齐益禄
内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020
摘要：虚拟现实是由多门学科交叉而形成的新兴领域，其核心是构建数字化环境，并让体验者可以借助某些特殊的设备和数字环境中的对象进行交互，使得体验者产生真实的感觉。本文首先阐述虚拟现实技术的基本内涵，然后分析具体的电气工程实验平台设计内容，旨在为促进我国电气工程专业建设水平地提高提供参考与借鉴。
关键词：虚拟现实技术；电气工程；实验平台；措施分析
1虚拟现实的概述
虚拟现实英文名称VirtualReality，缩写为VR，又称灵境技术，是指以计算机技术为核心、结合人工智能、光学、运动学等相关技术，借助一些特定的交互、运算和显示设备，生成逼真的、具有视觉、听觉和触觉的虚拟环境，用户在虚拟环境里与虚拟物体进行实时交互，使用户沉浸其中，并产生身临其境的感官体验。虚拟环境是由计算机运算、模拟出来的色彩鲜明的立体视景，它可以是某一真实世界的再现，也可以是基于真实世界的一种改变，甚至是纯粹构想出来的虚拟世界。
虚拟现实具有调沉浸性、交互性和想象性等三个方面特性。沉浸性是指用户借助显示、音效等设备将自己的视觉完全融入计算机营造的虚拟环境，用户感觉自己已成为虚拟环境的一个组成部分，从而从被动的观察者变成了主动地参与者。虚拟现实注重人与虚拟世界之间通过自然方式进行交互。即人通过借助数据手套、力反馈器等一些特殊的交互设备与虚拟世界进行交互，如用手抓取虚拟世界的物体，会感觉与真实世界抓取物体一样具有重量、外形等感知，人甚至会忽略计算机的存在。在虚拟现实技术应用过程中，许多领域将虚拟现实技术用于仿真训练，具体训练过程如下：首先，借助虚拟现实技术构建仿真训练环境，仿真环境中摆放的设施均与真实物体存在较小的差异；其次，在虚拟仿真技术中，充分发挥图形图像技术的优势，使仿真训练环境更加贴近真实场景，增强训练人员的真实感；第三，在虚拟仿真环境中，参与虚拟仿真训练的人员与虚拟设备进行有效的互动，真正实现人机互动。
2电气工程VR实验平台设计
2.1特点分析
实验平台技术的特点体现在以下几个方面：首先，具有物理仿真实验平台特点。在电气工程专业教学过程中，教师按照电力系统原理，组织用户建立根据比例缩小的电力工程专业实验平台，让用户在平台内利用虚拟现实技术进行实验操作；其次，以EGP系列电力系统为标准，组织用户建立电力系统供电实验平台，让用户在平台内进行实验操作，通过操作掌握EPL系列电气系统的运行方式。现阶段电气工程专业实验平台教学期间，教师要求用户使用型号为PS-5G的电力系统微机监控模式，该模式具有物理仿真实验平台特点，让用户在平台内增强电气工程专业实验平台操作技能。
2.2实验平台系统框架
实验平台系统框架，作为电气工程应用虚拟现实技术进行平台设计的基础，设计环节应从硬件角度和软件角度分别进行。
在硬件设计过程中，计算机是平台配置的重要的硬件之一，按照硬件输入标准，还应配置USB操作设备、音箱以及显示器等，如果未能按照输入标准进行配置，计算机将无法与实验平台连接，此时实验平台内产生的信息将无法进行有效的交流和传输。在选择硬件时，应按照以下要求进行：首先，设备应符合安全用电需求，但当设备需要高电压时，应通过采用低压器件等方式来降低设备的电压，以此保证实验平台安全稳定地运行；其次，按照设定的标准传输信号，使信号的输入和输出更加精准；三，用户操作硬件设施时，要求设备按照操作指令完整相应的工作。在电气工程专业实验平台开发期间，应用虚拟仿真技术进行软件设计时，可以将软件设计分为三个内容，一是仿真执行程序，二是素材文件，三是数据库平台。
