虚拟现实技术也称灵境技术或人工环境[1]，是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地感知三维空间内的事物。迈克尔·海姆在1994年对虚拟现实定义了七个不同的概念：模拟、交互性、人工现实、浸入式、远程呈现、完满性以及网络通信。如今，虚拟现实以其视觉上的直观性和操作上的简易性在工业和公共服务等领域得到了广泛的应用，如医学模拟、计划生育模拟研究、工业仿真、模拟导航系统、竞技体育运动的虚拟仿、急救等[2][3][4][5]。
本文将虚拟现实技术应用到变电站仿真培训系统中，对变电站中各设备进行三维建模来构建虚拟变电站的运行环境。培训人员在虚拟的变电站环境下可以模拟现实变电站环境下的倒闸操作，让学员身临其境地学习和提高倒闸操作技能和事故处理能力。三维虚拟现实仿真培训系统弥补了二维仿真培训系统不真实、不直观的缺点，也避免了利用真实电气设备进行培训的高投入和危险性[6]。
2.仿真系统设计
Figure1.Flowchart:Developthesystemofsimulated500kVsubstation
3.软件开发
3.1.数据采集及纹理的处理
500kV变电站倒闸操作仿真系统的构建需要采集变电站地形及设备等物体的位置、大小、纹理、影像、属性等数据。通过量测采集500kV变电站的空间数据，再通过3dsMax软件对变压器、高压断路器、隔离开关、避雷器等变电站设备进行三维模型绘制。在光线合适的情况下通过使用相机对变电站的环境及各设备的多个侧面等处进行纹理数据的采集，借助无人机对拍摄人员难以正常进行纹理拍摄的面进行纹理获取。对无法进行完整纹理拍摄的面通过部分纹理拍摄获取纹理并根据其相对整个纹理面的大小比例进行修图和整合。
采集完纹理数据后，通过Photoshop软件对纹理进行编辑，对不同的纹理分别进行裁剪、旋转剪切、调整大小和亮度等操作，得到所需纹理图。
3.2.场景建模
3.3.交互漫游
虚拟漫游是变电站漫游系统的关键技术，交互功能是实现漫游的方式[11]。在Unity3D中可以通过使用W、S、A、D四个按键实现前后左右的行走功能。本系统需设计为第三人称的虚拟漫游，身体根据鼠
Figure2.Diagram:Constructionofthescene
3.4.碰撞检测
为了进行碰撞检测，须给设备及人物添加RigidBody刚体和包围盒，再根据各对象的不同特点选择
Figure3.Flowchart:Walkcode
Figure4.Diagram:Environmentofvirtualsubstationsystem
盒子碰撞器、球体碰撞器和胶囊碰撞器。而在碰撞检测中，为了使不同设备实现不同效果，利用碰撞事件监测的方法OnCollisionEnter()、OnCollisionStay()、和OnCollisionExit()在碰撞开始、持续和结束三个阶段完成不同的效果。
4.500kV变电站倒闸操作仿真系统的实现
4.1.功能实现
500kV变电站倒闸操作仿真系统的三维浏览功能有利于用户通过网络直观地获取变电站信息，变电站中的场景及各个元器件都是原物的重现，用户可通过控制虚拟场景中的人物以第三人称视角控制观察的角度及方向，具有沉浸感。该项目需要的主要硬件设备包括一架无人机、一台数码相机和一台计算机；软件包括Photoshop、Unity3D和3dsMax。500kV变电站倒闸操作仿真系统实现了以下的功能。
1)以相等比例缩小实体500kV变电站，场景尽可能真实；
2)配备背景音乐，使虚拟场景更加真实，用户更加能够沉浸在虚拟环境中；
3)为了实现网络浏览，且保证大多数普通计算机用户能够访问，文件控制了大小不过大；
4)能控制虚拟场景中的虚拟人物，以第三人称形式在虚拟变电站中交互漫游；
5)变电站中具有开关等设备使用户能够进行倒闸操作；
6)设置与学校网站链接的页面导航。
4.2.虚拟场景的构建
该系统的虚拟场景构件包括虚拟变电站内设备构件、环境构建以及第三人称人物构件。变压器等设备可以通过3dsMax进行结构构造，并通过无人机与单反相机获得的具体设备图片数据使模型更加生动真实；人物也可通过3dsMax进行构造，对人物模型进行骨骼的添加和动作建立，导入Unity3D制作通过W、S、A、D按键控制的第三人称人物；环境可通过Unity3D平台自带的模型来构件。
1)获取信息
2)模型构建及交互性的实现
