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摘要：介绍了运用计算机虚拟现实技术和网络技术实现电力设备检修培训系统。该系统以三维模型为基础，构建电力设备检修仿真培训平台，使其能够实现多任务、多角色检修培训，并且提供开放式接口使其能够在平台中扩充培训内容和设备模型。
关键词：虚拟仿真；电力设备检修；仿真培训平台
作者简介：朱金花（1964-），女，江苏徐州人，江苏省电力公司徐州供电公司，高级工程师；赵凯峰（1976-），男，吉林松原人，江苏省电力公司徐州供电公司，工程师。（江苏 徐州 221003）
基金项目：本文系江苏省电力公司2012年科技项目“电力设备检修三维仿真培训集成系统研究”（项目编号：J2012050）的研究成果。
中图分类号：G726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0155-02
一、目的和意义
电力设备种类繁多，而且对其安全运行方面要求较高，电力生产检修人员承担着电力设备的检查、修理、改装和调试等工作，只有提高该类人员的技能操作水平，促进和加强设备检修人员的技术管理，才能保障电力设备的安全运行。原有的培训模式是在真实设备上进行技能培训，但有成本高、工位有限、不能多工种协同操作的缺点，已经不能满足日益扩大的电力生产规模和不断更新的设备带来的对技能人员技能水平不断提高的需求。
国内目前的虚拟仿真技术已经逐渐成熟，在培训方面应用十分广泛，但大多是基于某项单项工作或某个单独设备进行的仿真，针对所有电力设备检修方面的仿真平台还没有。运用计算机虚拟现实技术模拟电力设备的基本工作原理、设备类型及结构，并模拟各种故障以及处理方法，采用文本、声音、图像、动画、视频等多种表现形式，这样就能对生产技能人员进行很好的现场演示和指导，提高他们消除缺陷的能力。通过计算机技术构建整体平台并使其能够实现多任务、多角色协同仿真培训，通过开放式接口标准能够在平台中不断增加电力设备种类，为将来新设备的检修培训提供接入方式。
二、系统构成及特点
1.系统总体构成
本系统通过计算机的软硬件技术实现。通过局域网连接的PC机分别运行系统教员端和学员端程序。教员端程序负责对学员端下达操作任务，记录操作步骤、控制学员端操作方式，学员端程序负责提供检修仿真操作人机界面。系统硬件构架图如图1所示。
2.系统软件设计及原理
本系统通过使用第三方的三维引擎技术（见图2）对三维模型和三维场景进行标准化处理，使其满足仿真平台的要求。通过对数据库的操作和网络通讯的封装，提供交互操作的数据传输。
（1）三维引擎技术。本系统使用的三维引擎技术是一套由多个子系统共同构成的复杂系统，从建模、动画到光影、粒子特效，从物理系统、碰撞检测到文件管理、网络特性，还有专业的编辑工具和插件，几乎涵盖了开发过程中的所有重要环节，也可以将三维引擎分成以下几部分：配置系统、图形系统、输入系统、网络系统、声音系统、时间系统、控制台、支持部分、渲染器/引擎内核、接口、数据工具等。
三维引擎嵌入汇编语言提高常用运算的执行效率，调用CPU的微指令集来加快运算速度。引擎基于OpenGL图形接口规范，通过显卡驱动程序对OpenGL接口规范的支持来实现对显卡硬件的管理，使用显卡硬件编程技术来实现各种图像渲染效果，使其获得硬件加速的同时，又具备优秀的可配置性和可扩展性。三维引擎可以对3D模型和场景进行标准化处理，控制各个模型的运动、声音等。
（2）三维模型和三维场景的处理。系统中所使用的设备模型在SolidWorks软件中构建。所有模型都是基于实体的几何特征来建模的，如设备零配件之间的装配关系，共点、共线、共面或者共轴等，这样建立的几何模型适宜在装备的虚拟拆装和装备的虚拟故障检修中，按照装备的实际拆装方法和检修方法，设计出虚拟装备的相应动作，以此实现的动作可以逼真、准确地展示现实的拆装和检修。
在后期的仿真功能开发中，仿真平台本身也是基于几何特征属性来设计仿真装备动作的，这样从建模到功能设计都基于几何特征属性，方便了设计和实现。仿真平台的脚本系统也有相应的操作接口，在脚本中也能方便地生成和制作模型动作，在很大程度上能减少系统的开发周期。
