基于VR技術(shù)的電力輸電線路巡檢仿真系統(tǒng)的研究

(1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 福州 350108) (2.國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司漳州供電公司 福建 漳州 363000) (3.中國(guó)人民解放軍91656部隊(duì) 上海 201900)

基于VR技術(shù)的電力輸電線路巡檢仿真系統(tǒng)的研究

莊濟(jì)源1,2陳國(guó)棟1葉丹丹3

(1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院福建福州350108) (2.國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司漳州供電公司福建漳州363000) (3.中國(guó)人民解放軍91656部隊(duì)上海201900)

隨著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)輸電線路的容量要求越來(lái)越高。每年都有大批高壓線路新投入運(yùn)行，與之相匹配的是每年亦大批新員工投入到輸電線路的運(yùn)維隊(duì)伍。線路的巡檢內(nèi)容繁瑣、細(xì)致。輸電線路巡檢的培訓(xùn)主要是“老帶新”，由老師傅帶領(lǐng)新員工至工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢對(duì)象一一識(shí)別，亦或把新員工集中于教室進(jìn)行照片展示解說(shuō)。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式受限于場(chǎng)地，培訓(xùn)老師個(gè)人水平等，而且學(xué)員接受知識(shí)具有被動(dòng)性，效果不佳。本課題基于VR技術(shù)，搭建仿真系統(tǒng)用于培訓(xùn)[1]，提供用戶沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)、交互式操作體驗(yàn)。VR設(shè)備能夠提供沉浸式真實(shí)感的模擬場(chǎng)景，使得輸電線路巡檢內(nèi)容視覺(jué)化，跨越了空間和時(shí)間的限制，有針對(duì)性的解決傳統(tǒng)輸電運(yùn)檢室對(duì)新員工培訓(xùn)的所遇到的困難。并且借助VR設(shè)備交互性特點(diǎn)，給學(xué)員提供誤操作帶來(lái)的嚴(yán)重后果的虛擬體驗(yàn)。

VR技術(shù)；輸電線路巡檢；虛擬培訓(xùn)；搭建仿真系統(tǒng)；交互式體驗(yàn)

一、前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力能源需求越來(lái)越大，對(duì)供電可靠性要求亦是越來(lái)越高。電網(wǎng)工作人員承擔(dān)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的職責(zé)，但是目前電網(wǎng)工作人員更新頻率高，專業(yè)水平不齊，急需通過(guò)培訓(xùn)提高專業(yè)技能。電力行業(yè)的特殊性，人員培訓(xùn)無(wú)法在實(shí)際運(yùn)行電力設(shè)備上進(jìn)行。傳統(tǒng)的“老帶新”和集中教室圖片展示此類培訓(xùn)方式無(wú)法滿足現(xiàn)如今的培訓(xùn)需求，在確保學(xué)員的安全性為首要前提，開(kāi)展高效的培訓(xùn)方式是急需解決的問(wèn)題。因此電力行業(yè)也提出了幾種比較典型的基于VR技術(shù)仿真系統(tǒng)用于學(xué)員的培訓(xùn)。對(duì)于VR技術(shù)在電力系統(tǒng)安全巡檢訓(xùn)練應(yīng)用主要是將電力設(shè)施安全巡檢工作可能出現(xiàn)的各種異常問(wèn)題和故障現(xiàn)象采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)VR設(shè)備給參訓(xùn)人員提供一個(gè)高度逼真的虛擬環(huán)境，模擬實(shí)際工作中各項(xiàng)操作和業(yè)務(wù)處理。目前電力行業(yè)有幾個(gè)典型的研究成果如倒閘操作票模擬系統(tǒng)、電纜故障檢測(cè)仿真培訓(xùn)、配電設(shè)備的巡檢模擬系統(tǒng)等。

