论文部分内容阅读
摘 要：近年来，我国虚拟现实技术获得了快速发展，在日常生活中也得到了越来越广泛的应用。现简要介绍了虚拟现实技术的相关概念与发展过程，列举了目前虚拟现实技术的运用情况，具体分析了虚拟现实技术在电力系统中的应用现状，并作出了归纳与总结。
关键词：虚拟现实;电力系统;应用现状
1 VR技术的概念
VR技术，即虚拟现实技术（Virtual Reality），指的是虚拟和现实相互结合的一种技术。VR技术目前已经发展到了第三代，它结合虚拟化信息技术、图像处理技术、网络技术等构造出一个逼真的虚拟世界，使體验者获得视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，且体验者可以在虚拟世界中进行自由操作和交互[1]。
2 VR技术的发展现状
VR技术诞生于20世纪中叶，但几十年之后才引起了人们的注意和重视。随着社会生产力和科学技术的进步，各行各业对VR技术的需求日益旺盛，VR技术取得了巨大的进步。截至目前，VR技术引领的新时代已经逐渐渗透并普遍运用于人们的日常生活中。
作为VR起源地的美国，VR首先应用于军事、航空航天模拟训练等专业领域，而后逐渐扩散至民用领域。欧洲国家则将VR技术更多地应用于改造传统工业与产品的相关方面，有效提升了产品的质量和利润，并且得到了更多客户的青睐。
我国针对VR技术的研究起步较晚，但发展速度很快，近年来在各行各业中得到了较好的应用，并且取得了良好的反响，获得了各界的重视与支持。国内高等院校、研究机构与各大企业，也对VR技术的发展前景很感兴趣，纷纷投身VR领域的研究与应用之中。VR技术实现了视觉技术的突破，开发了虚拟现实应用管理系统，在虚拟建模、仿真培训等方面具有积极的推动作用。
3 VR技术的应用现状
这些年来，VR技术已经取得了飞速的进步，在国内外得到了广泛的应用，涉及医疗、旅游、教育、建筑、军事等各个方面。
3.1 VR医疗
VR技术在医疗范畴的运用相当普遍，并且具有很大的提升空间。
（1）通过3D模型，模拟手术病人与手术环境（图1），用于医疗培训，解决医疗资源匮乏的问题。
（2）用于辅助治疗，创造虚拟的环境，缓解病人心理上的紧张，从而减轻身体上的痛苦。
3.2 VR旅游
（1）用于景点宣传：通过景点的VR全景复原对景点进行宣传与推广，用户可以通过VR技术提前参观景点，并对实际旅行时的路线做出决策。
（2）用于景区内的虚拟体验，可以保护那些珍贵的历史文物不被旅游者破坏，或者复原已经消失的历史遗迹等。
（3）全VR主题景点（图2），比如The Void、Zero Latency等VR题材公园。
3.3 VR教育
VR技术的引入丰富了教学的内容和方式，也提高了学习内容的真实性和有趣性。对于一些需要现场操作的课程，比如驾驶、手术、加工制作等，VR教育可以降低培训费用和缩短培训时间，避免学员因为学艺不精而造成的伤害。目前，Lingoland、Unimersiv等公司已经相继开发完成了完善的VR教育系统，我国这类教育系统也在逐步开发和完善中（图3）。
3.4 VR建筑
VR技术可以完美地运用于建筑设计和样板展示中（图4）。VR技术突破了传统2D设计的局限性，设计师可以获得更好的空间感，客户可以获得更加直接的体验感，有助于多方沟通。VR技术目前在建筑行业的设计、展示、营销方面均已有了较大规模的运用，为建筑行业的设计、生产、销售做出了有力的贡献。
3.5 VR军事
VR技术在军事领域已经得到了非常广泛的应用，其不仅可以节省大量成本，节约大量人力、物力与时间，还可以降低军事风险。我国军事训练中已大量使用虚拟现实设备（图5），其既可以模拟各种场景和设备，又可以帮助军人体验各种军事训练课程。
此外，电力、石油、矿产等这类高危行业也常利用VR技术进行仿真模拟，既可以降低事故发生的概率，又可以节省人力物力成本。目前，国内VR系统引擎已经较成熟，许多公司和大学都在积极研究相关内容，并陆续建立了虚拟现实仿真实验室，正迅速将这一科技成果转化为实用技术。