系统中的三维场景是在3DSMax软件中设计，3DSMax的特点是直接在三维物体上造型，利用线、面来逼近三维实体的形状，形状的相似性可以做到以假乱真的程度。缺点是它不是以几何特征建模的，造型出来的模型只具有逼真的外观，但模型的零配件之间不具有几何约束和物理约束，涉及到运动的可操作性很差，不太适合表现物理实体的运动关系，但可以实现检修设备的场景模拟，主要包括电力设备检修环境（如变电站场景、检修厂房场景）、检修使用工器具（如扳手、螺丝刀、万能表等）、环境或设备辅助效果（如烟、火、闪光灯）。
（3）模型和场景的控制及封装。将SolidWorks构建的模型和3DSMax构建的场景利用三维引擎技术导入到三维引擎平台中，在三维引擎中利用OpenGL编程接口对各个模型进行渲染。利用LOD技术提高模型图形的生成速度，使模型在运动中的显示更为流畅。
通过三维引擎平台提供的功能设计模型的动作，主要包括三种：模型本体动作、工具本体动作、工具与模型交互动作。每个动作都由平移运动、旋转运动、轨迹运动组合而成。
（4）界面设计和逻辑控制。系统界面中菜单、按钮或多媒体信息由三维引擎中脚本来编写定义。如Button（按钮或菜单项）定义（见图3）。
系统的逻辑控制由三维引擎中逻辑交互脚本编写，通过定义控制点（Ctrlpt）、响应（Reaction）和触发器（Trigger，见图4）来实现逻辑控制。
（5）扩展接口设计。系统中除了实现典型电力设备模型的交互式仿真外，还提供了将来新设备或其他设备检修仿真的接口。接口标准主要包含两部分：一是模型载入标准。模型载入标准规定了设备模型的文件格式，使其能够通过三维引擎导入到开发平台中，进行进一步设计。二是仿真子模块数据通讯标准。通过定义仿真子模块数据通讯标准可以使系统中各个电力设备检修仿真互相联系，实现多工种协同操作训练，同时标准中规定了第三方仿真程序接入系统中的数据定义，包括网络通讯字段定义、Windows系统中动态数据交换DDE数据定义。第三方仿真程序只要具有遵循上述定义的接口，即可接入到此系统中实现数据共享或统一管理。 三、系统功能模块
本系统将主要电力设备尤其是变电设备在三维环境中组装成一个变电站，通过三维交换界面实现对变电设备检修仿真训练。系统主要分为教学、考核、系统管理三大模块。
教学模块又细分为设备介绍、检修动画、操作练习三大模块。学员通过选择工种、角色进入对应的设备检修教学模块，并根据系统提供的功能实现原理学习、检修操作流程学习以及检修操作训练。
考核模块由教员端设置某些操作任务和设备故障、由学员端进行针对性检修仿真操作、系统记录所有操作步骤并且给予评分。
系统管理模块由教员在教员端实现，主要功能包括：设置工种和角色、设置变电站内设备型号（系统根据设置自动调用对应的设备，以实现对不同型号的同一类设备的检修训练）、设置需连接外部仿真模块、设置评分标准等。
四、系统主要特点
1.基于虚拟现实技术
整个系统场景仿真使用自主研发的三维引擎，使用图像渲染系统对三维真实场景进行仿真，使用动画脚本系统控制培训剧本发展，通过声效引擎模拟声音效果。
2.全面强大的交互性
在三维环境中，通过鼠标和模型之间的点击、拖动，构建简单方便的人机交互体验，学员需要和现实中一样，拆卸螺丝需要选择扳手工具，模型拆卸检修有物体干涉碰撞的约束，使学员能够体验到实物一样的检修体验。
3.模块化和可扩展性
系统中涉及到的所有设备检修仿真都是独立模块，后期如添加其他设备，只要制作出符合系统接口标准的模块即可融入到系统中（见图5）。第三方制作的仿真程序只要具有符合系统接口标准的接口也可纳入到系统统一管理，为以后系统功能的扩充提供了基础。
五、结束语
电力设备检修三维仿真培训集成系统在Windows环境中，借助三维引擎技术实现三维模型渲染、管理和界面设计、动作逻辑设计等。研发过程中使用了C++编程技术、DDE数据交换技术、网络通讯技术、SolidWorks、3DSMax、OpenGL编程接口等，在实现过程中我们对上述技术有了更深一步的理解。
系统中涉及到的设备原理、设备检修流程、图片和视屏、声效等专业数据由电力设备检修技能专家编写和提供，使系统中的设备结构、动作流程等与真实现场保持一致，提高了系统仿真逼真度。
