基于虛擬現(xiàn)實技術(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。現(xiàn)提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(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)驗直接進行定性判斷，減少試錯成本。

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

0? ? ?引 言

虛擬現(xiàn)實（Vinual Reality，VR）技術(shù)是一種使人沉浸于一個由計算機生成或以計算機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)實世界一樣的感覺，融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(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)實技術(shù)可讓施工人員在短時間內(nèi)清楚地認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

要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(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)實仿真系統(tǒng)，變電工程施工虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)將施工工藝設(shè)計、人機交互模擬、技術(shù)考核、仿真試驗和仿真數(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、仿真實驗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)計算、輸入輸出、存儲目錄管理等。系統(tǒng)構(gòu)架是虛擬現(xiàn)實仿真系統(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，提高計算效率。

系統(tǒng)架構(gòu)建立在虛擬現(xiàn)實仿真系統(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)實仿真系統(tǒng)程序腳本是將施工方案進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)要點和難點，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、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、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，實現(xiàn)變電工程施工虛擬現(xiàn)實仿真系統(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、面接觸等進行全局干涉、局部干涉的零件檢查、修改等操作。同時，運用3D Max軟件對其進行光影跟蹤、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、高低模互換等技術(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)的運行效率。因此，建立模型庫時，要刪除實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)。

采用多細節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）技術(shù)描述場景細節(jié)。三維模型可按材質(zhì)、紋理及形狀進行分組。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，細節(jié)部分全部可見，采用高質(zhì)量的精細LOD模型，以保證模型的真實性。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的模型細節(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。只要視點不過于靠近實體，紋理映射并不會降低場景的逼真度。

1.5? ?虛擬場景設(shè)計

虛擬景觀的模型設(shè)計采用分形算法，實現(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)進行分塊，充分發(fā)揮圖形處理器的性能，提高繪制效率。基于四叉樹結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)剖分算法，可以彌補不同分辨率節(jié)點鄰接處的裂縫，動態(tài)實現(xiàn)了一系列地形分塊與多級相結(jié)合的地形實時繪制，充分利用圖形處理器的計算能力，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、重線性細分法、隨機中點迭代法等。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行狀態(tài)，并將這些常規(guī)的模擬技術(shù)集成到現(xiàn)實虛擬系統(tǒng)中，隨時可以調(diào)出來，對其進行相關(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)果的精細程度和系統(tǒng)運行速度平衡協(xié)調(diào);⑤當(dāng)出現(xiàn)容錯機制無法處理時，如出現(xiàn)計算發(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)點的運算關(guān)系，提升模擬計算的效率和穩(wěn)定性;⑦系統(tǒng)需優(yōu)化運算速度以保證虛擬場景模擬操作平穩(wěn)可視化輸出。通過模擬運行技術(shù)，實現(xiàn)變電工程施工中運動參數(shù)信息、物體受力計算、運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)備或物體的運動軌跡及受力狀態(tài)，為機具選擇提供指導(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。基于標(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，細化施工工藝過程，強調(diào)施工難點、關(guān)鍵點和風(fēng)險點，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，強化安全意識，貼近實際，通過技術(shù)交底高效指導(dǎo)施工。據(jù)實測和圖紙數(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、注意事項和驗收標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)施工機具的標(biāo)準(zhǔn)化使用。完善變電設(shè)備施工過程，實現(xiàn)變電工程電氣設(shè)備的技術(shù)交底。強化變電設(shè)備安裝過程及確定最終驗收標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)、模型展示現(xiàn)行的驗收準(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，增強系統(tǒng)擴展性。

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)實仿真系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)了施工機具的標(biāo)準(zhǔn)化使用、施工技術(shù)的高效進行，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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