文/王宇轩 陈立 何晓丹

1 背景介绍

对于电厂而言，配电盘是电厂中的重要设备，电厂工作中，配电盘常常会因为配电盘的布线与电器、仪表等接触不牢，配电盘内零部件的选择和配电盘的实际容量不符合，长期过负荷运行等原因而造成火灾事故，配电盘造成的火灾事故占了电厂火灾事故较大比例，因此电厂中对于配电盘的事故应急培训较为重要。现有的着火事故应急培训，一般分为两种方式。一种是通过一些事故预案来进行课堂讲授或桌面演练，其中部分使用了二维平面电子地图进行培训，但大多还是采用文字与表格的方式进行描述，缺乏严肃性和真实性，无法体会到若因处理不当而造成事故扩大的严重后果，无法较好地提升电厂运维人员事故应急处置能力，因此培训效果不甚理想；另一种方式就是实战演练，这种方式针对性强，容易找出问题，但是需要耗费一定的人力物力，演练的内容也有很大的局限性。

因此，现有的着火事故应急演练方式，采用课堂讲授或桌面演练，存在缺乏严肃性和真实性，培训效果不甚理想的问题，采用实战演练，存在耗费人力物力，演练内容受到局限的问题。

2 改进方案

基于虚拟现实技术的配电盘着火事故应急演练模拟方法，包括以下步骤：

（1）通过三维建模技术建立虚拟现实场景（包括：收集现实的空间结构数据；构建电站的三维模型和电站运维人员的人物模型；构建电站的虚拟现实场景）；

（2）构建虚拟事故应急演练场景：设计交互界面，设计虚拟现实场景中的角色操作流程和设备模型的动画，根据起火点的位置、火情大小和处理方式，构建不同的事故应急演练场景。设计步骤如下：

1.设计空间型UI 界面：在虚拟现实场景中定义空间参考系，将UI 界面放置在空间参考系中，保证用户在观看UI 界面时的舒适性；

2.设计UI 系统交互：设计UI 按键碰撞事件，达到与UI 系统交互的目的；

3.设计角色/设备模型交互：

①制作虚拟角色模型和各种个性行为动作，实现虚拟角色的仿真运动，完成需要实时控制的动作动画；

②设置IK 动画，利用虚拟现实场景中的各种物体设备控制和影响身体部位的运动，实现虚拟角色模型与物体设备交互动画，完成事故应急演练场景的构建；

（3）将虚拟事故应急演练场景接入VR全向行动平台；

（4）操作者通过VR 全向行动平台进行虚拟着火事故应急演练。VR 全向行动平台包括位置追踪器、手柄和眼镜，眼镜向操作者反馈视觉信息，手柄向操作者反馈动作信息，操作者输出的操作动作信息反馈给位置追踪器和手柄。

方案如图1所示。

3 实施方案

基于虚拟现实技术的配电盘着火事故应急演练模拟方法，包括以下步骤：

3.1 建立虚拟现实场景

（1）通过测绘，例如三维激光扫描仪在水电站现场收集水电厂厂房以及厂房设备的现实空间结构数据；

（2）使用逆向建模的手段，利用三维激光扫描仪获取的现实空间结构数据，在RiSCAN PRO 和3DsMax 中构建电站的三维模型和将电站的三维模型导入到Unity3D 引擎中构建电站的虚拟现实场景；

具体步骤如图2所示。

3.2 构建虚拟事故应急演练场景

根据电厂的配电盘着火应急处置手册、规范和处理流程，以及之前发生事故的记录文档、处置人员的实际经验，设计虚拟现实场景中的角色操作流程和设备模型的动画；根据起火点的位置、火情大小和处理方式，构建不同的事故应急演练处置场景，真实还原处理流程。包括以下步骤：

图1：交互框架图

图2：建模步骤

图3：示意图

3.2.1 设计空间型UI 界面

（1）定义空间参考系：在虚拟现实场景中定义空间参考系，采用以头部作为参考系，界面跟随用户的头部运动；以躯干作为参考系，界面随着身体旋转和平移；以虚拟世界作为参考系，在利于用户观察的世界空间中放置UI界面；