4 VR技术在电力系统中的应用现状
4.1 VR技术在输变电系统中的应用
变电站和输电线路是电力系统中最重要的组成部分，目前，国内各单位及高校已经根据各地特点建成多套110～500 kV各电压等级的虚拟变电站模型与各电压等级的输电线路。
对于变电站而言，VR技术可以提供以下功能：
（1）在设计初期，可以通过建模验证各个设备结构之间的相对位置，制订出合理的部署方案，优化空间布局。
（2）系统建成后，可以给变电站作业人员的检修、维护工作提供直观、形象的指导，降低作业难度与风险，提高作业效率。
（3）可以给变电站人员进行变电站结构、功能、运行模式方面的仿真培训，降低培训的成本与风险。
对于输电线路而言，VR技术可以提供下列功能：
（1）可以为输电线路建设模拟提供建模支持。
（2）可以提供输电线路建设过程中的环境模拟功能，预知建设事故与环境风险。
（3）可以建立灾害模拟及评估系统。
（4）可以建设运行轨迹模型。
（5）可以为线路工作人员提供模拟寻线功能。 4.2 VR技术在电力培训中的应用
国外从1970年起就开展了基于VR技术的电力系统操作和考核培训系统研究，而我国自1990年以来，也先后建立了电力方面的虚拟现实培训系统，涵盖了电力系统建设培训、带电作业培训、事故处置培训等，将电力培训由书面化转变为图像化，给培训人员提供了作业的真实感与沉浸感，使电力培训方式发生了重要转变。
在国内，多家公司研制的虚拟现实电力培训系统可为电力系统人员培训等工作提供一种沉浸式的、安全的、交互式的培训方式，不但可以三维显示设备的外部形状，还可以展示其内部构造及连接方式，揭示其逻辑关系;并且通过人机交互技术，学习电力设备的工作原理与检修维护方法，效果直接明了。根据异地学习人员的需要，运用互联网技术，建立多点分布式的VR教学系统，可进行多用户的系统操作，提供异地系统作业的环境。
采用VR技术进行仿真培训，既可以节省培训成本，又可以有效降低培训中的风险，学习人员可以对场景进行360°的自由观测，对设备结构进行剖析，深入了解其组成和原理，获得书本上难以获得的直观感受。此外，电力虚拟仿真培训较为灵活，模型、数据、信息和交互方式的配置可根据需要来设计、建造、扩展、补充或组合[2]。
4.3 VR技术在电力系统运行过程中的应用
VR技术的加入，可以有效保障电力系统的安全稳定运行，维护电力系统的运行质量。各单位研制出了不同的虚拟仿真系统，可以协助电力工作人员进行远程操作和模拟训练。有的单位还发明了相关作业机器人，可以通过对应的VR操作软件，控制机器人进行实际的检修作业，保证作业的精度和人员的安全。
（1）电力网络因为分布原因，有时只能进行远程操控，但准确性不高。电力作业人员可以凭借VR技术，通过现场实际数据与虚拟场景相结合，有效提升远程操作的准确性。同时，在VR模拟系统中，可以有效避免现实世界中的电场、温湿度变化等的影响，使作业人员能做出更精准的操作与计算。
（2）在电力运行过程中，作业人员难免需要进行现场作业，但高空或高压往往让经验不足的作业人员心生畏惧。利用VR系统可以使作业人员提前适应相应的虚拟环境，克服自身的恐惧。作业人员通过提前适应，提前练习，大大降低现场培训或者作业中的风险。
4.4 VR技术在电力工程设计中的应用
在以往的电力设计中，工作人员往往通过图纸进行设计，设计过程中难免会因为衔接性的问题而造成设计误差，从而导致后续生产过程中的失误。三维建模的出现有效提升了设计的准确性，避免了沟通误差，同时极大地提升了效率，也降低了各种成本，并且更加直观，降低了设计难度。
目前通常先采用VR技术进行三维设计，而后采用二维图纸进行生产指导。根据需要从数据库中自动生成多种设计图纸和报告，转换过程是由软件自动完成的，可以有效解决不同设计图之间不对应或者漏改、漏标和书写错误等问题。另外，还可以利用三维建模来检查设计的合理性、正确性，优化设备结构和使用空间，非常直观高效，避免出现设计干扰或空间大小不合适的情况。
