式导入Unity 3D中，并按照真实实验室设备布局对模型进行位置变化、比例变换、坐标轴变换。图4是利用Unity 3D搭建的虚拟实验环境。

图4 虚拟实验环境

3 虚拟实验系统的交互设计与实现

建筑供配电虚拟实验系统的交互设计与实现是以HTC VIVE体感设备和Unity 3D搭建的虚拟实验环境为前提，需要通过API接口使二者建立连接以实现交互操作和显示。相比于传统的鼠标、触摸屏交互手段，沉浸式交互过程中的触觉和视觉效果更加真实。虚拟环境下的交互离不开碰撞检测。

3.1 HTC VIVE与Unity 3D连接

交互实现的基础是通过定位系统（Light-house）获取VR头显的位置、旋转速度来实时对应虚拟环境中摄像机的视角；通过获取VR手持控制器的输入来实现与虚拟环境设备的交互，如Trackpad可用手指进行触摸和点击实现瞬移、传送、选择等交互操作。Unity 3D和HTC VIVE硬件设备之间通过Steam VR接口实现软硬件结合。调用Steam VR Plugin中的[CameraRig]组件实现对HTC VIVE硬件的虚拟化。

3.2 碰撞检测

碰撞检测是为了判断同一时刻、同一空间位置下是否存在两个物体，其结果是响应碰撞操作、显示碰撞结果的基础。本文主要针对空间下的普通包围盒进行应用，分为以下三类：第一类是球包围盒（Sphere Collider），适用于球形、椭圆形或对碰撞检测要求不高的模型上；第二类是矩形包围盒（Box Collider），适用于矩形类或对碰撞检测要求较高的模型上；第三类是网格包围盒（Mesh Collider），适用于复杂、不规则的模型，相比于前两种碰撞盒，其最大的优点是能精确检测碰撞，最大缺点是耗用内存较高。

3.3 交互设计与实现

在软硬件正确建立通信的基础上，对虚拟环境设计UI界面，对模型做进一步处理，如物理引擎的添加、组件的挂载、脚本的编写与加载等，完成对虚拟环境交互的设计与开发。以虚拟计算机交互体现虚拟实验系统的经济性，以低压馈线柜结构认知交互体现不受时空限制性，以低压馈线柜通断负荷供电交互体现不受安全性限制。

3.3.1 虚拟计算机交互

虚拟计算机是将UI Canvas融入到虚拟环境中的表现，与虚拟计算机的交互相当于与UI Canvas的交互。实现交互过程如下：首先创建UI Canvas，在其Panel上添加UI组件完成基本布局，UI组件主要包含了Button、Text、Image、Scrollbar；其次修改所创建UI组件的参数和属性，编写相应的脚本；最后将修改完成的UI Canvas植入到虚拟环境的计算机上，并对UI Canvas挂载VRTK_UI Canvas组件，对虚拟操作手柄挂载VRTK_UI Pointer组件，通过试运行、调试和修改完成对虚拟计算机的交互。在虚拟实验环境中，通过手柄选择实验项目，可以对任何实验项目的目的、任务、内容和结果进行选择和查看。图5是与虚拟计算机的交互效果。

图5 虚拟计算机交互效果

3.3.2 低压馈线柜结构认知交互

低压馈线柜的主要功能是分配电能。其结构认知的交互设计和实现过程为：对搭建好的模型进行包围盒的加载，选用Box Collider对整体柜体和分布模块进行加载并修改其属性和大小；然后运行交互脚本。图6反映了低压馈线柜的内部组成结构拆分交互。

图6 低压馈线柜内部组成结构的拆分交互

3.3.3 通断负荷供电的交互

低压馈线柜的交互主要实现两种功能：一是对其整体结构、内部结构和作用的基本认识；二是对模拟负荷的通电和送电操作，通过给定的实验要求进行通断电的操作，并观察供配电系统模拟屏指示灯的变化。通断负荷供电的交互设计和实现过程如下：首先进行精确检测碰撞，在旋转操作手柄上加载Mesh Collider，并且挂载Hinge Joint，设置其Limits为0～90°；然后编写脚本并挂载到操作手柄上，实现操作手柄旋转时配电屏指示灯颜色改变；最后为手柄挂载旋转脚本组件，并进行试运行、调试和修改。图7是通断负荷的交互效果。

图7 通断负荷的交互效果

4 虚拟实验系统的优化、发布及实践应用

虚拟系统设计开发完成后，为保证系统流畅运行，需要进行优化来减少电脑运行资源的消耗，提高渲染速度。主要分为两个方面：一是优化模型，每个模型都由很多三角形面构成，越复杂的模型需要的三角面越多，因此将配电柜内部的部分模型用简单的模型代替，以减少渲染时的面数；二是采用LOD细节层次技术，当距离视角近时显示更多的模型细节，距离视角远时显示较少的模型细节，采用LOD技术可以减少GPU的消耗，使运行更加流畅。

Unity 3D开发引擎可跨平台发布，将场景文件的Assets资源文件夹打包，通过File＞Build Settings设置系统发布平台为PC、选择发布系统的屏幕分辨率为1 920×1 080，然后生成“.exe”文件，完成虚拟仿真实验系统的发布。

为了检验建筑供配电虚拟实验系统，在PC版实验平台基础上建立“建筑电气与智能化虚拟仿真教学平台”网站，并将建筑供配电虚拟实验系统以资源包的形式嵌入到网站中，学生可以下载和安装资源包并借助HTC VIVE硬件设备进行实验操作。

5 结 语

沉浸式建筑供配电虚拟实验系统的设计过程中引入了VR技术，通过3D Max和Unity 3D完成了模型的创建和虚拟环境的搭建，利用HTC VIVE体感设备和脚本编写完成了系统的设计与开发。系统设计以建筑供配电实验为重点，将实验分为认知型实验和操作型实验，学生可以进行实验选择，按照内容和步骤进行实验，并查看实验结果，实现了完全的沉浸式交互。解决了真实实验时存在的安全性、时空性、经济性问题，提高了学生的兴趣，在实践中取得了良好效果，也为电气类实验提供了新的参考。