CN110689774B - 基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建及使用方法,包括以下步骤：通过三维激光扫描仪在现场扫描收集多个不同位置的倒闸操作设备的空间结构数据；然后通过获取的点云数据构建各倒闸操作设备和电站运维人员的人物模型和动作动画；再将各倒闸操作设备的三维模型导入Unity3D游戏引擎中构建多个不同的虚拟现实场景，并将各动作动画和操作动画导入到相应的虚拟现实场景中，形成多种任务场景；最后将多种任务场景进行整合形成倒闸操作训练系统，并对该训练系统设置UI交互界面。本发明能够有效提高新员工对倒闸操作的训练效果，并缩短对倒闸操作的训练周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒闸操作训练系统，特别是一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练的构建及使用方法。
背景技术
倒闸操作是一种通过操作隔离开关，断路器以及挂、拆接地线将电气设备从一种状态转换为另一种状态的操作流程，在操作过程中操作人员需要根据前一项操作后对电网产生的影响才能决定下一项操作。由于倒闸操作的流程繁琐，危险性较大，因此倒闸操作需要执行操作票制和工作监护制，监护人在操作开始时逐项朗诵操作指令，再由操作人员复诵指令并得到监护人的认可；操作人员在操作过程中必须严格执行操作票的操作流程，且每步操作完成后由监护人确认无误后才能进行下一项操作。
但目前水电站的500kV倒闸操作一直是以老带新的方式进行员工培训，通过文本、图纸、照片和视频的形式进行讲解，再由新员工跟着老员工进行操作学习；但由于完整的倒闸操作流程需要在多个操作点对不同的倒闸设备完成操作，并且每套倒闸设备均需要采用相应的操作票流程进行操作，导致上述训练方式不仅无法帮助新员工快速的了解各套操作流程，并使新员工在学习过程中不仅会出现对操作步骤的混淆，还无法正确应对电网经操作后产生的影响。而电厂每年也只需要进行两次倒闸操作，造成新员工对倒闸操作的训练周期长、训练空间受限和训练效果差的问题。因此，需要一种能够有效降低倒闸操作训练周期、提高新员工训练效果的训练系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建及使用方法。它能够有效提高新员工对倒闸操作的训练效果，并缩短对倒闸操作的训练周期。
本发明的技术方案：一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法，包括以下步骤：
①通过三维激光扫描仪在现场扫描收集多个不同位置的倒闸操作设备的空间结构数据；
②通过三维激光扫描仪经扫描后获取的点云数据在RiSCAN Pro和3dsMax中构建各倒闸操作设备的三维模型，同时在3dsMax中建立电站运维人员的人物模型；
③根据电厂倒闸操作票中的操作流程在3dsMax中构建各倒闸操作设备的动作动画和人物模型的操作动画，且根据不同的倒闸操作设备构建多种不同流程的动作动画和操作动画；
④将各倒闸操作设备的三维模型导入Unity3D游戏引擎中构建多个不同的虚拟现实场景，并将各动作动画和操作动画导入到相应的虚拟现实场景中，形成多种任务场景；
⑤将多种任务场景进行整合形成倒闸操作训练系统，并对该训练系统设置UI交互界面。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法中，所述步骤⑤中的UI交互界面在构建时，以虚拟世界作为参考系，同时计算人眼在保持头部不动时的转动视场角，并计算头部在保持人眼不动时的转动视场角，然后取上述两个视场角的中间值作为UI交互界面的边界角度。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法中，所述步骤③中人物模型的操作动画的具体构建方法为：
(3.1)基于骨骼蒙皮技术对电站运维人员的人物模型绘制人体骨骼并设计动画控制器，然后手动调整各关键帧的骨架节点位置和骨骼转向；
(3.2)创建电站运维人员在操作流程中所需完成的操作动画，然后将的人物模型和操作动画导入素材库中，使人物模型和操作动画相拟合，实现人物模型的仿真运动。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法中，所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，通过Unity3D游戏引擎将部分动作动画和操作动画剪辑形成动画片段，并将该动画片段添加至相应的人物模型和倒闸操作设备上，使相同的动画片段能够应用在不同的人物模型和倒闸操作设备。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法中，所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，设置人物模型在与倒闸操作设备交互时的IK动画，使任务场景中的倒闸操作设备能够控制人物模型的身体部位进行运动。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法中，所述步骤④中的人物模型与倒闸操作设备在设置IK动画时，对需要进行交互的倒闸操作设备的三维模型上绑定Plot脚本；当人物模型与三维模型触发交互条件时，由模型管理系统将指令以事件的形式分发给Plot脚本，从而触发三维模型播放动作动画。