此外，在数据库的支持下，设计系统不仅可以存储和管理三维模型，还可以将各种资料、图纸进行协调集成，使系统更加全面、完整，具备全流程的可追溯性。设计单位在使用VR技术后，原本的设计成功由一堆关联性不太强的图纸变成了一套完整的、系统的、直观的数据库，其准确、真实地体现了设计人员的思想，集成了历史项目的设计流程，为提升电力设计的准确性、标准性提供技术支持，深受各个设计单位的好评。
4.5 VR技术在电力突发事件应急演练中的应用
随着人们生活水平的提高，电气设备的数量和使用频率均大幅上涨，激增的电能需求量时刻冲击着电网的安全与稳定运行。这些年，国家电网逐步建立了电力应急体系以确保人们日常用电的安全与稳定，并以电力应急物资储备、应急组织体系等八项工作为重点[3]。但是，传统的应急抢修演练组织难度大，耗费人力物力多，效果却不尽如人意。基于此，将VR技术与电力应急抢修演练进行有机融合，开发基于VR的虚拟仿真应急平台，能够协助运行、抢修、调度人员共同完成应急处理任务，减少人力物力投入，增强演练效果。目前，VR技术在突发事件应急演练中的应用较少，但在逐步增加。
5 结语
近年来，VR技术在电力系统中有了一定的运用，在建筑设计、设备认知、培训管理等领域中均有试点，并取得了良好的口碑。但VR技术在电力系统中的运用范围有待扩大，参与使用的人数及频率仍然较低。相信在不久的将来，随着VR技术的普及和发展，电力系统的各方各面均会享受到VR技术的福利，VR技术将渗透到电力系统的日常工作中，为保证电力系统的安全稳定运行做出独特的贡献。
[参考文献]
[1] 胡圣武，潘正风.虚拟现实技术的应用及其需要解决的问题[J].矿山测量，2004（1）：13-14.
[2] 陈海波，郑健，费瑞轶，等.虚拟现实技术在电力系统中的典型应用[J].电网与清洁能源，2016，32（2）：20-25.
[3] 刘鹏博.基于虚拟现实技术的应急演练系统设计與开发[D].秦皇岛：燕山大学，2016.
收稿日期：2020-12-03
作者简介：郭鹏程（1980—），男，浙江宁波人，工程师，研究方向：输配电线路。
关键词：虚拟现实;电力系统;应用现状
1 VR技术的概念
VR技术，即虚拟现实技术（Virtual Reality），指的是虚拟和现实相互结合的一种技术。VR技术目前已经发展到了第三代，它结合虚拟化信息技术、图像处理技术、网络技术等构造出一个逼真的虚拟世界，使體验者获得视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，且体验者可以在虚拟世界中进行自由操作和交互[1]。
2 VR技术的发展现状
VR技术诞生于20世纪中叶，但几十年之后才引起了人们的注意和重视。随着社会生产力和科学技术的进步，各行各业对VR技术的需求日益旺盛，VR技术取得了巨大的进步。截至目前，VR技术引领的新时代已经逐渐渗透并普遍运用于人们的日常生活中。
作为VR起源地的美国，VR首先应用于军事、航空航天模拟训练等专业领域，而后逐渐扩散至民用领域。欧洲国家则将VR技术更多地应用于改造传统工业与产品的相关方面，有效提升了产品的质量和利润，并且得到了更多客户的青睐。
我国针对VR技术的研究起步较晚，但发展速度很快，近年来在各行各业中得到了较好的应用，并且取得了良好的反响，获得了各界的重视与支持。国内高等院校、研究机构与各大企业，也对VR技术的发展前景很感兴趣，纷纷投身VR领域的研究与应用之中。VR技术实现了视觉技术的突破，开发了虚拟现实应用管理系统，在虚拟建模、仿真培训等方面具有积极的推动作用。
3 VR技术的应用现状
这些年来，VR技术已经取得了飞速的进步，在国内外得到了广泛的应用，涉及医疗、旅游、教育、建筑、军事等各个方面。
3.1 VR医疗
VR技术在医疗范畴的运用相当普遍，并且具有很大的提升空间。
（1）通过3D模型，模拟手术病人与手术环境（图1），用于医疗培训，解决医疗资源匮乏的问题。
