郑瑾

摘要：电力是我们生活中不可或缺的重要部分，而每年用电安全事故频发，为大众科普用电安全知识，提高人们的用电安全意识，尽可能地避免事故的发生十分重要。传统用电安全教育普遍以说教、视频、图片展示等为主，缺乏体验性、警示性和互动性，教育效果不佳。碍于场地、设备、资源以及人身安全等因素又很难组织开展大规模的安全演练。鉴于此，提出了基于VR技术的电力安全体验程序的设计方案，同时给出了该程序的流程，讨论并研究了该平台中的关键技术及实现。

关键词：用电安全;VR技术;体验程序;程序设计

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）34-0210-02

1背景

近几年VR产业经历了大起大落，不断蜕变，技术上也一直在改进，现在已经慢慢地走入我们的生活中了，它既可以丰富我们的生活，也可以为各个行业、各个领域带来升级换代的发展机遇。VR现在有一个很好的发展趋势，它在教育教学、医学研究、军事仿真、数字城市、游戏娱乐、旅游、工程训练等各个领域都已经有了广泛的应用。

2 VR 技术

VR技术，是一种融合了计算机仿真技术、数媒等多个学科技术的新的技术。它利用计算机模拟仿真产生一个近乎真实的，虚拟三维空间环境，给人们提供关于视觉、听觉等感受的虚拟仿真，给人仿照一种像在真实环境的感觉。VR技术有3个特性：1）交互性：是指用户可以对虚拟仿真环境内的物体或者对象进行互动操作，从中所获取信息反馈。在VR虚拟仿真环境中，键盘、鼠标、VR 眼镜、头盔、VR穿戴设备等传感装置都是用户可以使用的交互工具，交互工具的多样化和便利性，能极大提升用户的学习兴趣和参与度。2）沉浸性：是指在VR构建的虚拟仿真环境中，环境越逼真那么人们的体验感就越好，这种身临其境的感觉越强烈越浓，说明沉浸性越好[1]。3）想象性：VR技术为人们提供了丰富的想象空间，利用这一技術特性人们能模拟构建多样化的可能存在的虚拟场景，或是现实中我们不容易接触到的甚至是不存在的虚拟场景，极大地拓展了人们对虚拟世界的认知范围。

3 VR技术的应用

随着其他技术的快速发展，VR技术在城市仿真、军事、教育、医疗、工业等各个领域都得到了广泛的应用与发展。

1）军事，VR技术最早是应用于军事。军事训练中使用它来对军事场景进行演示，训练、作战和仿真等[2]，像模拟仿真真实战场，有助于战士熟悉战场环境，“身临其境”地感受战斗，又可以避免死亡的威胁以及严重的伤害。

2）工业，VR技术在工业上的应用，主要是训练的体验、装配虚拟仿真、虚拟工业园、机床的模拟操作、规划设计、设备的管理等等。

3）游戏娱乐，随着VR技术的不断发展，它的沉浸感、交互性也不断提高，它给人们带来了一种全新的艺术欣赏方式和游戏体验方式。VR在游戏娱乐等行业中的应用越来越多，全新的三维立体取代了传统的平面二维，静态枯燥的艺术也动了起来，艺术表现力和观赏力的提高，极大了吸引了人们的眼球，如3D艺术展览、3D电影、3D游戏等[3]。

4）医疗，VR技术在国内外医疗领域的应用，比如利用VR给患者做手术等是目前应用较多的领域。还有协助培训和辅助教育也是一大用途。如训练外科医生，我们就可以通过VR技术构建虚拟三维仿真环境，让外科医生进行训练。在构建的VR三维环境中，我们不仅可以让受训医生反复操作、反复体验，还能根据每个人的学习情况，随时增加难度，从而进行灵活高效的训练。VR技术还用在一些因为传统操控的限制使得知识难以展示的医疗技术上。

5）教育，VR技术的互动性和生动的表现力使其常常用来模拟制作数理化学等一些学科的课件。VR技术还可以协助比如特种器械操作培训、驾驶训练、极端环境仿真等[4]。本次使用VR技术制作体验程序用于普及电力安全的知识点也是教育应用的一种。

