变电站虚拟仿真教学系统关键技术研究与实现
发布时间：2021-07-01 16:12
针对现有变电站仿真系统现场感不足、学员体验度不高,场景中三维模型数量增加对系统的压力越来越大等缺点,提出一种变电站虚拟仿真教学系统方案,利用三维建模技术、虚拟现实技术及头戴式虚拟现实设备支持,以110kV变电站作为对象仿真,从视觉、听觉、交互方式和故障处理方面为学员建立了沉浸式变电站虚拟实境。其中,在简化率较高情况下模型的细节特征容易丢失,采用了一种基于QEM（quadric error metric）折叠代价改进的简化代价来保证模型的细节特征。实现了沉浸式变电站场景漫游、虚拟交互、故障处理功能,激发学习兴趣,提升教与学质量,具有很高的实用价值。
【文章来源】：制造业自动化. 2020,42(01)CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
变电站虚拟仿真教学系统结构
从图1看出,变电站虚拟仿真教学系统由教员模块、学员模块、HTC Vive设备和变电站虚拟场景组成。1)教员模块,教员注册登陆,对教学过程起到管理、监控和控制的作用;2)学员模块,学员根据反馈信息调整手部动作操作手柄,控制场景中虚拟人行走、伸缩手臂等行为;通过身体转动切换视角实现虚拟人左转、右转、后退;3)HTC Vive设备是人机交互的纽带,定位器实现360°定位覆盖,无线同步技术捕捉学员动作信息;操控手柄无差异适配左右手,带给学员真实的震动反馈;头戴式设备接收音频和视频信号并转化为听觉和视觉反馈,为学员提供逼真、沉浸式变电站虚拟实境;4)变电站虚拟场景接收Vive设备传输的控制信号,并回传给Vive设备触觉、音频和视频信号,为学员提供场景漫游、虚拟交互和故障处理功能。系统设计流程如图2所示。首先使用相机等设备,大量采集变电站设备和站内环境图像,获取设备材质、颜色和周围环境等信息;获取变电站CAD图纸将给后续建模减负。其次依据采集的图像素材,利用3ds Max建模软件1:1还原设备和环境三维模型,对模型添加材质、赋予贴图、设置灯光等步骤完成变电站三维可视化;然后简化模型,降低模型顶点数和网格数;再次将模型导入Unity 3D引擎中开发场景漫游、虚拟交互、故障处理功能;最后打包文件,系统测试并发布[5～7]。
建模完成后,对模型添加材质、赋予贴图和设置灯光是必要操作。根据实物信息添加模型材质,使用Vary渲染器调节反射、漫反射、高光等参数,获得准确物理照明;贴图赋予可还原细节,如铭牌,标识牌等。在Photoshop软件中处理后的贴图,真实还原设备细节;设置灯光模拟实际光线,在模型烘焙后将光照和阴影信息加载到模型上,使模型光感真实细腻,减少对模型光照和阴影的计算量[8,9]。变电站场景三维可视化如图3所示。2.2 三维模型简化算法
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实技术在PLC燃气锅炉培训系统中的应用[J]. 王大虎,陈侠,高会争. 系统仿真学报. 2017(12)
[2]沉浸式变电站故障仿真系统开发[J]. 吴冰,黄陈,朱喜荣. 电力系统保护与控制. 2017(21)
[3]三维扫描技术在3ds Max建模中的应用探究[J]. 陈艳雷,惠延波,冯兰芳. 制造业自动化. 2017(05)
[4]基于Quest3D的变电站仿真培训系统[J]. 王大虎,高会争,陈侠. 中国电力. 2016(09)
[5]沉浸式变电站仿真培训系统的设计与实现[J]. 陈永波,林昌年,李军锋,熊山,高峰,王国平,魏文辉,杨选怀. 电网技术. 2015(07)
[6]基于Unity3D的TEE实时模拟教学系统及其关键技术[J]. 纪祥虎,陈小龙,姚宇. 计算机应用. 2015(S1)
[7]基于SG-OSS的调控一体化仿真培训应用的设计与实现[J]. 江叶峰,魏文辉,高峰,周挺,袁启海,徐田,周书进,范青,王国平. 中国电力. 2014(04)
[8]基于特征的三维模型简化算法研究[J]. 李建军,李俊山,李钊,胡双演. 系统仿真学报. 2007(11)
[9]客户变电站仿真培训系统柔性构建技术研究[J]. 王磊,万秋兰,张雨飞,丁锋,徐滔. 电网技术. 2007(01)
硕士论文
[1]沉浸式虚拟现实变电站仿真培训系统研究[D]. 牛金亮.郑州大学 2018
