劉書剛，李怡璇

（華北電力大學(xué)計算機(jī)系，保定071003）

基于Unity3D的反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

劉書剛，李怡璇

（華北電力大學(xué)計算機(jī)系，保定071003）

VR（Virtual Reality）技術(shù)是當(dāng)今計算機(jī)科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點，將VR技術(shù)與反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)研究相結(jié)合是電力培訓(xùn)的發(fā)展趨勢。該論文基于Unity3D系統(tǒng)平臺，以3DMax作為輔助軟件完成三維場景建模；使用C#語言完成系統(tǒng)各功能及場景交互設(shè)計，其中包括理論知識，設(shè)備模型，運行動畫，操作演示和數(shù)據(jù)顯示五個模塊架構(gòu)，實現(xiàn)了反竊電技能培訓(xùn)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合。研究成果表明，該系統(tǒng)對用電檢查人員培訓(xùn)及其反竊電技能提升具有良好的效果。

反竊電培訓(xùn)；Unity3D；交互設(shè)計；虛擬現(xiàn)實

1 引 言

電能是當(dāng)今世界最重要的能源之一，然而由于利益驅(qū)動，竊電行為屢禁不止，給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對用電監(jiān)察員進(jìn)行技能培訓(xùn)十分重要。目前反竊電培訓(xùn)均通過書本、視頻、設(shè)備演示等方式，這些方式明顯不足以應(yīng)對花樣繁多、手段升級的竊電行為。且真實設(shè)備模擬操作具有危險性，臺區(qū)設(shè)備體積巨大不具有可復(fù)制性，設(shè)備的損毀易造成電氣資源的浪費。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)培訓(xùn)的局限，提高培訓(xùn)效果，對電力企業(yè)用電監(jiān)察員培訓(xùn)和反竊電工作都具有重要意義。

2 反竊電培訓(xùn)現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，已有變電站仿真培訓(xùn)結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)出虛擬變電站培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。目前我國反竊電培訓(xùn)仍以培訓(xùn)實驗室[2-3]和實際設(shè)備演示教學(xué)的方式為主[4]，這兩種方式均有占地面積大、投資高、不可復(fù)制等缺點，雖也有反竊電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件，但二維平臺場景真實度低、可操作性差，且大多平面系統(tǒng)仍需要結(jié)合專變臺區(qū)的大型電氣設(shè)備[5-6]，無法滿足當(dāng)今大量用電偵察員急需培訓(xùn)的需求。

3 虛擬現(xiàn)實介紹

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是建立一個模擬環(huán)境,由計算機(jī)生成動態(tài)的三維圖像、聲音等人體能感受到的信息,并構(gòu)造出一個模擬的現(xiàn)實世界或不存在的虛幻世界，用戶能夠通過自身行為或借助設(shè)備同虛擬世界進(jìn)行交互。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)有三個基本特征，分別是沉浸特征、交互特征和構(gòu)思性。產(chǎn)生虛擬場景有基于圖像和基于模型兩種方法，基于模型是通過建模工具建立幾何實體，最后經(jīng)過輸出渲染、加入事件響應(yīng)等操作實現(xiàn)可交互的虛擬環(huán)境[7]。

3 培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)節(jié)構(gòu)框架

本系統(tǒng)對高頻強(qiáng)磁竊電及用電檢查操作進(jìn)行整理分析，運用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，開發(fā)出一套模擬竊電行為和用電檢查工作場景的培訓(xùn)系統(tǒng)。圖1為反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。

圖1 反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

（1）理論學(xué)習(xí)：包括用電檢查技術(shù)基礎(chǔ)、儀器使用教程等內(nèi)容，該模塊應(yīng)用多媒體顯示技術(shù)將文字、圖像組合集成，帶給學(xué)員深刻的學(xué)習(xí)印象，并強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

（2）設(shè)備模型：對模型配以文字說明，描述專變中常見竊電點和設(shè)備使用要點等內(nèi)容。

（3）運行動畫：強(qiáng)磁高頻竊電手法的動畫演示。

（4）操作演示：分為竊電行為演示和用電檢查演示兩部分。竊電行為演示是展示高頻強(qiáng)磁竊電操作及計量設(shè)備變化；用電檢查演示是在已發(fā)生竊電行為的情況下，使用高頻強(qiáng)磁檢測儀、電流互感器等檢測儀器進(jìn)行用電檢查時該儀器的反應(yīng)演示。

（5）數(shù)據(jù)顯示：用于系統(tǒng)操作演示時計量電表信息變化的顯示。

3.2 三維模型建立

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集：收集整理專變臺區(qū)、計量表箱、強(qiáng)磁設(shè)備、高頻發(fā)射器及其它用電檢查儀器的實際尺寸與設(shè)備照片，計算模型比例，為之后建模和紋理貼圖工作提供信息。

（2）模型建立：利用收集的模型矢量數(shù)據(jù)和紋理資源，使用3DMax軟件進(jìn)行三維建模。選擇合適的建模方法，對模型的建立有著事半功倍的效果。

