基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電工程施工交底技術(shù)研究

王磊 王楓 石晶 房震宇 顧國興

[摘 要]由于變電工程施工精度高、技術(shù)難度大、安全風(fēng)險大，傳統(tǒng)的文本、PPT講解等技術(shù)交底方案效率低、不直觀?，F(xiàn)提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電工程施工交底技術(shù)，利用虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)新性地將技術(shù)交底從實(shí)際的施工場地移至虛擬仿真環(huán)境中，在仿真系統(tǒng)中完成施工的組織推演與優(yōu)化。應(yīng)用結(jié)果表明：此技術(shù)在技術(shù)交底過程中應(yīng)用，可采用多種交互方式，多角度、全方位地觀察施工任務(wù)，不斷評估和驗(yàn)證其對操作的掌握程度，從而提高施工交底的科學(xué)性，避免過度依靠個人經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行定性判斷，減少試錯成本。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);變電工程;施工交底

0? ? ?引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Vinual Reality，VR）技術(shù)是一種使人沉浸于一個由計(jì)算機(jī)生成或以計(jì)算機(jī)為中介的可交互虛擬環(huán)境中的顯示和控制技術(shù)，采用高科技手段構(gòu)造一個虛擬環(huán)境，使參與者獲得與現(xiàn)實(shí)世界一樣的感覺，融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等信息技術(shù)分支。在變電工程施工交底的過程中，通過構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可讓施工人員在短時間內(nèi)清楚地認(rèn)知變電工程的整個施工過程，可將人員置身于模擬場景中，進(jìn)一步加深人員對各類操作的直觀印象，提高施工人員對標(biāo)準(zhǔn)工藝、安全技術(shù)措施等的掌握程度，提高交底技術(shù)的效果。

1? ? ?技術(shù)研究

1.1? ?系統(tǒng)框架

要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電工程施工交底，首先應(yīng)該構(gòu)建變電工程施工虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，變電工程施工虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)將施工工藝設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模擬、技術(shù)考核、仿真試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)擦劑、分析及處理集于一體，設(shè)置演練考核和仿真培訓(xùn)模板，設(shè)置系統(tǒng)集成模塊，將標(biāo)準(zhǔn)工藝集成到仿真系統(tǒng)中，將抽象的概念、復(fù)雜的技術(shù)、重要的措施、規(guī)范的行為用3D虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，直觀地展示給施工人員，從而完全交底施工技術(shù)。

變電工程施工交底虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的應(yīng)用，首先按照施工工序，全面展示了整個施工過程，使施工人員可以系統(tǒng)性地了解施工技術(shù)、安全、質(zhì)量等知識，增強(qiáng)作業(yè)人員的直觀印象。虛擬場景直接模擬現(xiàn)場工況，將現(xiàn)場的各類制約因素、限制邊界條件全部融入模擬場景中，受訓(xùn)人員在虛擬施工環(huán)境中，通過人機(jī)交互方式完成變電工程施工的主要操作，加快施工技術(shù)掌握速度，提升安全作業(yè)能力。通過自主虛擬漫游對施工過程進(jìn)行全方位、多角度觀察，便于技術(shù)交底人員全方位掌控施工過程相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，增強(qiáng)掌控施工全局的能力。其中，圖1是變電工程施工交底虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)框架。

1.2? ?系統(tǒng)建模

變電工程施工通過虛擬仿真系統(tǒng)將模擬仿真、仿真實(shí)驗(yàn)等功能匯集于虛擬施工場景中，利用三維圖形引擎、模型簡化、動態(tài)加載等技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。系統(tǒng)構(gòu)架主要包括圖形基本算法、物理引擎、光線跟蹤、力學(xué)計(jì)算、輸入輸出、存儲目錄管理等。系統(tǒng)構(gòu)架是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的核心，直接影響系統(tǒng)性能。本系統(tǒng)利用動態(tài)遮蔽技術(shù)，動態(tài)加載視野中看不到的模型，降低內(nèi)存需求，提高計(jì)算效率。

系統(tǒng)架構(gòu)建立在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)程序腳本基礎(chǔ)上，有利于充分發(fā)揮物理引擎計(jì)算、圖形基本算法、目錄管理等工具和方法的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)程序腳本是將施工方案進(jìn)行程序化和可視化的基本語言。首先，將施工方案及現(xiàn)場素材的整理，通過施工方案分析、現(xiàn)場調(diào)研，并與現(xiàn)場施工技術(shù)專家溝通研討，提煉出施工技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)，制定標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的施工流程，覆蓋施工工藝技術(shù)、施工要點(diǎn)、施工安全、質(zhì)量（工藝）管理等內(nèi)容。其次，在素材收集整理的基礎(chǔ)上，建立動畫腳本。腳本制作是將施工技術(shù)難點(diǎn)、施工過程、安全措施、施工質(zhì)量及控制措施用文字形式表述，是制作虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的大綱。不僅要保證腳本的正確性，而且過程描述需要符合規(guī)程規(guī)范要求，將標(biāo)準(zhǔn)化工藝集成在仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)變電工程施工虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，使施工工藝操作更加簡單、清晰、流暢，從而更好地完成施工技術(shù)交底。