在仿真执行程序设计阶段，通过虚拟现实技术，将多种场景软件连接至平台内，在连接过程中保证场景软件充分展示出虚拟仿真特点，应确定正确的设计思路，并构建仿真模型，采用解算方法验证设计思路是否正确，这样才能使场景软件在平台内生成更加真实的场景。此外在仿真执行程序软件设计开发过程中，利用虚拟现实编写代码翻译软件内容，以便在构建的虚拟场景中，使用的声音、光影等更加贴近现实生活。
2.3虚拟电力系统建模
在电气工程专业实验平台开发过程中，建立虚拟电力系统模型，模型会真实地展示出电气工程的空间尺寸、颜色以及所处的环境，让用户在虚拟环境中可以增强感官地体验感。在学习开放式电站专业实验平台知识时，使用虚拟现实技术，建立常用油浸式配电高压变压器模型，在模型中将变压器运行时产生的噪音和振动展示出来，充分突显变压器产生的磁致伸缩效应，有助于用户增强对变压器运行的了解。在油浸式配电高压变压器模型中，设定该变压器在模型中的尺寸为1960mm×1280mm×1660mm，纵向轨距为850mm，横向轨距为660mm，表面颜色为中灰色，低频噪声在25～30dB范围内，振动在80～110Hz范围内。用户在虚拟环境中，近距离观察油浸式配电高压变压器模型，有助于用户快速进行电气工程专业实验平台开发，并且开发内容与实际平台产生的差异控制在合理的范围内。
2.4电气工程VR实验平台虚拟环境生成
虚拟环境仿真Win32程序代码执行流程，作为电气工程虚拟现实技术实验平台虚拟环境生成的参考依据。在虚拟环境仿真Win32程序代码执行流程的初始阶段，用户需要创建由创建视频驱动对象、创建场景管理对象以及创建用户接口对象组成等组成的设备对象，其中创建场景管理对象是重要的组成部分。完成场景管理对象创建后，进行网络对象创建、获取网格文件等操作，然后进入到创建动画节点对象，并与网络对象建立关系。此时建立关系后，需要用户设置材质光效、预置动画效果以及载入纹理文件，将上述内容全部添加至摄像机，由摄像机创建仿真循环环境，在循环环境内视频驱动对象会启动场景，并根据用户需求，通过场景管理对象绘制不同的场景，直至用户通过视频驱动对象关闭场景。如果用户直接创建视频驱动对象，会直接进入到仿真循环系统。如果用户通过创建用户接口对象，需要通过添加文本的方式，才能进入到用户接口对象更新文本。
2.5变压器空载实验
变压器是输变电过程中的重要设备，它的稳定运行是电力系统安全的保障。变压器空载试验是电气专业教学中的典型实验，工作人员可在上位机中修改变压器相关参数，观察并分析变压器空载运行时一次侧相电压、主磁通及空载电流的波形。
2.6电气主接线认知实验
首先在Matlab里面搭建主接线模型，然后在WinCC中根据要求绘制主接线模拟图，实验能够完全模拟断路器、隔离开关等电气设备动作后电路的各种状态，可通过颜色变化显示线路是否带电，并以表格形式实时显示电压电流等重要电气参数。通过该实验，可以加深学生对变压器、电压电流互感器、断路器等设备的工作特性和接线原理掌握。
3结语
综上所述，在电气工程专业实验平台开发过程中，应用虚拟现实技术，用户通过平台在虚拟的环境中，借助输入输出信号的方式，将平台内各个硬件和软件有效地连接，在连接时保证素材文件、数据库等在设定的平台框架内，为用户提供全面的虚拟现实服务，使用户可以全面了解和掌握电气工程的应用价值。
参考文献：
[1]刘蕴樟,陈丽丹,陈荣彬,等.虚拟现实技术在电力实训系统的应用探索[J].电气电子教学学报,2018,40(06):138-142.
[2]刘安平,邵文冕,苑鹏涛,等.Unity3D技术在电气工程实训教学中的应用[J].教育现代化,2019,v.6(A3):154-156.
[3]廖峰,韩志伟.基于虚拟现实的牵引变电所仿真技术研究[J].电气化铁道,2018,29(06):101-104.
[4]王大虎,刘标,徐炎军.基于虚拟现实的变压器教学仿真[J].计算机时代,2019,000(003):71-74.