但是以上系統(tǒng)都存在缺點(diǎn)。基于VR技術(shù)的倒閘操作票模擬系統(tǒng)算是初步把VR技術(shù)用于電力行業(yè)，不夠深入，未能較好發(fā)揮現(xiàn)有VR技術(shù)。提供也只提供倒閘操作一個(gè)單一項(xiàng)目，內(nèi)容單一，操作步驟簡(jiǎn)單。搭建的模型也過(guò)于單一，操作是用文字呈現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)用的話與學(xué)員交互性較弱。基于VR技術(shù)的電力故障檢測(cè)仿真培訓(xùn)只提供了電腦界面的仿真，更側(cè)重于基于電腦界面的學(xué)習(xí)，現(xiàn)如今較為成熟的VR設(shè)備未能在該系統(tǒng)發(fā)揮很好作用。配電設(shè)備的巡檢模擬系統(tǒng)以較低的成本和高質(zhì)量的訓(xùn)練質(zhì)量來(lái)為電力系統(tǒng)安全巡檢工作提供支持[1]。研究采用了熱門的unity 3D建模技術(shù)和3ds Max模型建模技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。配電設(shè)備的巡檢模擬系統(tǒng)可以算是很完善，較好使用VR技術(shù)在電力系統(tǒng)中運(yùn)用，通過(guò)在3ds Max平臺(tái)安裝組件進(jìn)一步擴(kuò)展功能體系，進(jìn)一步提高3ds Max的建模功能，較好搭載一個(gè)有電力裝置、線路、工具、行為元素的虛擬場(chǎng)景。整體操作的流程條理清楚，畫面簡(jiǎn)潔易懂適用于學(xué)員的培訓(xùn)。不過(guò)該系統(tǒng)沒(méi)有開(kāi)發(fā)輸電線路的巡檢內(nèi)容。

二、課題研究?jī)?nèi)容和相關(guān)資料

本文將針對(duì)以上提及的問(wèn)題進(jìn)行研究，利用三維場(chǎng)景重建技術(shù)搭建一套適用于輸電線路巡檢培訓(xùn)的可視化仿真系統(tǒng)。基于VR技術(shù)，提供沉浸式真實(shí)感的模擬場(chǎng)景，使得輸電線路巡檢內(nèi)容視覺(jué)化，跨越了空間和時(shí)間的限制，學(xué)員和仿真系統(tǒng)交互性好，可參與性強(qiáng)。具體研究?jī)?nèi)容主要是基于激光掃描數(shù)據(jù)三維場(chǎng)景重建、基于unity3d平臺(tái)三維場(chǎng)景重建、VR設(shè)備和unity3d結(jié)合使用三個(gè)重要技術(shù)研究。

(一)基于激光掃描數(shù)據(jù)三維場(chǎng)景重建

基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景重建技術(shù)是通過(guò)對(duì)激光掃描儀獲取的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理完成的。這些后續(xù)處理工作主要包括對(duì)采集到的深度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、去噪聲干擾、確定數(shù)據(jù)間的同步信息以及恢復(fù)出最終的三維模型等。掃描匹配主要用到算法為IDC[2](Iterative correspondence)和ICP[3](Iterative closest point)。基于兩種算法進(jìn)行場(chǎng)景重建。步驟如下：

數(shù)據(jù)獲取：數(shù)據(jù)獲取是指采集場(chǎng)景的相關(guān)數(shù)據(jù)。這步主要是由激光掃描儀來(lái)完成的。為獲取較為完整且質(zhì)量較高的場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)，需要考慮掃描視點(diǎn)的規(guī)劃、激光掃描儀和掃描分辨率的選擇。

系統(tǒng)定位：系統(tǒng)定位是數(shù)據(jù)獲取后的第一步，也是整個(gè)三維重建過(guò)程中最為關(guān)鍵的步驟。為了獲得場(chǎng)景完整的三維數(shù)據(jù)，首先要確定整個(gè)場(chǎng)景的范圍以及物體之間的相對(duì)位置，這些都要通過(guò)系統(tǒng)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)。總之，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)定位可以獲取整個(gè)系統(tǒng)在場(chǎng)景中移動(dòng)過(guò)程中的位置信息，并可據(jù)此確定物體在整個(gè)場(chǎng)景中的位置。

物體表面數(shù)據(jù)融合及網(wǎng)格生成：確定物體在整個(gè)場(chǎng)景中的位置后，要提取物體的模型。表面模型數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程是移動(dòng)的，是基于不同視點(diǎn)的，即每次掃描得到的數(shù)據(jù)都是處于當(dāng)前視點(diǎn)為原點(diǎn)定義的一個(gè)坐標(biāo)下。需要解決不同視點(diǎn)下的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。融合后的掃描數(shù)據(jù)是離散的三維點(diǎn)云，不能真實(shí)準(zhǔn)確的表示物體表面。因此還需要將三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)絡(luò)模型，以達(dá)到更好的可視化效果。