1.3? ?創(chuàng)建三維模型

變電工程中所有構(gòu)件都需要通過建模構(gòu)造，比如，變電工程電氣設(shè)備安裝中的工器具、機(jī)具等三維模型都利用Pro E軟件嚴(yán)格按照1∶l的比例建模構(gòu)造。首先，在參數(shù)面板中規(guī)劃零部件結(jié)構(gòu)，通過更改尺寸值實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)變更。其次，在視圖中創(chuàng)建矩形、圓、直線、曲線等標(biāo)準(zhǔn)基本體，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、抽殼、打孔及創(chuàng)建基準(zhǔn)軸、平面等操作修改模型。模型在裝配完成之后對孔對齊、螺紋連接、面接觸等進(jìn)行全局干涉、局部干涉的零件檢查、修改等操作。同時，運(yùn)用3D Max軟件對其進(jìn)行光影跟蹤、紋理和材質(zhì)貼圖等制作，從外觀上保證模型逼真和準(zhǔn)確。其中，圖2是腰環(huán)安裝的虛擬模擬情況。

1.4? ?模型優(yōu)化

三維模型表面的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，不經(jīng)過減面、高低?；Q等技術(shù)處理，會占用大量的存儲空間，在裝載、處理時會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此，建立模型庫時，要刪除實(shí)體外部觀察模型不可視的背面、內(nèi)部或遮擋的多邊形面，通過設(shè)置弦高和角度控制，減少模型面數(shù)。

采用多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）技術(shù)描述場景細(xì)節(jié)。三維模型可按材質(zhì)、紋理及形狀進(jìn)行分組。當(dāng)模型處于視線外無法觀測時，則不加載模型;當(dāng)模型處于視線偏遠(yuǎn)位置，則采用較粗的LOD模型;當(dāng)模型處于視線中景位置，采用簡單輪廓代替復(fù)雜模型。當(dāng)模型處于視線近景位置，細(xì)節(jié)部分全部可見，采用高質(zhì)量的精細(xì)LOD模型，以保證模型的真實(shí)性。LOD模型，在保證原始模型外觀不失真的情況下，刪除一些次要的、冗余數(shù)據(jù)，同時全部展示需要的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格優(yōu)化算法管控模型參數(shù)數(shù)據(jù)。

模型文件的大小在一定程度上反映了模型的復(fù)雜程度，通過采用紋理映射、紋理壓縮、實(shí)例等技術(shù)可以直接減小模型文件的大小，提高模型在系統(tǒng)中存儲、加載和繪制的速度。紋理映射技術(shù)是在對應(yīng)位置的多邊形上貼制紋理圖片以替代詳細(xì)的模型細(xì)節(jié)，減少模型的多邊形數(shù)目和復(fù)雜程度，提高圖形繪制輸出時的顯示速度。只要視點(diǎn)不過于靠近實(shí)體，紋理映射并不會降低場景的逼真度。

1.5? ?虛擬場景設(shè)計(jì)

虛擬景觀的模型設(shè)計(jì)采用分形算法，實(shí)現(xiàn)場景自然景觀及模型的優(yōu)化。在分析場景、三維地形數(shù)據(jù)等大規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將單個地形以基于四叉樹的金字塔層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊，充分發(fā)揮圖形處理器的性能，提高繪制效率?；谒牟鏄浣Y(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)剖分算法，可以彌補(bǔ)不同分辨率節(jié)點(diǎn)鄰接處的裂縫，動態(tài)實(shí)現(xiàn)了一系列地形分塊與多級相結(jié)合的地形實(shí)時繪制，充分利用圖形處理器的計(jì)算能力，大幅度降低了在顯存和內(nèi)存之間傳輸?shù)牡匦螖?shù)據(jù)量，有效增強(qiáng)了中央處理器和圖形處理器之間的并行處理能力，增加了每秒可繪制的三角形總數(shù)，提高了渲染效率。大數(shù)據(jù)場景建模技術(shù)是基于分形幾何學(xué)理論的分形算法，主要包括切變位移法、逆傅立葉變換法、重線性細(xì)分法、隨機(jī)中點(diǎn)迭代法等。物模型構(gòu)建算法有：L—系統(tǒng)、迭代函數(shù)系統(tǒng)、受限擴(kuò)散凝聚模型和粒子系統(tǒng)。其中，L—系統(tǒng)可快捷生成植物圖形且數(shù)據(jù)量小。在確保地形真實(shí)感的前提下，以上關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用可以提高三維地形顯示的畫面質(zhì)量和顯示幀速率。另外，還可以設(shè)置3種常見的虛擬場景，即平地、丘陵和山地，將這3種虛擬場景的變電工程施工集成到虛擬系統(tǒng)中，這樣就可以演示變電工程施工過程，使相關(guān)人員直接了解這3種常見的虛擬場景，提高施工交底的效果。

