基于3Ds Max三維建模軟件的變電站電氣設備虛擬仿真系統設計

許路廣，李銳鋒

（國網浙江省電力有限公司 嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著電力系統規模的不斷擴大，電網結構的日趨復雜，還有許多問題沒有徹底解決，對電力設備的維修管理，防范大面積停電事故發生仍是一項長期而復雜的工作[1]。在傳統電力設備運維方法中，大多采用計劃檢修維護體制。其本身存在著嚴重缺陷，如臨時性維修頻繁，維修不足或維修過剩，盲目維修等，解決問題途徑受限，且極大地依賴于現場人員技術水平，低效率的作業與高效可靠的現場作業管理要求矛盾日益突出[2]。隨著電力設備運維的智能化設備逐步增加，一線新生代員工質量與數量均不能滿足電力設備行業快速發展的需求。一線人員往往專業知識不足、經驗不足，不能獨立完成維修任務，需專業人士協助而協助過程中信息的實時準確傳達對維修時間有很大影響，所以一種建立現場與專家的有效連接方法顯得尤為重要[3]?；诖?，此次研究在三維建模的基礎上，搭建電氣設備虛擬仿真模型。這使得電氣設備能夠更好地檢查維修，讓從業人員能夠通過仿真模型實現專業培訓。

1 3Ds Max仿真軟件功能介紹

3Ds Max 是由美國3Ds Max 公司研發的一款三維建模軟件，支持多個平臺使用，具備強大的建模功能。該軟件不僅可以進行三維建模，還能進行三維動畫設計、渲染等工作。3Ds Max 還能根據需求對模型進行編輯，包括添加紋理、材質、燈光、光照等。在3Ds Max 中，可以通過鼠標和鍵盤操作實現模型創建和編輯。3Ds Max 中的建模方法包括特征建模、實體建模、體積建模等。特征建模是根據場景中的幾何對象，通過添加材質來模擬場景中物體的形狀。實體建模是對模型進行細致化處理，通過設置參數來模擬物體的尺寸大小、材料以及質量等[4]。體積建模是根據場景中物體的體積大小進行建模，可以通過設置參數來控制模型的體積大小。3Ds Max 還可以對模型進行紋理貼圖處理，以模擬真實世界中物體的表面紋理效果。3Ds Max是一款功能強大的三維建模軟件，在電力行業應用較多，在變電站電氣設備虛擬仿真系統設計中也得到了廣泛應用。如圖1 所示為變電站的基本建模功能介紹。

圖1 變電站三維模擬圖Fig.1 3D Simulation diagram of substation

圖1 中，對于變電站電氣設備的建模主要分為三維模型的搭建和系統設計，模型搭建部分需要對固有的電氣設備部件進行三維模型的分析，如對變壓器、電抗器等部件進行搭建，三維模型的系統部分主要是搭建交互系統，通過視頻講解、設備操作等實現對三維模型的使用。

3Ds Max 是具有較強的兼容性和擴展性的，可以根據實際需求選擇不同版本的3Ds Max 軟件進行操作，以滿足不同需求的使用。在電力行業中，電力設備種類眾多、型號復雜，通過3Ds Max 軟件可以輕松創建三維模型。在變電站電氣設備虛擬仿真系統設計中，通過使用鼠標、鍵盤操作可以創建仿真場景，在場景中添加模型參數可以生成逼真的三維模型，同時能夠通過鼠標和鍵盤操作對場景進行編輯，包括設置場景燈光效果，添加場景中物體，修改物體材質等操作，以實現對電氣設備虛擬仿真系統的設計和開發[5]。

3Ds Max 軟件具有強大的三維建模功能，可以輕松實現三維模型的創建。通過對設備模型進行特征分析，可以快速構建設備模型。同時通過鼠標和鍵盤操作可以對模型進行編輯，如改變物體表面顏色，修改物體表面的凹凸紋理，添加光照效果等。