前述的基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法，包括以下步骤：
a.训练人员经虚拟现实操作设备进入倒闸操作训练系统，并通过手柄碰撞UI交互界面上的UI按键，从而选择要进行的任务场景；
b.由倒闸操作训练系统对该任务场景中的倒闸操作设备模型、人物模型和坐标进行初始化操作，并在任务开始阶段对对应的操作票进行简单介绍；
c.由训练人员按操作流程控制电站运维人员的人物模型依次完成各项倒闸操作训练，并在操作过程中通过手柄与倒闸操作设备的三维模型进行交互，三维模型经手柄碰撞后触发交互条件并播放相应的动作动画，对操作流程进行推进；
d.操作人员按序触发全部操作流程后，完成对该任务场景的倒闸操作训练。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法中，所述步骤c中的电站运维人员包括操作人员和监护人员，训练人员在操作时控制操作人员的人物模型进行交互，监护人员在一旁起到监督和唱票作用。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法中，所述步骤c中的操作人员在训练过程中，可通过手柄激活操作票界面，操作票界面经激活后将操作票指令显示在UI交互界面上，对操作人员在进行下一步操作前进行引导。
前述的一种基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法中，所述多种任务场景之间还设有传送路径系统，所述步骤d中操作人员在完成该任务场景的倒闸操作训练后，可通过传送路径系统进入其他任务场景，完成下一项倒闸操作训练。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于虚拟现实技术在Unity3D游戏引擎中构建了倒闸操作训练系统，使训练人员可以通过虚拟现实操作设备随时进入倒闸操作训练系统进行对倒闸操作的训练，解决了传统学习方法训练周期长和训练空间受限的问题，并能够让训练人员在训练中实际感受倒闸操作流程，增加了训练人员的现场代入感并加深对操作流程的印象，从而提高提高对训练人员的培训效果；且虚拟现实的训练方式由于可以使训练人员无需到现场进行实地操作，从而提升了训练人员的安全性和自由度，并相比基于增强现实的训练系统能够承载更多的模型，从而使本发明能够完成对多个任务场景的构建；
(2)本发明在对倒闸操作训练系统的构建过程中，针对不同的倒闸操作设备和相应的操作票流程构建了多种任务场景，使训练人员在训练中可以选择进入不同的任务场景对不同的操作流程进行训练，提高了训练人员的自由性和针对性，且将每套倒闸操作设备设置在对应的任务场景中，也能够有效提高本发明的真实感和沉溺感，从而减小训练人员在虚拟环境中和现实场景中的感受差别，进一步提高其训练效果；通过路径传送系统还可以对训练人员进行跨任务场
景的移动，从而提高了训练人员的自由度和操作体验；
(3)本发明在构建人物模型的操作动画时，通过对人物模型绘制人体骨骼并设计动画控制器，并制作与设备交互时的IK动画，可以使人物模型的动作更加仿真，与任务场景更加贴合，从而方便训练人员的控制并提高其操作流程的真实性；通过人物模型和设备模型的交互设计，则可以使训练人员在操作过程中通过碰撞的形式触发相应设备的动作动画，从而模拟出电闸设备经操作后产生的影响，使训练人员能够按实际的操作票流程进行训练并感受到倒闸设备在每个步骤中产生的交互，进一步提高了训练流程的真实性和训练效果；
(4)本发明在构建UI交互界面时，通过分别计算出人眼和头部的转动距离，再对其进行整合后得到UI交互界面的放置位置，可以有效提高训练人员在操作时的舒适性，使UI交互界面清晰的显示在训练人员的可见区域内，并避免训练人员因频繁扭动脖子造成的疲劳；
(5)通过在训练任务开始前对操作票的介绍，可以有助于训练人员对该操作流程的理解；训练人员在训练时还可以将将操作票指令显示在UI交互界面上，使操作票指令可以对训练人员的操作过程中起到提示和引导的作用，方便操作人员在训练过程中对操作票的记忆和查询，进一步提高了本发明的训练效果；
所以，本发明能够有效提高新员工对倒闸操作的训练效果，并缩短对倒闸操作的训练周期。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法，包括以下步骤：
