1 虚拟现实技术特征与基本概念

1.1 特征

虚拟现实技术拥有3个基本特征，被称为虚拟现实的“3I”特征，即Immersion (沉浸) 、Interaction (交互) 、Imagination (构想) ，三大特征指明了虚拟现实技术首先需要排除现实世界的干扰，带给用户足够沉浸和投入的感觉;其次，虚拟现实技术需要提供便捷而丰富的人机交互方式，在将用户指令传送给虚拟现实环境的同时，也需要在虚拟现实环境中提供恰当的反馈信息；最后，虚拟现实技术需要给予用户相应的想象关联空间，以此来满足用户对于虚拟环境的应用需求。

1.2 基本概念

1.2.1 增强现实

增强现实 (Augmented Reality，AR) 是将真实场景同虚拟物体加以融合的一种手段，即以现实世界的实体为主体，借助于数字技术帮助用户更好地探索现实世界和与之交互，其特点是虚实空间的一致性结合以及实时交互，是虚拟现实的一个重要分支。

增强现实中，体验者所见所感的场景与人物半为虚拟半为现实，在现实世界中融合了虚拟，并为体验者提供真实的与虚拟物体之间交互的感觉。在各种增强现实设备所捕捉的物理空间的基础上，添加虚拟信息进行展示、交互。通过跟踪定位设备获取交互控制数据执行用户对虚拟事物实施的行为指令。增强现实跟踪定位系统必须能够实时地检测观察者在场景中的位置、视域的方向，甚至是预测今后的运动情况，以便用来帮助系统决定何时何地显示何种虚拟物体，以此将虚拟物体与现实世界相融合，使用户看到虚实结合的画面。

1.2.2 混合现实

混合现实 (Mixed Reality，MR) 是一种结合了VR与AR技术特点的概念技术，即在真实世界中，呈现出可信的虚拟事物，所虚拟出的事物完全符合现实世界中的透视法则以及各种物理规律。MR可认为是一种升级版的AR技术。

1.2.3 影像现实

影像现实 (Cinematic Reality，CR) 是Google投资的Magic Leap提出的概念，主要采用一种全新的显示技术概念，区别于VR和AR技术通过屏幕投射显示技术，CR通过光波传导棱镜设计，将画面直接投射于用户视网膜，直接与视网膜交互，解决了当前显示设备视野太窄或者眩晕等问题。

2 虚拟现实领域关键技术

2.1 交互技术

虚拟现实的交互能力主要依靠于立体显示和传感器技术，以多通道交互方式进行，接收体验者的视觉、语音及其他表达方式的输入并与之互动，具有强烈的临场感、友好的交互性、多感知性以及自主定制虚拟世界等特点。

1) 混合现实将虚拟现实和增强现实的优点整合起来，可让用户看到真实世界，但同时又能呈现出可信的虚拟事物，它会把虚拟物体固定在真实空间当中，给人以真实感。

2) 影像现实在混合现实的基础上，将混合现实的现实内容直接投射到用户视网膜，实现更真实的影像。2015年1月，微软公司推出了混合现实头戴式显示器Holo Lens，集成多种模块，具有较高性能，但是存在体积大、价格偏高等不足之处。

2.2 显示技术

1) 虚拟现实的显示设备，应当具有与人眼类似的视场角及良好的显示效果，并且能够在一定程度上满足人眼立体视觉的特性。与传统的显示技术相比，虚拟现实技术在显示方面使用海量数据的实时绘制技术来处理大量的三维数据信息。

2) 增强现实则是将虚拟信息融入体验者观察的现实世界中，使得体验者在观察现实世界时获得更多的信息显示。与虚拟现实相比，增强现实技术显示的是真实世界与虚拟世界的集合，在不影响用户对现实世界的观察的情况下，将实际物体在与设备产生的投影混合后反馈给用户，为用户提供包括视觉、听觉以及触觉等感官在内的展示信息 。