（2）用于辅助治疗，创造虚拟的环境，缓解病人心理上的紧张，从而减轻身体上的痛苦。
3.2 VR旅游
（1）用于景点宣传：通过景点的VR全景复原对景点进行宣传与推广，用户可以通过VR技术提前参观景点，并对实际旅行时的路线做出决策。
（2）用于景区内的虚拟体验，可以保护那些珍贵的历史文物不被旅游者破坏，或者复原已经消失的历史遗迹等。
（3）全VR主题景点（图2），比如The Void、Zero Latency等VR题材公园。
3.3 VR教育
VR技术的引入丰富了教学的内容和方式，也提高了学习内容的真实性和有趣性。对于一些需要现场操作的课程，比如驾驶、手术、加工制作等，VR教育可以降低培训费用和缩短培训时间，避免学员因为学艺不精而造成的伤害。目前，Lingoland、Unimersiv等公司已经相继开发完成了完善的VR教育系统，我国这类教育系统也在逐步开发和完善中（图3）。
3.4 VR建筑
VR技术可以完美地运用于建筑设计和样板展示中（图4）。VR技术突破了传统2D设计的局限性，设计师可以获得更好的空间感，客户可以获得更加直接的体验感，有助于多方沟通。VR技术目前在建筑行业的设计、展示、营销方面均已有了较大规模的运用，为建筑行业的设计、生产、销售做出了有力的贡献。
3.5 VR军事
VR技术在军事领域已经得到了非常广泛的应用，其不仅可以节省大量成本，节约大量人力、物力与时间，还可以降低军事风险。我国军事训练中已大量使用虚拟现实设备（图5），其既可以模拟各种场景和设备，又可以帮助军人体验各种军事训练课程。
此外，电力、石油、矿产等这类高危行业也常利用VR技术进行仿真模拟，既可以降低事故发生的概率，又可以节省人力物力成本。目前，国内VR系统引擎已经较成熟，许多公司和大学都在积极研究相关内容，并陆续建立了虚拟现实仿真实验室，正迅速将这一科技成果转化为实用技术。
4 VR技术在电力系统中的应用现状
4.1 VR技术在输变电系统中的应用
变电站和输电线路是电力系统中最重要的组成部分，目前，国内各单位及高校已经根据各地特点建成多套110～500 kV各电压等级的虚拟变电站模型与各电压等级的输电线路。
对于变电站而言，VR技术可以提供以下功能：
（1）在设计初期，可以通过建模验证各个设备结构之间的相对位置，制订出合理的部署方案，优化空间布局。
（2）系统建成后，可以给变电站作业人员的检修、维护工作提供直观、形象的指导，降低作业难度与风险，提高作业效率。
（3）可以给变电站人员进行变电站结构、功能、运行模式方面的仿真培训，降低培训的成本与风险。
对于输电线路而言，VR技术可以提供下列功能：
（1）可以为输电线路建设模拟提供建模支持。
（2）可以提供输电线路建设过程中的环境模拟功能，预知建设事故与环境风险。
（3）可以建立灾害模拟及评估系统。
（4）可以建设运行轨迹模型。
（5）可以为线路工作人员提供模拟寻线功能。 4.2 VR技术在电力培训中的应用
国外从1970年起就开展了基于VR技术的电力系统操作和考核培训系统研究，而我国自1990年以来，也先后建立了电力方面的虚拟现实培训系统，涵盖了电力系统建设培训、带电作业培训、事故处置培训等，将电力培训由书面化转变为图像化，给培训人员提供了作业的真实感与沉浸感，使电力培训方式发生了重要转变。
在国内，多家公司研制的虚拟现实电力培训系统可为电力系统人员培训等工作提供一种沉浸式的、安全的、交互式的培训方式，不但可以三维显示设备的外部形状，还可以展示其内部构造及连接方式，揭示其逻辑关系;并且通过人机交互技术，学习电力设备的工作原理与检修维护方法，效果直接明了。根据异地学习人员的需要，运用互联网技术，建立多点分布式的VR教学系统，可进行多用户的系统操作，提供异地系统作业的环境。
采用VR技术进行仿真培训，既可以节省培训成本，又可以有效降低培训中的风险，学习人员可以对场景进行360°的自由观测，对设备结构进行剖析，深入了解其组成和原理，获得书本上难以获得的直观感受。此外，电力虚拟仿真培训较为灵活，模型、数据、信息和交互方式的配置可根据需要来设计、建造、扩展、补充或组合[2]。