①通过三维激光扫描仪在现场扫描收集多个不同位置的倒闸操作设备的空间结构数据，该倒闸操作设备包括地面开关站、主变洞、办公大楼和出线场设备；
②使用逆向建模手段，通过三维激光扫描仪经扫描后获取的点云数据在RiSCANPro和3dsMax中构建各倒闸操作设备的三维模型，同时在3dsMax中建立电站运维人员的人物模型；
③根据电厂倒闸操作票中的操作流程和一线员工的实际操作经验在3dsMax中构建各倒闸操作设备的动作动画和人物模型的操作动画，且根据不同的倒闸操作设备构建多种不同流程的动作动画和操作动画；
④将各倒闸操作设备的三维模型导入Unity3D游戏引擎中构建多个不同的虚拟现实(VR)场景，并将各动作动画和操作动画导入到相应的虚拟现实场景中，形成多种任务场景，每个任务场景分别针对一组倒闸操作设备的训练流程，该任务场景在操作下可以真实还原倒闸操作流程；
⑤将多种任务场景按常规方式进行整合形成倒闸操作训练系统，并对该训练系统设置UI交互界面，UI交互界面中包含任务场景的选择按键，使训练人员可以通过配带HTCVive Pro设备选择进入不同的任务场景中进行训练。
所述步骤⑤中的UI交互界面在构建时，以虚拟世界作为参考系，同时计算人眼在保持头部不动时的转动视场角，并计算头部在保持人眼不动时的转动视场角，然后取上述两个视场角的中间值作为UI交互界面的边界角度；该边界角度以训练人员的正前方对中心，两侧边界角度之间的最大夹角为120°。
所述步骤⑤中的UI交互界面在构建时，对UI交互界面中的UI按键添加BoxCollider，设置其Size属性，使其和按键大小尺寸一致，并设置其Is Trigger属性为true；然后对各UI按键编写脚本，使训练人员可以经手柄触发碰撞事件，从而完成对UI按键的点击。
所述步骤③中人物模型的操作动画的具体构建方法为：
(3.1)先在3dsMax中对人物模型拆分UV并进行贴图，模拟成水电站工作人员的真实形象；再基于骨骼蒙皮技术对电站运维人员的人物模型绘制人体骨骼并设计动画控制器，然后手动调整各关键帧的骨架节点位置和骨骼转向，创建跑步、走路等动作作为动画片段；
(3.2)创建电站运维人员在操作流程中所需完成的操作动画，然后将的人物模型和操作动画导入素材库中，使人物模型和操作动画相拟合，实现人物模型的仿真运动，并完成需要控制的实时动作。
所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，通过Unity3D游戏引擎将部分动作动画和操作动画剪辑形成动画片段，并将该动画片段添加至相应的人物模型和倒闸操作设备上，使相同的动画片段能够应用在不同的人物模型和倒闸操作设备；由于不同人物模型和倒闸操作设备的的部分动画片段相同，通过该方式可以避免动画的重复构建。
所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，设置人物模型在与倒闸操作设备交互时的IK动画(Inverse Kinematics)，使任务场景中的倒闸操作设备能够控制人物模型的身体部位进行运动。
所述步骤④中的人物模型与倒闸操作设备在设置IK动画时，在Unity3D中在对需要进行交互的倒闸操作设备的三维模型上绑定Plot脚本，制作其相互动画并通过OnTriggerStay触发函数辨别当前模型管理系统(ModelManager)是否允许该触发事件执行，同时训练人员通过手柄上Collider组件的IsTigger布尔值判断当前手柄与交互物体是否发生碰撞；当人物模型与三维模型发生碰撞触发交互条件时，训练人员扣动手柄上的扳机触发isRightPickObject函数，再由模型管理系统将指令以事件的形式分发给Plot脚本，从而触发三维模型播放动作动画。
所述基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法，包括以下步骤：
a.训练人员经HTC Vive Pro设备进入倒闸操作训练系统，并通过手柄碰撞UI交互界面上的UI按键，从而选择要进行的任务场景；
b.由倒闸操作训练系统经ReconsiderInitialize(初始化)函数甄别需要进行训练的任务场景，然后对该任务场景中的倒闸操作设备模型、人物模型、坐标和优化进行初始化操作，并在任务开始阶段对对应的操作票进行简单介绍；
c.由训练人员按操作流程控制电站运维人员的人物模型依次完成各项倒闸操作训练，并在操作过程中通过手柄与倒闸操作设备的三维模型进行交互，三维模型经手柄碰撞后触发交互条件并播放相应的动作动画，对操作流程进行推进；
d.操作人员按序触发全部操作流程后，完成对该任务场景的倒闸操作训练。
所述步骤c中的电站运维人员包括操作人员和监护人员，训练人员在操作时控制操作人员的人物模型进行交互，监护人员在流程开始时起到唱票作用，在训练人员的操作过程中在一旁起到监督作用；监护人员的行走、跑步和转动等动作动画均可用操作人员的动画片段拟合而成。