模型包括变电站地形、电气设备、环境及人物，地形、电气设备和人物在有了具体的数据之后均可在3dsMax中构建，天空、花草等环境均可通过Unity3D自带模型完成。变电站的场景虽不大，但仍要注意对模型的充分优化以减小文件大小，方便用户快速浏览。在交互性上，该系统通过W、S、A、D按键与鼠标分别控制虚拟人物在虚拟变电站中进行前后左右的行走以及方向的调整，通过对变压器等设备模型的碰撞检测设置，完善虚拟环境的真实性。
5.倒闸操作
倒闸操作是通过操作隔离开关，挂、拆接地线，断路器从而将电气设备由一种状态转变为另一种状态的过程中所进行的操作。电气设备有运行、热备用、冷备用及检修四种状态，无论执行哪种倒闸操作都必须执行操作票制和工作监护制。以变压器倒闸操作为例，它包含以下几步操作步骤[13]。
1)检查主变抽头电压以确认变压器变比相等。为了有效防止环流对主变造成的危害，需将主变抽头电压调至规定允许的范围；
2)对刀闸的状态进行检查，确保断开处空气绝缘距离合格，刀片已拉到尽头；
3)变压器停役后，将变压器中低负荷导入另一台运行的变压器，并检查开关三相电流指示为0，确认主变处于空载状态；
4)操作过程中将断路器切至就地再检查分闸位置从而将断路器处于可控范围，一旦出现问题可及时进行手动操作；
5)对变压器进行操作前将变压器中性点接地刀闸合闸来灭弧。在变压器充电后，按正常运行方式及时调整中性点接地方式；
6)主变送电完成后需检查开关保护采样值正常来确保继电保护对应的二次数据正常；
7)线路检修时，需挂接地线，即使检修项目中有接地刀闸检修，此接地刀闸为检修设备，仍需挂接地线，确保检修人员人身安全。
倒闸操作步骤的顺序性和正确性直接影响线路及变电站设备的安全，因此，熟悉倒闸操作的步骤并理解每个步骤的含义至关重要。切实加强倒闸操作的规范性是电力安全生产中一项刻不容缓的工作。
Figure5.Diagram:Anaircircuitbreakermodelinvirtualsubstation
Figure6.Diagram:Stateoftheaircircuitbreakerafterswitchingoperation
6.软件优化
500kV变电站倒闸操作仿真系统因要在网页上浏览，故需要对软件进行优化，使软件尽可能小。本项目主要从场景和脚本对该系统进行了优化。如在场景上将用户看不到的面或线删除，同时对合并的物体使用同种材质，合并材质球，加快了渲染速度；在灯光上选择了顶点灯光从而让所有物体每一帧被渲染一次，从而降低对计算机的要求；在音乐上选择了.mp3的压缩格式，较短音效选择了.wav的未压缩音频格式；碰撞上减少了Mesh的面片数；在FPS方面先关闭垂直同步，再在代码的Awake方法中手动设置适量降低PFS，从而减少出现卡顿的情况，稳定系统，也减少设备发热情况；在地形上为了避免地形太大造成大量顶点数据而给内存带宽造成影响，将长宽均设置较小；在mesh的合并上，将所有自带的合并勾选静态，也可通过脚本合并mesh。
在脚本上，首先保证逻辑正确，在Unity3D中，对静态变量的支持可以提供更高的效率。之后就要对脚本进行优化处理，脚本中删除为空或不需要的默认方法，如在Assets目录创建新的脚本时，脚本里会包括一个Update方法，将其删除[14][15]；OnGUI方法只在一个脚本中使用，且避免在OnGUI中对变量、方法进行更新和赋值；在运算上尽量少用模运算，且将所有除运算换算为乘法运算；在插值上选择了四元数和向量做插值，相较于矩阵，四元数做插值更快，Slerp提供了平滑插值。
7.结语
随着互联网络信息技术的迅猛发展，软件的开发将更加贴近工作和生活。如今，虚拟现实技术在电力行业的深远应用为虚拟变电站的仿真提供了可能性。本项目建立了一个基于Unity3D的500kV变电站倒闸操作仿真系统，该系统通过交互功能，使变电站的新员工能够在学习了倒闸操作的正确步骤后，在该系统的虚拟环境中身临其境地进行倒闸操作的培训。通过对Unity3D各种交互功能的使用，使该系统具有很强的直观性、灵活性和可操作性。同时，用仿真软件的培训代替实地实物的培训，很大程度上减少了对人力物力的使用，安全且成本低。该系统可以帮助学习倒闸操作的员工正确分析可能出现的危险点源，从操作中发现问题和疏漏，逐步从能操作到会操作最后到精确操作，减少和避免倒闸操作过程中的安全隐患。该系统的开发也说明了Unity3D是一款优秀的虚拟现实开发工具，不仅建模功能方便、真实，同时也有着强大的交互功能。