系统可以运用到检修人员自主学习、技能操作训练、技能操作考核等多项培训考核工作中，减少了培训设备购置费用、缩短了培训时间、提高了单次培训的人均培训时间，使整体培训效率有了大幅提高。
（责任编辑：孙晴）
关键词：虚拟仿真；电力设备检修；仿真培训平台
作者简介：朱金花（1964-），女，江苏徐州人，江苏省电力公司徐州供电公司，高级工程师；赵凯峰（1976-），男，吉林松原人，江苏省电力公司徐州供电公司，工程师。（江苏 徐州 221003）
基金项目：本文系江苏省电力公司2012年科技项目“电力设备检修三维仿真培训集成系统研究”（项目编号：J2012050）的研究成果。
中图分类号：G726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0155-02
一、目的和意义
电力设备种类繁多，而且对其安全运行方面要求较高，电力生产检修人员承担着电力设备的检查、修理、改装和调试等工作，只有提高该类人员的技能操作水平，促进和加强设备检修人员的技术管理，才能保障电力设备的安全运行。原有的培训模式是在真实设备上进行技能培训，但有成本高、工位有限、不能多工种协同操作的缺点，已经不能满足日益扩大的电力生产规模和不断更新的设备带来的对技能人员技能水平不断提高的需求。
国内目前的虚拟仿真技术已经逐渐成熟，在培训方面应用十分广泛，但大多是基于某项单项工作或某个单独设备进行的仿真，针对所有电力设备检修方面的仿真平台还没有。运用计算机虚拟现实技术模拟电力设备的基本工作原理、设备类型及结构，并模拟各种故障以及处理方法，采用文本、声音、图像、动画、视频等多种表现形式，这样就能对生产技能人员进行很好的现场演示和指导，提高他们消除缺陷的能力。通过计算机技术构建整体平台并使其能够实现多任务、多角色协同仿真培训，通过开放式接口标准能够在平台中不断增加电力设备种类，为将来新设备的检修培训提供接入方式。
二、系统构成及特点
1.系统总体构成
本系统通过计算机的软硬件技术实现。通过局域网连接的PC机分别运行系统教员端和学员端程序。教员端程序负责对学员端下达操作任务，记录操作步骤、控制学员端操作方式，学员端程序负责提供检修仿真操作人机界面。系统硬件构架图如图1所示。
2.系统软件设计及原理
本系统通过使用第三方的三维引擎技术（见图2）对三维模型和三维场景进行标准化处理，使其满足仿真平台的要求。通过对数据库的操作和网络通讯的封装，提供交互操作的数据传输。
（1）三维引擎技术。本系统使用的三维引擎技术是一套由多个子系统共同构成的复杂系统，从建模、动画到光影、粒子特效，从物理系统、碰撞检测到文件管理、网络特性，还有专业的编辑工具和插件，几乎涵盖了开发过程中的所有重要环节，也可以将三维引擎分成以下几部分：配置系统、图形系统、输入系统、网络系统、声音系统、时间系统、控制台、支持部分、渲染器/引擎内核、接口、数据工具等。
三维引擎嵌入汇编语言提高常用运算的执行效率，调用CPU的微指令集来加快运算速度。引擎基于OpenGL图形接口规范，通过显卡驱动程序对OpenGL接口规范的支持来实现对显卡硬件的管理，使用显卡硬件编程技术来实现各种图像渲染效果，使其获得硬件加速的同时，又具备优秀的可配置性和可扩展性。三维引擎可以对3D模型和场景进行标准化处理，控制各个模型的运动、声音等。
（2）三维模型和三维场景的处理。系统中所使用的设备模型在SolidWorks软件中构建。所有模型都是基于实体的几何特征来建模的，如设备零配件之间的装配关系，共点、共线、共面或者共轴等，这样建立的几何模型适宜在装备的虚拟拆装和装备的虚拟故障检修中，按照装备的实际拆装方法和检修方法，设计出虚拟装备的相应动作，以此实现的动作可以逼真、准确地展示现实的拆装和检修。
在后期的仿真功能开发中，仿真平台本身也是基于几何特征属性来设计仿真装备动作的，这样从建模到功能设计都基于几何特征属性，方便了设计和实现。仿真平台的脚本系统也有相应的操作接口，在脚本中也能方便地生成和制作模型动作，在很大程度上能减少系统的开发周期。