[2]基于虚拟现实的变电检修综合布控系统研究[D]. 王帅帅.华北电力大学(北京) 2017
[3]基于虚拟实境技术的变电站三维仿真培训平台的研制[D]. 谢成.上海交通大学 2009
[4]三维交互式变电站仿真系统设计[D]. 黄志兴.华中科技大学 2007
本文编号：3259455
【文章来源】：制造业自动化. 2020,42(01)CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
变电站虚拟仿真教学系统结构
从图1看出,变电站虚拟仿真教学系统由教员模块、学员模块、HTC Vive设备和变电站虚拟场景组成。1)教员模块,教员注册登陆,对教学过程起到管理、监控和控制的作用;2)学员模块,学员根据反馈信息调整手部动作操作手柄,控制场景中虚拟人行走、伸缩手臂等行为;通过身体转动切换视角实现虚拟人左转、右转、后退;3)HTC Vive设备是人机交互的纽带,定位器实现360°定位覆盖,无线同步技术捕捉学员动作信息;操控手柄无差异适配左右手,带给学员真实的震动反馈;头戴式设备接收音频和视频信号并转化为听觉和视觉反馈,为学员提供逼真、沉浸式变电站虚拟实境;4)变电站虚拟场景接收Vive设备传输的控制信号,并回传给Vive设备触觉、音频和视频信号,为学员提供场景漫游、虚拟交互和故障处理功能。系统设计流程如图2所示。首先使用相机等设备,大量采集变电站设备和站内环境图像,获取设备材质、颜色和周围环境等信息;获取变电站CAD图纸将给后续建模减负。其次依据采集的图像素材,利用3ds Max建模软件1:1还原设备和环境三维模型,对模型添加材质、赋予贴图、设置灯光等步骤完成变电站三维可视化;然后简化模型,降低模型顶点数和网格数;再次将模型导入Unity 3D引擎中开发场景漫游、虚拟交互、故障处理功能;最后打包文件,系统测试并发布[5～7]。
建模完成后,对模型添加材质、赋予贴图和设置灯光是必要操作。根据实物信息添加模型材质,使用Vary渲染器调节反射、漫反射、高光等参数,获得准确物理照明;贴图赋予可还原细节,如铭牌,标识牌等。在Photoshop软件中处理后的贴图,真实还原设备细节;设置灯光模拟实际光线,在模型烘焙后将光照和阴影信息加载到模型上,使模型光感真实细腻,减少对模型光照和阴影的计算量[8,9]。变电站场景三维可视化如图3所示。2.2 三维模型简化算法
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实技术在PLC燃气锅炉培训系统中的应用[J]. 王大虎,陈侠,高会争. 系统仿真学报. 2017(12)
[2]沉浸式变电站故障仿真系统开发[J]. 吴冰,黄陈,朱喜荣. 电力系统保护与控制. 2017(21)
[3]三维扫描技术在3ds Max建模中的应用探究[J]. 陈艳雷,惠延波,冯兰芳. 制造业自动化. 2017(05)
[4]基于Quest3D的变电站仿真培训系统[J]. 王大虎,高会争,陈侠. 中国电力. 2016(09)
[5]沉浸式变电站仿真培训系统的设计与实现[J]. 陈永波,林昌年,李军锋,熊山,高峰,王国平,魏文辉,杨选怀. 电网技术. 2015(07)
[6]基于Unity3D的TEE实时模拟教学系统及其关键技术[J]. 纪祥虎,陈小龙,姚宇. 计算机应用. 2015(S1)
[7]基于SG-OSS的调控一体化仿真培训应用的设计与实现[J]. 江叶峰,魏文辉,高峰,周挺,袁启海,徐田,周书进,范青,王国平. 中国电力. 2014(04)
[8]基于特征的三维模型简化算法研究[J]. 李建军,李俊山,李钊,胡双演. 系统仿真学报. 2007(11)
[9]客户变电站仿真培训系统柔性构建技术研究[J]. 王磊,万秋兰,张雨飞,丁锋,徐滔. 电网技术. 2007(01)
硕士论文
[1]沉浸式虚拟现实变电站仿真培训系统研究[D]. 牛金亮.郑州大学 2018
[2]基于虚拟现实的变电检修综合布控系统研究[D]. 王帅帅.华北电力大学(北京) 2017
[3]基于虚拟实境技术的变电站三维仿真培训平台的研制[D]. 谢成.上海交通大学 2009
[4]三维交互式变电站仿真系统设计[D]. 黄志兴.华中科技大学 2007
本文编号：3259455
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