紋理映射：經(jīng)過(guò)前面的步驟已能得到具有一定幾何準(zhǔn)確性的場(chǎng)景三角網(wǎng)絡(luò)模型，為了更好的滿足可視化要求，恢復(fù)出真實(shí)感更強(qiáng)的場(chǎng)景三維模型，還要對(duì)獲得的網(wǎng)絡(luò)模型添加色彩，完成紋理映射[4]。

圖1 基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景重建流程

輸電運(yùn)檢室在2016年基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載高清攝像頭，進(jìn)行220kV電壓等級(jí)輸電線路全線拍照建模，能夠大體搭建出線路通道。為了進(jìn)一步搭建更加細(xì)致的桿塔信息，結(jié)合激光掃描儀按上述四個(gè)步驟進(jìn)行三維場(chǎng)景重建。

(二)基于unity3d平臺(tái)三維場(chǎng)景重建

輸電線路巡檢可視化仿真系統(tǒng)基于unity3d平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，綜合運(yùn)用三維建模和多種貼圖優(yōu)化技術(shù)，構(gòu)建逼真的三維空間和良好交互體驗(yàn)。仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，綜合運(yùn)用多項(xiàng)數(shù)字媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程次序分明，包括三維模型設(shè)計(jì)、展示功能設(shè)計(jì)、三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游、測(cè)試。

圖2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

詳細(xì)流程包括在3ds Max軟件中設(shè)計(jì)桿塔的模型；在Photoshop中繪制模型貼圖；返回到3ds Max軟件中給模型賦予貼圖；導(dǎo)出unity3d可以支持的模型格式；設(shè)計(jì)各項(xiàng)交互功能；在unity3d中創(chuàng)建項(xiàng)目，并設(shè)置好相關(guān)的三維空間環(huán)境；將之前導(dǎo)出的模型導(dǎo)入unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，布置三維模型；為三維模型設(shè)置材質(zhì)和貼圖，渲染場(chǎng)景；設(shè)置第一人稱視角漫游，實(shí)現(xiàn)交互功能；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

(三)VR設(shè)備和unity3d結(jié)合使用

硬件需求：高配電腦一臺(tái)：GTX970顯卡及以上，8G內(nèi)存，128G固態(tài)硬盤，1T機(jī)械硬盤；HTC VIVE設(shè)備一套；23寸顯示器一臺(tái)；5米*5米房間。實(shí)施流程如下：

圖3 VR設(shè)備和unity結(jié)合使用

本課題首先對(duì)電力系統(tǒng)行業(yè)VR技術(shù)運(yùn)用情況進(jìn)行收集整理，并結(jié)合漳州公司輸電運(yùn)檢室存在的問(wèn)題，設(shè)備條件提出方案需要達(dá)到的設(shè)計(jì)和功能目標(biāo)。研究VR技術(shù)在電力行業(yè)的運(yùn)用最終采用上述三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢仿真系統(tǒng)搭建和功能實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)論

針對(duì)我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程加快和人民生活水平不斷提高，對(duì)電力需求越來(lái)越大，電力行業(yè)的輸送容量也越來(lái)越大，因此對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。加強(qiáng)對(duì)工作人員的培訓(xùn)，提高工作人員的巡查能力和檢修能力是目前需要面對(duì)的。基于VR技術(shù)開(kāi)展輸電線路巡檢仿真系統(tǒng)研究，提供安全、高效的沉浸式作業(yè)仿真操作系統(tǒng)，給目前培訓(xùn)方式帶來(lái)巨大突破。在充分研究了電力行業(yè)VR技術(shù)現(xiàn)有運(yùn)用情況，學(xué)習(xí)其優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其缺點(diǎn)結(jié)合漳州公司現(xiàn)有的設(shè)備條件提出

采用激光掃描數(shù)據(jù)三維場(chǎng)景重建、基于unity3d平臺(tái)三維場(chǎng)景重建、VR設(shè)備和unity3d結(jié)合使用三個(gè)重要技術(shù)方式來(lái)完成輸電線路巡檢仿真系統(tǒng)的搭建和功能實(shí)現(xiàn)。

[1]黃琦斌,林樹(shù),楊濤.圖像識(shí)別技術(shù)在電力通信設(shè)備巡檢中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界,2016(9).

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莊濟(jì)源(1991-)，男，漢族，福建漳州人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。