摘 要：簡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能特征及相關(guān)技術(shù)概念，探討該技術(shù)在電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)中的應(yīng)用。以變電站虛擬屏臺(tái)為例，說明電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境開發(fā)過程，并介紹了用三維驅(qū)動(dòng)控件技術(shù)構(gòu)建變電站虛擬屏臺(tái)的方法。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，極大地方便了電力系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)境；虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真；控件

隨著電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)程，它的規(guī)模越來越大，運(yùn)行操作也越來越復(fù)雜。對(duì)工作人員的技術(shù)水平、業(yè)務(wù)熟練程度等提出了越來越高的要求。由于電力系統(tǒng)的特殊性，很難在實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)中進(jìn)行人員培訓(xùn)。目前，電力系統(tǒng)大部分培訓(xùn)手段都是采用培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運(yùn)行工況仿真和變電站仿真。例如變電站仿真系統(tǒng)，目前大都是建立在物理屏臺(tái)與計(jì)算機(jī)硬軟件平臺(tái)上，控制屏和保護(hù)屏具有與真實(shí)變電站完全相同的外觀和布置方式，屏臺(tái)具備各種顯示儀表、信號(hào)繼電器、信號(hào)燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、連接片等等，使得仿真機(jī)盤臺(tái)投資較大。但隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力設(shè)備更新?lián)Q代日新月異，使得仿真機(jī)盤臺(tái)在不長時(shí)間就與真實(shí)變電站屏臺(tái)形式不兼容，從而不能達(dá)到有效的培訓(xùn)效果。

對(duì)于電力系統(tǒng)這種不能失誤的高難度訓(xùn)練及需要不斷反復(fù)練習(xí)的操作訓(xùn)練，利用虛擬環(huán)境來作為新進(jìn)人員的培訓(xùn)是一個(gè)趨勢。虛擬環(huán)境就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的三維環(huán)境，是對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的最真實(shí)仿真。用戶可以自然地和虛擬環(huán)境中的客體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨現(xiàn)場的感受和體驗(yàn)。這個(gè)環(huán)境可以是對(duì)現(xiàn)實(shí)或歷史的逼真反映，可以是對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是個(gè)純粹虛構(gòu)的空間。??

1虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著當(dāng)今信息時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，三維空間模擬技術(shù)已逐步應(yīng)用于各種行業(yè)研究領(lǐng)域；同時(shí)，3D虛擬環(huán)境現(xiàn)實(shí)模擬及多媒體技術(shù)在個(gè)人電腦(PC)??上的實(shí)現(xiàn)，使得虛擬現(xiàn)實(shí)這一高新尖端科技的產(chǎn)物也在電力系統(tǒng)得到了實(shí)際的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality)技術(shù)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境。用戶可以使用必要的特定裝備(如??數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鞋以及頭盔、立體眼鏡等)??，就可以“走進(jìn)”這個(gè)三維模擬環(huán)境，可以控制瀏覽方向，并操縱場景中的對(duì)象，從而產(chǎn)生親臨現(xiàn)場的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)最早只能在工作站以上的硬件環(huán)境下才能進(jìn)行，如需要大型計(jì)算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、洞穴式投影、密封倉等昂貴設(shè)備；研究開發(fā)和使用都受到一定限制。但隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢，根據(jù)“沉浸”程度的高低，可以劃分出四種類型的虛擬。
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1.1桌面虛擬環(huán)境

桌面虛擬環(huán)境利用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口。通過各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)世界的充分交互，這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球等。它要求參與者使用輸入設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體。??

1.2沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)

沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。??

1.3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或不方便獲得的感受。
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1.4分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是將多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷。在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。??

2電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)中以桌面虛擬環(huán)境的技術(shù)最為簡單，需要投入的成本也不高，而且也足以在電力系統(tǒng)培訓(xùn)領(lǐng)域中應(yīng)用，本文也主要針對(duì)此方式進(jìn)行描述。