（2）放置UI 界面：利用人体工学资料信息将UI 界面放置在空间参考系中的适当位置，保证用户在观看UI 界面时的舒适性。具体操作为，计算出当人体保持不动，只转动眼睛观察时最适合的视场角，以及当人眼保持不动，只转动头部观察时最适合的视场角，将这些视场角数据进行整合，确定在虚拟现实环境中人眼最舒适情况下所看到的区域，并在此区域内设计UI 界面布局，经过反复测试，确保所有UI 界面都清晰可见，并且无论用户头部如何转动UI 界面始终在舒适范围内。

3.2.2 设计UI 系统交互

设计UI 按键碰撞事件，利用与UI 按键进行碰撞检测，达到与UI 系统交互的目的，包括以下步骤：

（1）为UI 界面中的UI 控件添加Box Collider，设 置Box Collider 的Size 属 性，使Box Collider 和控件大小尺寸一致，并设置Box Collide 的Is Trigger 属性为true；

（2）编写代码文件，处理碰撞事件，并将代码文件指定给相应的UI 控件；

如图3所示。

3.2.3 设计角色/设备模型交互

（1）将电站运维人员的人物模型导入unity3d 中，调整人物模型的纹理贴图，模拟水电站工作人员的真实形象，建立虚拟角色模型；基于骨骼蒙皮技术优化人体骨骼并且设计动画控制器，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、等待等个性行为动作作为动画片段，将建立的虚拟角色模型和对应的动画片段导入素材库，使虚拟角色模型和个性行为动作相拟合，从而实现虚拟角色的仿真运动，完成需要实时控制的个性行为动作动画。

（2）设置IK 动画，通过骨骼子节点带动骨骼父节点，利用虚拟现实场景中的各种物体设备控制和影响身体部位的运动；利用代码根据末端子关节的位置移动来动态的计算出每个父关节的旋转控制动画的播放，使虚拟角色和虚拟现实场景更加贴合，从而达到更加真实的虚拟现实体验效果，可以实现虚拟角色模型与物体设备交互动画，例如拿起灭火器等。如图4所示。

3.3 将虚拟事故应急演练场景接入VR全向行动平台

VR 全向行动平台打破了现实和虚拟的隔阂，只需要一平米的现实空间，就能为用户提供无限的虚拟世界，没有场地大小的限制，也不需要采用折中的非自然的移动方式，在保证绝对安全的前提下，能将用户做出的行走、奔跑等动作映射到虚拟场景中，使视觉运动状态和自身实际身体运动状态一致，在解决了晕动症的同时，让用户感受身临其境的震撼感。

3.4 操作者通过佩戴虚拟现实设备来读取虚拟事故应急演练场景

通过VR 全向行动平台在虚拟现实演练场景中进行虚拟着火事故应急演练，虚拟着火事故应急演练中，VR 全向行动平台向操作者反馈操作信息，操作者根据反馈的操作信息调整操作，并向VR 全向行动平台输出操作动作信息。VR 全向行动平台包括位置追踪器、手柄和眼镜，三维虚拟事故应急演练场景通过眼镜向操作者反馈视觉信息，UI/角色/设备模型交互处理通过手柄向操作者反馈动作信息，操作者根据反馈信息调整自己的操作，输出的操作动作信息反馈给位置追踪器和手柄，位置追踪器和手柄再反馈到UI/角色/设备模型交互处理中。如图5所示。

4 结论

与现有技术相比，该方法通过建立高度逼真的真实电站的虚拟现实模型和虚拟现实演练场景，操作者戴上虚拟现实头盔即置身于电站的虚拟现实场景中，在三维虚拟现实场景中真实地进行火灾事故的应急响应演练与指挥训练，提升电厂运维人员事故应急处置能力，培训效果良好；运维人员可以不受时间、空间和内容的限制在虚拟环境中进行配电盘着火事故的应急演练，提高培训效率，减少人力物力和耗费。通过使用VR 全向行动平台，打破虚拟现实场景的空间壁垒，解决了在虚拟现实环境中因身体和眼睛接收到的空间信息不一致产生的眩晕感，能够正确接收信号和处理信息，体验效果好，反应真实、灵活、严肃，不会对人体造成伤害，方便运维人员进行培训。

因此，该方法既具有严肃性和真实性高，培训效果良好的特点，又具有减少人力物力和耗费，演练内容不受局限的特点。

图4：示意图

图5：系统架构图