4基于VR的电力安全体验程序设计

当下电力已成为我们生活中不可缺的重要部分，生命不可再来，用电安全应当引起我们大家的高度重视。我国高度重视电力生产和用电安全，即使如此，全国每年仍有许多触电受伤事件发生，依然有因用电不当引发的火灾和人员伤亡事件发生，大家迫切需要有效的用电安全教育，来掌握更多的安全知识，提高安全意识，从而去避免事故的发生。

本项目选用了电力安全中一个常见的知识点“跨步电压触电”来设计一个程序，以此构建一个既安全又可体验的简单互动平台，场景假设有带电的电线掉落垂在路面，由此展开知识的学习和体验。“跨步电压触电”这个很常见，比如一根有电的电线断了掉在地上，那么这个落地点地面和电线的电压相同，电流从这个点向四周围的地面扩散，这时候地上会有一个以电线落地点为中心的，电压由高到低的分布区域，离电线着地点近的电势高，离得远的就低。这个时候如果人站的近，比如站在离这个点8米或者到10米的地方，跨步电压触电事故就有可能发生了[4]。跨步电压触电的时候，一开始电流是从人的脚到腿部再到胯部最后回到脚，跟地面直接形成一条电流的通路，它看似没有很危险，但是实际上比较高的跨步电压加在人身上时，人的两只脚就会抽筋、会麻，然后就会站不住就会摔倒。人摔倒后通过人体的电流就会增加，而且路径还会改变，可能就会流经心脏等的重要器官[5]。研究发现，人摔倒后，电流在身上持续流过2秒钟，人就会触电导致死亡。如果误入了跨步电压区，我们切记要小步走，而且两只脚不能同时着地，最好是一只脚跳着逐步离开有电的地方。

本程序使用3dmax软件建模，然后导出为FBX文件，导入到U3D中，再用脚本完成体验的交互程序设计，为了使虚拟仿真环境用户体验起来更为真实的，我们建的模型比例及材质选择充分模拟真实的环境中的物件[6]，本程序制作了HTC Vive和PC两种体验版本，两个版本功能相同。

本程序的具体运行情节设计及交互流程是：进入场景，首先有2个按钮“HTC Vive体验版”和“PC体验版”，使用准心交互进行选择，进入后2个版本功能相同。首先场景里会有3个按钮使用准心交互进行选择，一个是“知识科普”，选择进入后进行用电安全知识的学习，学习完成会有对话框，可以选择返回初始页面或者退出程序;一个是“知识测试”，选择进入后进行用电安全知识的小测试，每个题目都会提示正确与否，并配有解析，测试完成会有对话框，可以选择返回初始页面或者退出程序。另一个是“场景体验”，选择进入后，有一段旁白“前面好像有电线掉在地上”，然后镜头向电线落地点移动，地面出现蓝色提示圈，进入提示圈会弹出对话框“好像脚有点麻，我要”有四个按钮“正常走过去”“迅速跑过去”“后退离开这”和“跳过去”，选择“正常走过去”“迅速跑过去”镜头向前移动，然后出现眼前出现血雾，提示“触电身亡，游戏失败”，选择“后退离开这”镜头向后退，然后出现提示“触电身亡，游戏失败”;接着会出现讲解“一根带电导线断落在地上时，……”讲解结束后会有一段动画演示如何跳离跨步电压区。选择“跳过去”镜头跳跃向前，然后出现提示“您已安全通过，游戏成功”。这四种选择最后都会弹出对话框“退出游戏”和“重新体验”，选择“重新体验”就返回场景重新开始，选择“退出游戏”就结束体验程序。本体验程序设计实现用到2个关键技术。