3 电力行业虚拟现实技术应用现状

电力行业涉及到发电、输电、变电、配电、用电等多个环节，而在电力监控、检修作业、工程设计、仿真培训等电力生产的各个环节，虚拟现实技术有着广泛的应用。

3.1 电力监控

电力调度监控通过数据采集系统采集设备运行状态，与SCADA、PMS等系统高度融合后，呈现在调度监控大厅内各类大小监控屏幕上，但存在数据不全面、显示不直观、关联不紧密的缺点，不能很好地反映现场及设备真实情况，无法将相互关联的数据建立起直观的联系。

国网上海电力公司在电力监控中引入了虚拟现实技术，在电力运行数据呈现、复杂作业环境模拟等方面都开展了广泛而深入的研究，并且将相关研究成果应用于实际电力系统监控中，取得了良好的成效。但是，目前该系统对于虚拟现实技术的应用还有待进一步开发。文国网上海电力公司利用GIS对电力监控系统进行构建，实现可视化管理。其中三维场景采用VRML语言建立，通过Java实现其与三维场景的通信和交互控制，以及场景从数据库中实时获取状态参数，通过3DSMAX建模形成对电力网络真实、形象、交互性强的状态展示。尽管如此，该系统在某种程度上更类似于电力系统运行数据的三维可视化，无法真正发挥虚拟现实技术沉浸感强、交互性强的优势。针对视频监控电力设备存在的设备定位时间长、监控效果不理想等相关问题，国网山东省电力公司设计了一种基于虚拟现实的电力设备监控系统，通过虚拟现实技术构建与实际物理环境相同的虚拟现实场景，在虚拟现实场景中确定需要监控的区域并分析得出监控效果最好的监控摄像头，计算监控摄像头的旋转角度，建立起虚拟环境和物理环境中摄像头的关联，从而及时、准确地观察电力设备运行状态，提高了依赖摄像头的清晰度及系统数字图像处理的能力。对于变压器的绝缘油、继电器气体、温度和局部放电等信息的监控，但是并未说明具体的虚拟现实数据采集及数据呈现的方式，仅止于虚拟现实的建模技术，距离真正意义上虚拟现实技术的应用还有较大差距。

3.2 检修作业

在电力系统检修中，防范人身事故永远是所有工作内容中的重中之重。如何在检修工作开始前对于复杂的检修环境进行熟悉，对具体的检修操作进行演练，对检修中具体的风险点进行辨识，对于电力检修人员而言都是迫在眉睫的问题。

3.3 工程设计

在工业仿真设计方面，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学和浙江大学等有比较成熟的研究成果。相比传统的设计方法，虚拟现实技术具有良好的实时三维空间表现能力，能够实现实时碰撞检查、带电距离检测，平衡解决各专业之间的问题，从而制定出更高效、更合理的设计方案。

3.4 仿真培训

电力系统仿真培训是提高运维人员理论和实操技能的重要手段，对于保障电力生产安全稳定运行有着极其重要的意义。利用虚拟现实技术建立电力培训仿真系统，相比于传统的仿真盘台培训方式，可以为运维人员创造出实际操作中的真实感、沉浸感和可交互感，从而大大提升培训效果。

本文总结了虚拟现实技术的发展历程和技术特征，从交互技术、显示技术、计算技术等维度分析了虚拟现实相关的关键技术，梳理了国内电力行业虚拟化应用现状。结合现阶段存在问题和发展趋势，展望了电力行业在调度监控、检修作业、变电站设计、仿真培训等虚拟现实技术应用的场景和趋势，为电力行业虚拟化技术研究与应用提供参考与借鉴。

参考文献

[1]SUTHERLAND I E.The ultimate display[C]//Proceedings of the International Federation of Information Processing (IFIP) Congress，1965.

[2]赵沁平，周彬，李甲，等.虚拟现实技术研究进展[J].科技导报，2016，34 (14) :71-75.