2 變電站電氣設備的三維模型功能設計

2.1 變電站電氣設備虛擬仿真模型功能應用

在變電站電氣設備虛擬仿真系統設計中，可以通過設置場景燈光效果，提高電力設備虛擬仿真系統的沉浸感和真實感。在場景中添加燈光效果可以模擬真實世界中物體的表面顏色，增強電力設備虛擬仿真系統的視覺效果。在3Ds Max 中，還能夠通過點擊、拖動、旋轉、鏡像等操作，對場景燈光效果進行設置。在添加光源時，需要注意光源與電力設備之間的距離問題，以免影響電力設備虛擬仿真系統的視覺效果。

在場景中添加燈光效果需要調整燈光色溫。在場景中添加燈光色溫時，需要根據不同季節對照明顏色進行調整。例如，在夏季和冬季時需要將燈光色溫調整為暖色。通過點擊、拖動等操作可以對燈光色溫進行調整，以滿足不同季節對電力設備虛擬仿真系統的照明需求。

在3Ds Max 中添加光效是模擬真實世界物體表面顏色的重要方法之一。通過點擊、拖動、旋轉等操作可以對光效進行設置，以模擬真實世界物體表面顏色。在添加物體時，需要根據實際需求對所添加的物體進行命名[6]。在3Ds Max 中，可以選擇添加，然后在彈出的菜單中選擇對象，通過該菜單可以選擇不同種類的需求目標進行添加。在變電站電氣設備虛擬仿真系統設計中，系統可以根據需要對場景中的物體進行添加，同時還可以對所添加的物體進行編輯和修改。例如，在添加變電站電氣設備虛擬仿真系統場景中的變壓器時，需要按照實際需求對變壓器進行添加，可以選擇菜單進行操作。通過該菜單可以選擇不同種類的變壓器，并對其尺寸、材料等進行設置。

變壓器的設計是在變電站電氣設備虛擬仿真系統場景中進行的，首先需要根據實際需求對場景中的變壓器進行選擇，然后對其尺寸、材質等進行設置。在添加變壓器時，還需要在場景中選擇一個合適的變壓器模型，然后將模型拖動至場景中并使其與其他模型產生關聯。例如，在添加變壓器時，可以先添加一個普通變壓器模型，然后將其拖動到變電站電氣設備虛擬仿真系統場景中，這樣可以使變壓器與其他模型產生關聯。通過在3Ds Max 中對變壓器進行添加操作，可以完成變壓器模型的構建。同時還需要注意的是，在添加變壓器模型時，可以選擇將其放置在場景中某個位置，這樣可以使其與其他模型產生關聯。

2.2 變電站電氣設備三維模型繪制

對于三維模型的繪制，首先需要對模型進行草圖繪制，在繪制完成后，需要將其保存為格式文件。在3Ds Max 軟件中，點擊格式文件后會彈出一個對話框，在此對話框中可以對模型進行修改，通過鼠標右鍵可以對其進行刪除操作。其次，還要將模型導入到3Ds Max 中進行編輯。在導入模型后，需要選擇拾取法方式進行操作。在使用操作時，需要對模型中的小零件進行拾取，并將其放置在場景中的相應位置。常見的3Ds Max 支持多種材質類型，包括表面材質、貼圖材質、透明材質、半透明材質等。在3Ds Max中，可以通過點擊鼠標右鍵，選擇菜單中的創建或者替換命令，或者按下鍵盤上的B 鍵等方式將3Ds Max 中的材質添加到場景中。在3Ds Max 使用中，還可以對不同類型的貼圖進行選擇，以達到不同效果的貼圖使用。

3Ds Max 提供了多種貼圖材質類型，包括照片貼圖、數字貼圖、色相/飽和度貼圖、紋理貼圖等[7]。在3Ds Max軟件中，貼圖方式有圖元、著色、紋理等多種類型，可以根據實際情況選擇適合自己的貼圖類型進行貼圖修改和制作。在3Ds Max 軟件中貼圖類型包括面片貼、圖元貼、半面片貼、數字貼等。在3Ds Max 軟件中，貼圖大小與物體表面紋理數量有關。當物體表面紋理數量較大時，需要使用較大的貼圖尺寸來達到效果。