專變臺區(qū)整體裝置和計量電表箱因其各部分細(xì)節(jié)較多且形狀多樣，建模難度較大但其多為簡單幾何體組成，可以使用復(fù)合對象建模方法[8]，使兩個或兩個以上的模型體通過相交合并或取差集等運算方式實現(xiàn)模型建立。無法拆分為基本型體的部分使用多邊形建模方法，即在編輯面板中對基本型體的點、線、面進(jìn)行修改以達(dá)到理想建模效果。

竊電設(shè)備和用電檢查儀器整體性較強(qiáng)，且通過照片能夠提取完整的設(shè)備輪廓，因此采用二維圖形和復(fù)合對象兩種方式，即在3DMax中對照片中的設(shè)備輪廓進(jìn)行二維圖形的描繪，然后添加修改器轉(zhuǎn)換為三維實體模型。

最后應(yīng)用三角形化法對模型進(jìn)行優(yōu)化。圖2為電流互感器模型優(yōu)化前后，可以看出優(yōu)化后模型中多邊形均變?yōu)槿切?，且多邊形和頂點數(shù)量大大減少。

（3）材質(zhì)處理：細(xì)節(jié)較多的變壓器和計量表箱模型可以使用3DMax自帶的VRay渲染器進(jìn)行表面材質(zhì)的制作，通過VRay插件能夠較為真實的表現(xiàn)出物體表面質(zhì)感、紋理等物理屬性，得到逼真的模型效果。

整體性較強(qiáng)但有標(biāo)牌等細(xì)節(jié)的竊電儀器和用電檢查設(shè)備，需要在使用VRay渲染器的基礎(chǔ)上同時提取照片中的材質(zhì)進(jìn)行紋理貼圖處理。

（4）渲染及導(dǎo)入：三維模型建立完成之后，使用3DMax自帶渲染功能進(jìn)行渲染處理，導(dǎo)出為Unity3D系統(tǒng)所支持的.fbx格式，同時在Unity3D系統(tǒng)中將模型中用到的特殊材質(zhì)球和貼圖照片一起導(dǎo)入同一場景中。

圖2 電流互感器優(yōu)化前后對比

3.3 交互設(shè)計

根據(jù)操作演示部分的功能所提供的交互行為，進(jìn)行交互設(shè)計。本系統(tǒng)中交互功能主要是通過攝像機(jī)控制、碰撞檢測設(shè)計和腳本代碼編寫來實現(xiàn)。

系統(tǒng)在攝像機(jī)上綁定腳本，并通過在腳本中定義變量控制攝像機(jī)的移動方向、移動速度、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，以實現(xiàn)學(xué)員觀察場景中設(shè)備細(xì)節(jié)的功能。

碰撞檢測（Collision Detection）也稱為接觸檢測，是一種對模型在運動過程中所出現(xiàn)的碰撞進(jìn)行檢查的技術(shù)。本系統(tǒng)通過在Unity3D中對場景模型及各部位進(jìn)行分類，如將專變臺區(qū)模型分為竊電點和非竊電點，添加碰撞器，再根據(jù)分類設(shè)置標(biāo)志。并利用U-nity3D中角色控制器感應(yīng)模型間碰撞，通過調(diào)用On-ControllerColliderHit()方法進(jìn)行檢測和獲取碰撞對象。最后利用分類標(biāo)志判斷是竊電行為或用電檢查行為，根據(jù)不同的行為和碰撞位置進(jìn)行邏輯判斷，得到對應(yīng)實際操作時應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象結(jié)果，進(jìn)行顯示。

圖3 反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)操作演示場景

圖4 反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3.4 系統(tǒng)發(fā)布展示

通過Unity3D在Windows系統(tǒng)下發(fā)布時，點擊File 菜單中的 Build Setting，選擇“PC，Mac&Linux Standalone”選項，點擊Build生成.exe格式的可執(zhí)行文件，即可完成系統(tǒng)發(fā)布。圖3為反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)操作演示場景界面。圖4為系統(tǒng)開發(fā)工作流程。

4 結(jié)束語

文中闡述了反竊電培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)方式，在建立專變臺區(qū)、竊電設(shè)備和用電檢查儀器三維虛擬模型的基礎(chǔ)上，模擬演示發(fā)生竊電時電氣設(shè)備的變化及用電檢查工作場景，讓學(xué)員有身臨其境的感受，強(qiáng)化了用電偵察員的反竊電技能培訓(xùn)，對反竊電工作和偷電行為的防治都能發(fā)揮重要作用。

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Design of Anti-stealing Power Training System Based on Unity3D

Liu Shugang,Li Yixuan
(Computer Science Department，North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

VR(Virtual Reality)technology is a hot topic in the field of computer science.Combining VR technology with the research of anti stealing training system is the development trend of power training.This paper is based on Unity3D system platform and 3DMax as a auxiliary software to completed the 3D scene model.We use the C#language to completed the system function and scene interaction design,there are five modules:theoretical knowledge,equipment model,running animation,operation demonstration and data display.And we have realized the combination of anti stealing skills training and virtual reality technology.The research results show that the system has good effect on the training of electricity inspection staff and their skills in anti stealing electricity.

Virtual reality;Unity3D;Anti-stealing training;Interaction design

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.018

B

1002-2279-（2017）05-0070-03

劉書剛（1969—），男，河北省滄州市人，副教授，主研方向：嵌入式系統(tǒng)。