電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境，其實(shí)就是一種在PC上以計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、3D綜合立體圖形、自然交互等技術(shù)，將電力系統(tǒng)設(shè)備表現(xiàn)在屏幕上，以營造與電力設(shè)備高度類似的逼真、虛擬的環(huán)境；它利用高速三維圖形加速卡、采用三維圖形來表現(xiàn)虛擬設(shè)備；圖形的繪制速度、逼真度、分辨率都很高。電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境的重要特性是具有一種身臨其境的臨場感，將人與電力系統(tǒng)環(huán)境融為一體，使操作人員相信在虛擬境界中人也是確實(shí)存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用。電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境主要是由一個(gè)個(gè)的三維電力設(shè)備組成，將不同三維設(shè)備逐一安排布置于虛擬環(huán)境之后，詳加描述物件行為的能力(如動(dòng)畫物件和聲音控制等)，再采用光源、背景和控制面的調(diào)和襯托，就產(chǎn)生了逼真的三維電力系統(tǒng)。三維電力系統(tǒng)的虛擬空間是動(dòng)態(tài)的、可操縱的，我們可以借助于一些專門的外部設(shè)備(如三維鼠標(biāo)、操縱桿、普通鍵盤和鼠標(biāo))以自然的方式來操縱電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境的設(shè)備，電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境可對(duì)這種操縱作出響應(yīng)(根??椐電力系統(tǒng)仿真算法)??，以完成電力系統(tǒng)的仿真。??

3開發(fā)流程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在眾多相關(guān)技術(shù)如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最早只能在工作站以上的硬件環(huán)境下才能進(jìn)行，研究開發(fā)和使用都受到一定限制。PC技術(shù)的飛速發(fā)展為虛擬技術(shù)的推廣提供了契機(jī)，在最近十年里獲得了極大的發(fā)展，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

目前，要構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要有二種方案：一種是用圖形開發(fā)庫和高級(jí)語言開發(fā)。圖形開發(fā)庫通常采用OpenGL 3D或Direct 3D，開發(fā)語言主要為C ??。此方法優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)靈活，適用性強(qiáng)；缺點(diǎn)是復(fù)雜繁瑣，開發(fā)者須熟練掌握編程技術(shù)。另一種就是采用專業(yè)三維虛擬開發(fā)工具，象英國Division公司和Superscape公司開發(fā)的專業(yè)工具。Division主要基于SGI開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。它制作的虛擬環(huán)境效果清晰，功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴。而Superscape是基于Direct3D開發(fā)的一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境編程平臺(tái)，對(duì)硬件的要求不是特別高，價(jià)格便宜。

近年出現(xiàn)的三維場景驅(qū)動(dòng)ActiveX控件，它采用第一種方案設(shè)計(jì)，但封裝了圖形開發(fā)庫的API，保留了人們熟悉的屬性、事件和方法，通過在程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)修改控件的屬性、調(diào)用控件、在控件的事件中加入程序代碼即可方便、迅速開發(fā)出高質(zhì)量的3D應(yīng)用軟件。這大大降低了開發(fā)強(qiáng)度，而且開發(fā)容易、靈活。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，大量設(shè)備重復(fù)放置，而且操作頻繁，必須創(chuàng)建真正的交互式的3D世界才能滿足要求，最適合采用三維場景驅(qū)動(dòng)ActiveX控件進(jìn)行設(shè)計(jì)。ActiveX體系結(jié)構(gòu)使用了Microsoft的組件對(duì)象模型及分布式組件對(duì)象模型標(biāo)準(zhǔn)，允許使用不同編程語言進(jìn)行開發(fā)使用。目前在VB中建立自己的ActiveX控件、使用ActiveX控件最為簡單，這里以VB為開發(fā)平臺(tái)。

本文以變電站虛擬屏臺(tái)為例說明電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境開發(fā)過程。變電站虛擬屏臺(tái)是由各種虛擬元件組成(包??括儀表、信號(hào)燈、光字牌、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、連接片等虛擬元件)??。建造各種具有特種功能的虛擬元件，是開發(fā)變電站虛擬屏臺(tái)的關(guān)鍵。只要開發(fā)出一套虛擬元件，在構(gòu)造變電站虛擬屏臺(tái)時(shí)跟實(shí)際建造真實(shí)屏臺(tái)過程完全一樣：可以從虛擬環(huán)境中直接選用虛擬元件，然后像“搭積木”似地?cái)[放在不同位置，從而構(gòu)建自己的虛擬屏臺(tái)。

主要開發(fā)步驟如下：

a) 建模
建立3D設(shè)備模型可以采用通用的建模及動(dòng)畫軟件3D Studio MAX，或者采用專業(yè)的建模工具M(jìn)ultiGen Creator?，F(xiàn)在建模有多種方式，主要有多邊形(polygon)建模、NURBS建模、細(xì)分曲面建模。對(duì)變電站虛擬屏臺(tái)的各種虛擬元件來說，采用多邊形建模，就基本可以滿足要求?？紤]到虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)性要求和硬件的性能制約，在建模中應(yīng)遵循一個(gè)原則：在能夠保證視覺對(duì)象不失真的前提下，盡量采用最簡單的模型。為此在建模時(shí)應(yīng)減少基本幾何體的分段數(shù)，刪除場景中不可見的面，盡量用參數(shù)化方法構(gòu)建對(duì)象；盡量不給物件的邊緣添加斜面，控制場景總體的多邊形數(shù)量；分割模型分別建模，以便在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作和考察。