所述步骤c中的操作人员在训练过程中，可通过手柄激活操作票界面，操作票界面经激活后将操作票指令显示在UI交互界面上，对操作人员在进行下一步操作前进行引导。
所述多种任务场景之间还设有传送路径系统，以路径传统系统以世界坐标系(世界坐标系为Unity3D系统中的绝对坐标系)为父节点，各任务场景的路径点为子节点，建立在虚拟现实场景下的笛卡尔坐标系，以确定父节点和子节点的关系；所述步骤d中操作人员在完成该任务场景的倒闸操作训练后，可通过传送路径系统进入其他任务场景，完成下一项倒闸操作训练。
本发明的工作原理：本发明通过三维激光扫描仪扫描倒闸操作现场及设备的数据，然后根据该数据在3dsMax中构建倒闸操作设备和电站运维人员的三维模型和动作动画，再将该三维模型和动作动画导入到Unity3D游戏引擎中构建与倒闸操作流程对应的多个任务场景，最后整合成倒闸操作训练系统。使训练人员可以通过HTC Vive Pro设备进入倒闸操作训练系统中对倒闸操作流程进行训练。
训练人员在训练时，可以选择进入所需的任务场景中，针对相应的倒闸操作票流程进行训练；在训练时由操作人员通过手柄与三维模型进行接触触发来相应的动作动画，且当相应的动作动画触发后才能进行下一步操作，从而使训练人员能够形成与倒闸操作设备的交互并按实际操作流程完成对倒闸操作的训练。
Claims (1)
1.基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
①通过三维激光扫描仪在现场扫描收集多个不同位置的倒闸操作设备的空间结构数据；
②通过三维激光扫描仪经扫描后获取的点云数据在RiSCAN Pro和3dsMax中构建各倒闸操作设备的三维模型，同时在3dsMax中建立电站运维人员的人物模型；
③根据电厂倒闸操作票中的操作流程在3dsMax中构建各倒闸操作设备的动作动画和人物模型的操作动画，且根据不同的倒闸操作设备构建多种不同流程的动作动画和操作动画；
④将各倒闸操作设备的三维模型导入Unity3D游戏引擎中构建多个不同的虚拟现实场景，并将各动作动画和操作动画导入到相应的虚拟现实场景中，形成多种任务场景；
⑤将多种任务场景进行整合形成倒闸操作训练系统，并对该训练系统设置UI交互界面；
所述步骤③中人物模型的操作动画的具体构建方法为：
(3.1)基于骨骼蒙皮技术对电站运维人员的人物模型绘制人体骨骼并设计动画控制器，然后手动调整各关键帧的骨架节点位置和骨骼转向；
(3.2)创建电站运维人员在操作流程中所需完成的操作动画，然后将人物模型和操作动画导入素材库中，使人物模型和操作动画相拟合，实现人物模型的仿真运动；
所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，通过Unity3D游戏引擎将部分动作动画和操作动画剪辑形成动画片段，并将该动画片段添加至相应的人物模型和倒闸操作设备上，使相同的动画片段能够应用在不同的人物模型和倒闸操作设备；
所述步骤④中的动作动画和操作动画在导入后，设置人物模型在与倒闸操作设备交互时的IK动画，使任务场景中的倒闸操作设备能够控制人物模型的身体部位进行运动；
所述步骤④中的人物模型与倒闸操作设备在设置IK动画时，对需要进行交互的倒闸操作设备的三维模型上绑定Plot脚本；当人物模型与三维模型触发交互条件时，由模型管理系统将指令以事件的形式分发给Plot脚本，从而触发三维模型播放动作动画；
所述步骤⑤中的UI交互界面在构建时，以虚拟世界作为参考系，同时计算人眼在保持头部不动时的转动视场角，并计算头部在保持人眼不动时的转动视场角，然后取上述两个视场角的中间值作为UI交互界面的边界角度；
所述的基于虚拟现实的电站倒闸操作训练系统的使用方法包括以下步骤：
a.训练人员经虚拟现实操作设备进入倒闸操作训练系统，并通过手柄碰撞UI交互界面上的UI按键，从而选择要进行的任务场景；
b.由倒闸操作训练系统对该任务场景中的倒闸操作设备模型、人物模型和坐标进行初始化操作，并在任务开始阶段对对应的操作票进行简单介绍；
c.由训练人员按操作流程控制电站运维人员的人物模型依次完成各项倒闸操作训练，并在操作过程中通过手柄与倒闸操作设备的三维模型进行交互，三维模型经手柄碰撞后触发交互条件并播放相应的动作动画，对操作流程进行推进；
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所述步骤c中的电站运维人员包括操作人员和监护人员，训练人员在操作时控制操作人员的人物模型进行交互，监护人员在一旁起到监督和唱票作用；
所述步骤c中的操作人员在训练过程中，可通过手柄激活操作票界面，操作票界面经激活后将操作票指令显示在UI交互界面上，对操作人员在进行下一步操作前进行引导；
所述多种任务场景之间还设有传送路径系统，所述步骤d中操作人员在完成该任务场景的倒闸操作训练后，可通过传送路径系统进入其他任务场景，完成下一项倒闸操作训练。
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