系统中的三维场景是在3DSMax软件中设计，3DSMax的特点是直接在三维物体上造型，利用线、面来逼近三维实体的形状，形状的相似性可以做到以假乱真的程度。缺点是它不是以几何特征建模的，造型出来的模型只具有逼真的外观，但模型的零配件之间不具有几何约束和物理约束，涉及到运动的可操作性很差，不太适合表现物理实体的运动关系，但可以实现检修设备的场景模拟，主要包括电力设备检修环境（如变电站场景、检修厂房场景）、检修使用工器具（如扳手、螺丝刀、万能表等）、环境或设备辅助效果（如烟、火、闪光灯）。
（3）模型和场景的控制及封装。将SolidWorks构建的模型和3DSMax构建的场景利用三维引擎技术导入到三维引擎平台中，在三维引擎中利用OpenGL编程接口对各个模型进行渲染。利用LOD技术提高模型图形的生成速度，使模型在运动中的显示更为流畅。
通过三维引擎平台提供的功能设计模型的动作，主要包括三种：模型本体动作、工具本体动作、工具与模型交互动作。每个动作都由平移运动、旋转运动、轨迹运动组合而成。
（4）界面设计和逻辑控制。系统界面中菜单、按钮或多媒体信息由三维引擎中脚本来编写定义。如Button（按钮或菜单项）定义（见图3）。
系统的逻辑控制由三维引擎中逻辑交互脚本编写，通过定义控制点（Ctrlpt）、响应（Reaction）和触发器（Trigger，见图4）来实现逻辑控制。
（5）扩展接口设计。系统中除了实现典型电力设备模型的交互式仿真外，还提供了将来新设备或其他设备检修仿真的接口。接口标准主要包含两部分：一是模型载入标准。模型载入标准规定了设备模型的文件格式，使其能够通过三维引擎导入到开发平台中，进行进一步设计。二是仿真子模块数据通讯标准。通过定义仿真子模块数据通讯标准可以使系统中各个电力设备检修仿真互相联系，实现多工种协同操作训练，同时标准中规定了第三方仿真程序接入系统中的数据定义，包括网络通讯字段定义、Windows系统中动态数据交换DDE数据定义。第三方仿真程序只要具有遵循上述定义的接口，即可接入到此系统中实现数据共享或统一管理。 三、系统功能模块
本系统将主要电力设备尤其是变电设备在三维环境中组装成一个变电站，通过三维交换界面实现对变电设备检修仿真训练。系统主要分为教学、考核、系统管理三大模块。
教学模块又细分为设备介绍、检修动画、操作练习三大模块。学员通过选择工种、角色进入对应的设备检修教学模块，并根据系统提供的功能实现原理学习、检修操作流程学习以及检修操作训练。
考核模块由教员端设置某些操作任务和设备故障、由学员端进行针对性检修仿真操作、系统记录所有操作步骤并且给予评分。
系统管理模块由教员在教员端实现，主要功能包括：设置工种和角色、设置变电站内设备型号（系统根据设置自动调用对应的设备，以实现对不同型号的同一类设备的检修训练）、设置需连接外部仿真模块、设置评分标准等。
四、系统主要特点
1.基于虚拟现实技术
整个系统场景仿真使用自主研发的三维引擎，使用图像渲染系统对三维真实场景进行仿真，使用动画脚本系统控制培训剧本发展，通过声效引擎模拟声音效果。
2.全面强大的交互性
在三维环境中，通过鼠标和模型之间的点击、拖动，构建简单方便的人机交互体验，学员需要和现实中一样，拆卸螺丝需要选择扳手工具，模型拆卸检修有物体干涉碰撞的约束，使学员能够体验到实物一样的检修体验。
3.模块化和可扩展性
系统中涉及到的所有设备检修仿真都是独立模块，后期如添加其他设备，只要制作出符合系统接口标准的模块即可融入到系统中（见图5）。第三方制作的仿真程序只要具有符合系统接口标准的接口也可纳入到系统统一管理，为以后系统功能的扩充提供了基础。
五、结束语
电力设备检修三维仿真培训集成系统在Windows环境中，借助三维引擎技术实现三维模型渲染、管理和界面设计、动作逻辑设计等。研发过程中使用了C++编程技术、DDE数据交换技术、网络通讯技术、SolidWorks、3DSMax、OpenGL编程接口等，在实现过程中我们对上述技术有了更深一步的理解。
系统中涉及到的设备原理、设备检修流程、图片和视屏、声效等专业数据由电力设备检修技能专家编写和提供，使系统中的设备结构、动作流程等与真实现场保持一致，提高了系统仿真逼真度。
系统可以运用到检修人员自主学习、技能操作训练、技能操作考核等多项培训考核工作中，减少了培训设备购置费用、缩短了培训时间、提高了单次培训的人均培训时间，使整体培训效率有了大幅提高。
（责任编辑：孙晴）