b) 貼圖
貼圖用于物體表面的描述，它將紋理逼真地顯示出來，滿足感官的需要。貼圖會(huì)明顯影響文件大小，因此應(yīng)確認(rèn)在輸出時(shí)盡可能地保證最小的文件和最高的壓縮比；對(duì)變電站虛擬屏臺(tái)的各種虛擬元件貼圖，我們可以采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)物拍攝，也可通過手工描繪。對(duì)一些較大的貼圖，可以將貼圖切割，根據(jù)所需要的質(zhì)量要求來調(diào)節(jié)單獨(dú)貼圖的壓縮比例，以獲得最好的效果。另外，大部分的電力設(shè)備都為相同時(shí)，應(yīng)盡量重復(fù)使用這些貼圖，以減少模型大小。圖1是為虛擬屏臺(tái)設(shè)計(jì)的表計(jì)、開關(guān)三維模型 。??

c) 驅(qū)動(dòng)
建立了三維設(shè)備模型，就可以在開發(fā)環(huán)境中實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。根椐電力變電站虛擬屏臺(tái)的特點(diǎn)，這里采用三維場景驅(qū)動(dòng)控件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在VB打開Project菜單，單擊Component，在隨后彈出的對(duì)話框中的Control項(xiàng)中選擇三維場景驅(qū)動(dòng)控件，這時(shí)就可以像使用其他控件一樣，將其拖到窗口中，調(diào)入變電站虛擬屏臺(tái)的各種3D模型，通過搭積木的方式來進(jìn)行“組裝”變電站虛擬屏臺(tái)。設(shè)置驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)置攝像機(jī)、燈光等等，就可以驅(qū)動(dòng)變電站虛擬屏臺(tái)，使用戶可以在三維的空間里移動(dòng)、操作、觀察360°范圍內(nèi)的虛擬屏臺(tái)，并操縱其中的設(shè)備。圖2為我們設(shè)計(jì)的變電站虛擬三維模型屏臺(tái)。

d) 數(shù)據(jù)連接
通過將變電站虛擬屏臺(tái)與電力仿真算法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成變電站仿真運(yùn)行。學(xué)員利用鼠標(biāo)，在三維的空間里方便地進(jìn)行各種處理操作，變電站虛擬屏臺(tái)所有參數(shù)及現(xiàn)象均與變電站實(shí)際過程一樣，從而滿足電氣運(yùn)行人員的培訓(xùn)要求。

變電站一般配備多套保護(hù)，控制屏臺(tái)、保護(hù)屏臺(tái)數(shù)量較多。而且由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，大部分的事故異常、操作等都影響到控制、保護(hù)屏臺(tái)各個(gè)表計(jì)、光字牌、報(bào)警燈的狀態(tài)。若用一臺(tái)顯示器，則因顯示畫面太小而不能了解詳情，調(diào)局部則不能了解全局。為此我們在實(shí)際應(yīng)用中采用多顯示器系統(tǒng)來解決這個(gè)問題：共配3臺(tái)顯示器顯示整個(gè)控制屏臺(tái)及保護(hù)屏臺(tái)。Windows 98和Windows NT 5.0可以支持在一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)中存在多個(gè)顯示設(shè)備和顯示器。這種多顯示器架構(gòu)(通常簡稱為“MultiMon”)較好地滿足了我們的要求。對(duì)于多人同時(shí)觀察，也可配備CRT三槍投影儀，在場頻達(dá)到人眼舒適要求的前提下(一??般要求場頻為100 MHz)??，計(jì)算機(jī)屏幕所能顯示的三維立體圖形在投影儀投射到銀幕后同樣能夠達(dá)到立體的效果，從而獲得類似立體電影的效果。??

4結(jié)束語

對(duì)電力系統(tǒng)而言，利用虛擬環(huán)境來訓(xùn)練員工熟悉環(huán)境設(shè)備與操作那些復(fù)雜且不能出錯(cuò)的設(shè)備，并做考核，不僅增加了員工的學(xué)習(xí)興趣與效率，而且節(jié)省了許多費(fèi)用，也大幅降低了新手操作的失誤率。而且虛擬環(huán)境的工程造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)工作量小，升級(jí)容易。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型的培訓(xùn)方式，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見的，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（轉(zhuǎn)載）