3 基于變電站電氣設備的三維模型系統設計

3.1 變電站電氣設備系統場景模型介紹

變電站電氣設備虛擬仿真系統包含仿真場景、三維模型、模型編輯、場景操作4 個部分，變電站電氣設備虛擬仿真系統分為4 個主要模塊，分別是虛擬場景、電氣設備、交互操作、變電站電氣設備場景操作，如圖2 所示。

圖2 變電站電氣設備三維場景模擬Fig.2 3D Scene simulation of substation electrical equipment

圖2 中虛擬場景是指在三維環境中模擬變電站運行環境的一個場景，包含變電站的各種設施，如建筑物、樹木等，可以創建出變電站的整體模型，還能夠在三維空間中隨意站立、行走。變電站電氣設備場景操作是指虛擬仿真系統中對虛擬的變電站電氣設備進行操作，包括開關的合閘和分閘操作，斷路器和隔離開關等，可以通過鼠標和鍵盤控制虛擬仿真系統中的各種電器進行運行和維護。以上4 個模塊相互關聯，構成了系統整體功能，可以在仿真場景中隨意走動，并以任意方式移動到指定地點或目標位置[8]。

仿真場景包含變電站的各種設施，如建筑物、樹木等，并且可以動態變化，可以在仿真場景中隨意移動、走動，并與虛擬場景中的各種設備進行交互操作。

變電站虛擬仿真系統采用三維建模軟件3Ds Max 進行建模，在建模過程中，為了保證虛擬場景的真實感，需要根據變電站實際情況進行建模，并對變電站的各種設施進行詳細地描述。首先，在三維建模軟件中建立變電站的整體模型，并根據實際情況進行必要的編輯和修改。然后，對變電站內的各種設施進行詳細地描述和設定。最后，在3Ds Max 軟件中建立起整個虛擬場景。在建立起整個變電站仿真場景后，需要對其進行渲染處理。在渲染過程中，需要利用3Ds Max 軟件中的插件對三維場景進行渲染處理。

對于變電站仿真場景中的各種設備和設施可以采用3Ds Max 軟件中自帶的插件來進行渲染處理。在進行渲染過程中，需要根據實際情況對一些特殊效果，如光照和陰影等進行處理。同時，在進行渲染處理時還需要使用到3Ds Max 軟件中自帶的一些貼圖功能來實現對不同材質、貼圖和紋理的切換處理。為了實現在三維空間中的任意走動、站立等動作，在仿真場景中設計一些交互操作模塊。這些交互操作模塊包括鼠標控制和鍵盤控制兩種方式。鼠標控制方式是指在三維空間中移動虛擬場景中的各種物體，并通過鼠標點擊來實現對物體的控制；鍵盤控制方式是指通過鍵盤來控制虛擬場景中的各種物體移動和移動位置等操作。

建筑物是指在3Ds Max 軟件中對變電站建筑物進行建模，建立變電站建筑物的三維模型，如變電站圍墻、變電站大門等。在建立3Ds Max 的模型時，需要根據實際情況合理選擇建模工具和建模方法。對于不同建筑物，選擇不同的建模工具和建模方法會得到不同類型、不同特征和不同功能的模型。建筑類物體和樹木類物體使用不同的建筑指令進行搭建，如建筑類物體使用軟件自帶的建筑類指令，樹木類則使用樹木類指令。

在建立3Ds Max 的模型時，還需要保證模型之間的關聯關系和位置關系正確。對于電氣設備模型，需要保證三維模型之間能夠正確關聯和相互位置關系。例如，在電氣設備三維模型與虛擬場景中其他物體之間的關聯關系方面，需要保證三維模型之間具有正確的關聯關系。