1）碰撞检测技术

在本体验程序的运行中有多个地方要使用到碰撞检测技术，比如在角色踏入危险区域、安全区域等的时候，要发生交互的地方都需要用到这个技术，我们在这些场景处给对应物体相应添加上碰撞检测器，然后根据HTC Vive的实时位置值来判断这时候是不是满足触发相应逻辑的条件，如果这时候条件满足，也就是角色与碰撞检测器距离小于设定数值，那么程序就会触发进入下一个逻辑[3]。比如我们的体验者在穿过危险区域时，屏幕会出现一些红色血雾，来提醒角色已经踏入危险区域。这里用到Htc官方組件 SteamVR Plugin，完成SteamVR Plugin组件的安装，在CameraRig对象中添加Rigbody、Sphere Collider并且锁定Rigbody下Constraints属性里面的Freeze Rotation里的X、Y、Z三轴。随后创建控制脚本，并将脚本挂载在对象上。即可实现人物穿过危险区域时出现红色血雾提示。

2）准心交互技术

运行体验程序后，有多次用到准心交互的技术，比如，当体验者进入场景环境时，面前会有一个问题框，这时候看着问题框，让准心停在问题面板上的其中一个选项区域时，加载进度条开始加载，悬停1秒加载就完成，就会进入下一个逻辑，如果在这1秒加载没有完成时，准心点不在选项的设定位置上了或中途离开又回来了，那么下一逻辑都不会运行，程序里几次的准心交互都是一样的设计[3]。准心悬停、进度条加载的效果的实现是要给摄像机，还有设定的物体添加代码进行控制，比如这里我们可以先建一个脚本，给它命名为“CameraRay”，把它挂在Camera上，它实现的是以相机为起点，往屏幕正中心发射一条射线，当射线（准心点）匹配到特定位置（物体），并保持悬停1秒钟，下一逻辑就被触发执行。然后，创建一个脚本，我们给它命名为“Focusing”，我们把它挂在一个设定的物体上，当摄像机的Postion值在设定的范围内时，就会触发执行，修改自身的碰撞体开启。使得CameraRay发出的射线，能够检测到这个设定的物体，然后触发准心进度条的加载，在1秒后触发执行下一个逻辑。

5总结

传统用电安全教育普遍以说教、视频、图片展示等为主，内容枯燥、方式呆板，缺乏体验性、警示性和互动性。开展大规模的安全演练需要场地、设备、资源的大量投入，安全训练又限于人身安全因素又很难组织开展。这些问题的存在，在很大程度上会减弱安全教育的效果，会导致人们的用电安全意识不够、安全技能缺乏、遇到问题不能很好地应急处置，而导致发生事故，造成财产损失甚至人员伤亡。VR技术能够将用电安全教育内容可视化、教育过程场景化，可将事故过程、预防措施、触电体验等用电安全教育场景展现，从而达到近乎真实的体验。在现实生活和实际工作中因为设备、场地或安全等因素无法开展的教育场景也能轻松进行，反复开展，它不存在材料消耗、后期维护等问题，VR体验程序的使用，一方面可减少设备持续投入，有效降低教育成本;另一方面有利于电力企业、大中专院校相关专业学生、中小学和社区居民安全地开展实地演练，能够大力提升用电安全教育效果。

参考文献：

[1] 张晓琪，唐天国，李欣，等.基于VR技术的虚拟校园漫游系统设计与关键技术研究[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：227-230.

[2] 王芳.虚拟现实技术的应用及其发展[J].科技信息，2010（32）：795-796.

[3] 王爱军.基于VR技术的火灾逃生系统设计与实现[J].广东技术师范学院学报，2019，40（6）：58-63.

[4] 梁飞.基于虚拟现实技术的六自由度机械臂视景仿真与碰撞检测系统[D].成都：西华大学，2011.

[5]baikejiukhj.跨步电压触电[EB/OL].[2020-06-05].https：//baike.sogou.com/v6456960.htm？fromTitle=%E8%B7%A8%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8E%8B%E8%A7%A6%E7%94%B5

[6] 王爱军，李中永.基于VR技术的儿童交通安全教育平台系统设计研究[J].白城师范学院学报，2019，33（8）：14-19，31.

【通联编辑：谢媛媛】