1.6? ?模擬技術(shù)

在變電工程施工交底中，要模擬施工工序及其運(yùn)行狀態(tài)，并將這些常規(guī)的模擬技術(shù)集成到現(xiàn)實(shí)虛擬系統(tǒng)中，隨時可以調(diào)出來，對其進(jìn)行相關(guān)技術(shù)交底工作。其中，模擬技術(shù)應(yīng)做好如下工作：①建立工器具的數(shù)學(xué)模型，并為每個數(shù)學(xué)模型設(shè)置反應(yīng)器，通過信息傳遞通道，接收信息并做出反應(yīng);②每個數(shù)學(xué)模型或模型集合必須是收斂的，以保證系統(tǒng)最終能穩(wěn)定輸出結(jié)果;③建立數(shù)學(xué)模型容錯機(jī)制，防止出現(xiàn)不連續(xù)空間，保證模擬系統(tǒng)平滑、穩(wěn)定運(yùn)行;④反應(yīng)器的精度應(yīng)可以調(diào)整，且在可調(diào)范圍內(nèi)都是連續(xù)且收斂的，保證模擬結(jié)果的精細(xì)程度和系統(tǒng)運(yùn)行速度平衡協(xié)調(diào);⑤當(dāng)出現(xiàn)容錯機(jī)制無法處理時，如出現(xiàn)計(jì)算發(fā)散、離散等情況，系統(tǒng)必須能夠立即停止模擬;⑥借助人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算關(guān)系，提升模擬計(jì)算的效率和穩(wěn)定性;⑦系統(tǒng)需優(yōu)化運(yùn)算速度以保證虛擬場景模擬操作平穩(wěn)可視化輸出。通過模擬運(yùn)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電工程施工中運(yùn)動參數(shù)信息、物體受力計(jì)算、運(yùn)動方式變化等施工過程的可視化仿真，觀察在不同情況下設(shè)備或物體的運(yùn)動軌跡及受力狀態(tài)，為機(jī)具選擇提供指導(dǎo)，如圖3所示。

2? ? ?研發(fā)成果

對變電工程進(jìn)行模塊劃分，比如，變電站電氣工程、設(shè)備工程、土建工程等類型模塊?；跇?biāo)準(zhǔn)化變電站電氣設(shè)備施工和安裝導(dǎo)則、規(guī)范規(guī)程，細(xì)化施工工藝過程，強(qiáng)調(diào)施工難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)和風(fēng)險點(diǎn)，以三維模型展示現(xiàn)場中可能出現(xiàn)的錯誤、違規(guī)操作，對比展示標(biāo)準(zhǔn)化施工和違規(guī)施工過程，強(qiáng)化安全意識，貼近實(shí)際，通過技術(shù)交底高效指導(dǎo)施工。據(jù)實(shí)測和圖紙數(shù)據(jù)，創(chuàng)建高精度三維工器具模型，建立工器具模型庫，模型關(guān)聯(lián)配置標(biāo)準(zhǔn)化工器具使用規(guī)則、注意事項(xiàng)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)施工機(jī)具的標(biāo)準(zhǔn)化使用。完善變電設(shè)備施工過程，實(shí)現(xiàn)變電工程電氣設(shè)備的技術(shù)交底。強(qiáng)化變電設(shè)備安裝過程及確定最終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)、模型展示現(xiàn)行的驗(yàn)收準(zhǔn)則和要求，更高效地開展技術(shù)交底，指導(dǎo)施工，且系統(tǒng)配置開放接口，增強(qiáng)系統(tǒng)擴(kuò)展性。

3? ? ?研究應(yīng)用

本研究所開發(fā)的變電工程施工虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的施工技術(shù)交底模式，在遼寧省電力公司項(xiàng)目中開展應(yīng)用。施工人員普遍反映所開發(fā)的系統(tǒng)直觀、形象、易理解，特別是所采用的人機(jī)交互模式虛擬仿真模塊讓施工人員有身臨其境之感，在技術(shù)交底的過程中全面展示了整個施工流程中安全、質(zhì)量、技術(shù)、工藝要求，實(shí)現(xiàn)了施工過程的內(nèi)容全覆蓋，徹底改變了傳統(tǒng)文本、PPT講解等知識灌輸型的技術(shù)交底模式。

4? ? ?結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開創(chuàng)了變電工程可視化、交互性施工技術(shù)交底的先例，引導(dǎo)了變電工程施工技術(shù)交底的發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的施工奠定了基礎(chǔ)。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了施工機(jī)具的標(biāo)準(zhǔn)化使用、施工技術(shù)的高效進(jìn)行，同時優(yōu)化了人員結(jié)構(gòu)、明確了各自的職責(zé)，為變電工程的順利竣工奠定了基礎(chǔ)。

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