3.2 變電站電氣設備三維模型系統功能介紹

在三維建模完成后，系統會對生成的虛擬場景進行展示，展示方式可以是靜態的也可以是動態的。靜態展示時，在虛擬場景中顯示出各種電氣設備，如開關和斷路器等，可以通過鼠標和鍵盤控制這些設備的動作；動態展示時，在虛擬場景中顯示出各種電氣設備，如斷路器、隔離開關和刀閘等。

交互操作是指在虛擬場景中，可以通過鼠標和鍵盤對虛擬場景進行操作，主要包括對虛擬場景中的物體進行移動，改變運動方向，改變位置等，可以在虛擬場景中任意走動，并通過鼠標和鍵盤控制虛擬場景中的各種電器，如斷路器的分閘、合閘等。在交互操作中，可以隨時查看各個電氣設備的狀態，了解設備的使用方法和注意事項。交互操作需要借助三維模型和交互漫游功能實現，因此需要將三維模型、交互漫游、虛擬場景三者結合起來使用。

交互漫游是指在虛擬場景中，可以通過鼠標和鍵盤對虛擬場景中的物體進行移動，改變運動方向，改變位置等操作，可以根據需要隨時查看各個電氣設備的狀態。在交互漫游時，可以直接使用鼠標或鍵盤來控制各個電氣設備的運動方向和運動速度，而不用進入虛擬場景中進行操作。在進行交互操作時，可以通過鼠標和鍵盤來控制虛擬場景中的各種電器運動狀態，包括開關的合閘和分閘操作、斷路器和隔離開關等。

互動教學是指在虛擬仿真系統中提供一個交互式的教學環境，可以通過交互操作對所學知識進行鞏固練習，互動教學需要借助三維模型和交互漫游功能實現。安全教育是指在虛擬仿真系統中，為提供一個安全的環境，讓其在安全環境中學習安全知識。在進行互動教學時，需要先進入到安全環境中，再通過鼠標和鍵盤進行操作。輔助測試是指在交互式功能的基礎上，為系統添加一些輔助測試功能。輔助測試可以對整個系統進行操作演練，了解整個系統的運行過程和具體使用方法。自動保存是指在虛擬仿真系統中完成對各個功能模塊的操作后，自動保存對各個功能模塊的操作記錄。變電站電氣設備虛擬仿真系統的場景操作功能，如圖3 所示。

圖3 電氣仿真系統功能模塊Fig.3 Functional modules of electrical simulation system

如圖3 所示，電氣設備的仿真系統中包括選擇系統功能、復制功能、移動功能、旋轉功能、漫游功能、刪除功能和拖拽功能。這些功能都能夠通過在三維模型中使用鍵盤鼠標拖動就能完成。搭建的三維模擬系統中還有一些額外的操作功能，如交互式操作，能夠實現對電氣設備的關閉、移動、旋轉；漫游功能能夠在虛擬場景中移動和位置確定；碰撞檢測功能能夠自動檢測兩個設備是否發生碰撞；交互式漫游功能能夠實現電氣設備的狀態信息傳遞；防護功能是在場景中實現虛擬防護；控制功能能夠對場景中的人物或設備進行漫游控制。

4 結論

此次研究在變電站電氣設備的基礎上結合三維模擬的特點，搭建了變電站電氣設備的虛擬仿真模型系統，系統包括選擇、移動、漫游等功能，能夠實現和現實的交互從而能夠使得設備更好的進行檢查和維修。3Ds Max 三維建模軟件的變電站電氣設備虛擬仿真系統具有操作簡便、功能完善等特點，為變電站電氣設備培訓提供了新思路，有效降低了變電站電氣設備培訓成本，提高了培訓效果。未來，需要進一步對變電站電氣設備虛擬仿真系統進行優化和完善，開發出更多符合電力行業需求的變電站電氣設備虛擬仿真系統，使其更好地為電力行業服務。