基于Unity3D的施工方案模擬平臺(tái)在特高壓工程的應(yīng)用研究

徐 暢，朱百一，林曉春，周振興，張卓敏

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

以華中環(huán)網(wǎng)1 000 kV交流工程和雅中-江西±800 kV直流工程為代表的“兩交一直”特高壓工程對(duì)于促進(jìn)湖南特高壓網(wǎng)架建設(shè)和主網(wǎng)架構(gòu)完善、彌補(bǔ)電力缺口，進(jìn)一步提升全省電力供應(yīng)保障能力具有重要意義，是新時(shí)代背景下建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的具體實(shí)踐。按照特高壓工程建設(shè)“高起點(diǎn)定位，高標(biāo)準(zhǔn)要求，高效率推進(jìn)”的總體要求，創(chuàng)新管理，示范引領(lǐng)，工程建設(shè)管理手段必須結(jié)合新時(shí)代工作要求和最新前沿技術(shù)應(yīng)用，不斷探索提升基建管控水平，推動(dòng)電網(wǎng)工程科學(xué)化組織和精細(xì)化管控。

“兩交一直”特高壓工程輸送距離長(zhǎng)，作業(yè)面多，施工任務(wù)繁重，參建人員眾多，施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)加大，對(duì)進(jìn)場(chǎng)人員技術(shù)水平以及安全意識(shí)要求更高，進(jìn)場(chǎng)人員的培訓(xùn)及考核工作難度大大增加。傳統(tǒng)入場(chǎng)前的培訓(xùn)及考核主要以書面文字材料學(xué)習(xí)及線下考試為主，入場(chǎng)人員無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單文字描述對(duì)施工方案中的具體作業(yè)內(nèi)容形成清晰直觀的認(rèn)知，也難以對(duì)施工安全防范工作產(chǎn)生深刻的理解。

為進(jìn)一步加強(qiáng)特高壓施工作業(yè)人員培訓(xùn)考核管理工作，項(xiàng)目過(guò)程中搭建了三維施工方案仿真模擬平臺(tái)，平臺(tái)以“兩交一直”特高壓線路及變電站施工重大風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)防控為目標(biāo)，可以充分發(fā)揮三維設(shè)計(jì)成果的效用，將三維設(shè)計(jì)的價(jià)值傳導(dǎo)到施工階段，實(shí)現(xiàn)基于電網(wǎng)信息模型(Grid Information Model，GIM)的線路設(shè)計(jì)、施工和管理的全流程貫通，線路部分三維仿真模擬主要以工程三跨、索道施工等四級(jí)及以上風(fēng)險(xiǎn)為重點(diǎn)，變電站部分三維仿真模擬，主要以長(zhǎng)沙站場(chǎng)平、基建以及電氣安裝等階段的重要施工工藝為重點(diǎn)，基于高精度三維仿真平臺(tái)，開展重大風(fēng)險(xiǎn)施工作業(yè)模擬推演和評(píng)審交底，輔助特殊工藝和代表性風(fēng)險(xiǎn)施工預(yù)警。

近年來(lái)，隨著三維可視化以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，三維仿真模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括采礦、能源、教育、航天、建筑以及電力等各個(gè)領(lǐng)域中，在電力行業(yè)，三維仿真模擬技術(shù)在智慧工地[1]、三維數(shù)字化移交[2-3]、電氣校驗(yàn)[4]、設(shè)備拆裝模擬[5]、設(shè)備溫度場(chǎng)模擬[6]、空間校驗(yàn)[7]、受力分析[8]、路徑規(guī)劃[9-10]以及施工方案推演[11-12]等眾多領(lǐng)域都得到了很多卓有成效的運(yùn)用，并發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

三維施工方案仿真模擬平臺(tái)采用Unity引擎進(jìn)行開發(fā)制作，開發(fā)語(yǔ)言采用C#.Net。業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，目前已經(jīng)完成雅江工程部分典型場(chǎng)景的施工工藝仿真模擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)開發(fā)和建設(shè)工作，具體場(chǎng)景包括：深基坑挖孔施工方案仿真模擬、樁基礎(chǔ)施工方案仿真模擬、索道架設(shè)施工方案仿真模擬、抱桿組塔施工方案仿真模擬、吊車組塔施工方案仿真模擬、跨越電力線架線施工方案仿真模擬以及高邊坡施工方案仿真模擬等。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高精度三維數(shù)字化建模

三維數(shù)字化建模技術(shù)是指利用相關(guān)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，開展電網(wǎng)設(shè)備及設(shè)施的三維數(shù)字化建模。電網(wǎng)設(shè)施三維模型是指變電站(含電氣設(shè)備、主要建構(gòu)筑物及其他附屬設(shè)施)和輸電線路(鐵塔、金具、絕緣子串、間隔棒及交叉跨越等)依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按1:1比例尺建模的三維精細(xì)化模型數(shù)據(jù)。此外，還可以通過(guò)參數(shù)化建模的方式通過(guò)指定特定的模型參數(shù)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化建模。