4.3 VR技术在电力系统运行过程中的应用
VR技术的加入，可以有效保障电力系统的安全稳定运行，维护电力系统的运行质量。各单位研制出了不同的虚拟仿真系统，可以协助电力工作人员进行远程操作和模拟训练。有的单位还发明了相关作业机器人，可以通过对应的VR操作软件，控制机器人进行实际的检修作业，保证作业的精度和人员的安全。
（1）电力网络因为分布原因，有时只能进行远程操控，但准确性不高。电力作业人员可以凭借VR技术，通过现场实际数据与虚拟场景相结合，有效提升远程操作的准确性。同时，在VR模拟系统中，可以有效避免现实世界中的电场、温湿度变化等的影响，使作业人员能做出更精准的操作与计算。
（2）在电力运行过程中，作业人员难免需要进行现场作业，但高空或高压往往让经验不足的作业人员心生畏惧。利用VR系统可以使作业人员提前适应相应的虚拟环境，克服自身的恐惧。作业人员通过提前适应，提前练习，大大降低现场培训或者作业中的风险。
4.4 VR技术在电力工程设计中的应用
在以往的电力设计中，工作人员往往通过图纸进行设计，设计过程中难免会因为衔接性的问题而造成设计误差，从而导致后续生产过程中的失误。三维建模的出现有效提升了设计的准确性，避免了沟通误差，同时极大地提升了效率，也降低了各种成本，并且更加直观，降低了设计难度。
目前通常先采用VR技术进行三维设计，而后采用二维图纸进行生产指导。根据需要从数据库中自动生成多种设计图纸和报告，转换过程是由软件自动完成的，可以有效解决不同设计图之间不对应或者漏改、漏标和书写错误等问题。另外，还可以利用三维建模来检查设计的合理性、正确性，优化设备结构和使用空间，非常直观高效，避免出现设计干扰或空间大小不合适的情况。
此外，在数据库的支持下，设计系统不仅可以存储和管理三维模型，还可以将各种资料、图纸进行协调集成，使系统更加全面、完整，具备全流程的可追溯性。设计单位在使用VR技术后，原本的设计成功由一堆关联性不太强的图纸变成了一套完整的、系统的、直观的数据库，其准确、真实地体现了设计人员的思想，集成了历史项目的设计流程，为提升电力设计的准确性、标准性提供技术支持，深受各个设计单位的好评。
4.5 VR技术在电力突发事件应急演练中的应用
随着人们生活水平的提高，电气设备的数量和使用频率均大幅上涨，激增的电能需求量时刻冲击着电网的安全与稳定运行。这些年，国家电网逐步建立了电力应急体系以确保人们日常用电的安全与稳定，并以电力应急物资储备、应急组织体系等八项工作为重点[3]。但是，传统的应急抢修演练组织难度大，耗费人力物力多，效果却不尽如人意。基于此，将VR技术与电力应急抢修演练进行有机融合，开发基于VR的虚拟仿真应急平台，能够协助运行、抢修、调度人员共同完成应急处理任务，减少人力物力投入，增强演练效果。目前，VR技术在突发事件应急演练中的应用较少，但在逐步增加。
5 结语
近年来，VR技术在电力系统中有了一定的运用，在建筑设计、设备认知、培训管理等领域中均有试点，并取得了良好的口碑。但VR技术在电力系统中的运用范围有待扩大，参与使用的人数及频率仍然较低。相信在不久的将来，随着VR技术的普及和发展，电力系统的各方各面均会享受到VR技术的福利，VR技术将渗透到电力系统的日常工作中，为保证电力系统的安全稳定运行做出独特的贡献。
[参考文献]
[1] 胡圣武，潘正风.虚拟现实技术的应用及其需要解决的问题[J].矿山测量，2004（1）：13-14.
[2] 陈海波，郑健，费瑞轶，等.虚拟现实技术在电力系统中的典型应用[J].电网与清洁能源，2016，32（2）：20-25.
[3] 刘鹏博.基于虚拟现实技术的应急演练系统设计與开发[D].秦皇岛：燕山大学，2016.
收稿日期：2020-12-03
作者简介：郭鹏程（1980—），男，浙江宁波人，工程师，研究方向：输配电线路。