1.2 基于相似性算法的GIM模型輕量化

平臺(tái)三維場(chǎng)景中所涉及的模型和動(dòng)畫均在Maya中進(jìn)行建模、模擬及渲染。通過(guò)建模、貼圖、場(chǎng)景塌陷、展UV坐標(biāo)、燈光渲染、場(chǎng)景烘焙等一系列操作，最終以FBX格式將GIM成果導(dǎo)入至Unity3D平臺(tái)中。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)在不顯著降低用戶體驗(yàn)的前提下降低了計(jì)算機(jī)的渲染計(jì)算量，還需要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。首先通過(guò)模型減面工具對(duì)模型進(jìn)行初步的簡(jiǎn)化處理，降低三維幾何數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。對(duì)單體模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化后，進(jìn)一步采用相似性算法，對(duì)場(chǎng)景中相似的模型構(gòu)件進(jìn)行合并，僅保留一個(gè)構(gòu)件的數(shù)據(jù)，其他相似構(gòu)件只記錄空間坐標(biāo)，通過(guò)引用方式進(jìn)行加載。通過(guò)這種方式可以有效減少構(gòu)件數(shù)據(jù)量，達(dá)到模型輕量化的目的。

1.3 可配置的高自由度任務(wù)流程管理

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)景的高自由度操作，無(wú)任何線性操作限制，允許使用者在全圖漫游以及進(jìn)行交互操作。交互方式(包括拖拽、碰撞、放置以及觸發(fā)等)全部基于物理效果實(shí)現(xiàn)，使得操作感更加真實(shí)、流暢，同時(shí)，物理效果的加入也使得用戶在使用不同類別工機(jī)具時(shí)，實(shí)際操作體驗(yàn)會(huì)有所區(qū)別，帶來(lái)更好的操作體驗(yàn)。同時(shí)，平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)流程配置及場(chǎng)景配置管理，借助通用性的TaskCore核心任務(wù)管理模塊進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)流程管理，使得任務(wù)流程管理更加靈活、易用。

1.4 基于高清渲染管線的全工作流支持

在Unity 2018.1中，Unity引入了可編程渲染管線(scriptable render pipeline，SRP)，它能讓使用者根據(jù)項(xiàng)目需求創(chuàng)建自定義渲染管線。可編程渲染管線SRP包含二個(gè)可直接使用的渲染管線，即輕量級(jí)渲染管線(lightweight render pipeline，LWRP)和高清晰渲染管線(highdefinition render pipeline，HDRP)。其中高清晰渲染管線HDRP旨在提供高級(jí)視覺保真度，適用于裝備了高性能顯卡的PC和主機(jī)平臺(tái)等設(shè)備。本平臺(tái)采用HDRP，平臺(tái)采用5 000 m×5 000 m的大地形場(chǎng)景，場(chǎng)景中所涉及的所有工機(jī)具、人物以及環(huán)境要素均采用HDRP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作。

1.5 可復(fù)用的模塊化開發(fā)模式

在基礎(chǔ)平臺(tái)搭建過(guò)程中，由于涉及多種施工方案場(chǎng)景，平臺(tái)采用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，可極大加快新場(chǎng)景的研發(fā)速度。包括可以復(fù)用的相機(jī)、可復(fù)用的任務(wù)管理模塊、可復(fù)用的場(chǎng)景配置模塊以及可復(fù)用的全局UI模塊。對(duì)于通用的基礎(chǔ)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，任務(wù)管理模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成，可以靈活配置，不同工序環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)、先后順序、權(quán)重分?jǐn)?shù)以及提示信息等均可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，對(duì)于任意新增場(chǎng)景，均可通過(guò)模塊化的開發(fā)方式迅速進(jìn)行框架的搭建，而只需要針對(duì)定制化的部分進(jìn)行建模和業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

三維施工方案仿真模擬平臺(tái)充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、數(shù)據(jù)兼容性及三維可視化展示性能，采用C/S架構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)層、功能邏輯層、業(yè)務(wù)邏輯層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維施工方案仿真模擬平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)服務(wù)層涵蓋了所需的各類基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型、施工方案工序等內(nèi)容，通過(guò)數(shù)據(jù)管理規(guī)范進(jìn)行科學(xué)組織構(gòu)建成數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，為上層提供數(shù)據(jù)支撐。

功能邏輯層是將所有功能進(jìn)行了邏輯劃分，按照不同類型劃分為三維可視化組件以及數(shù)據(jù)管理與可視化組件。不同組件中包含了實(shí)現(xiàn)相同邏輯的功能。三維可視化組件包括：三維基本操作、碰撞檢測(cè)、對(duì)象拾取與查詢、顯示控制等；數(shù)據(jù)管理與可視化組件包括：數(shù)據(jù)分層以及數(shù)據(jù)加載等，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化的需要按照不同的邏輯將同類型的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了封裝，避免了重復(fù)性開發(fā)。

業(yè)務(wù)邏輯層主要是根據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)層以及功能邏輯層提供的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)功能組件，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯的管理。具體包括任務(wù)管理、流程管理、時(shí)序管理、存檔管理、交互管理、顯示管理、模型渲染以及場(chǎng)景調(diào)度等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層即為三維施工方案仿真模擬平臺(tái)客戶端的最終呈現(xiàn)形式，當(dāng)前包含了吊車組塔、抱桿組塔、索道架設(shè)、深基坑開挖等7個(gè)施工方案場(chǎng)景。可以實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)、演練及考核功能。

3 系統(tǒng)功能

3.1 三維基礎(chǔ)功能

平臺(tái)針對(duì)不同施工方案施工現(xiàn)場(chǎng)的地形、地貌特點(diǎn)，分別搭建了不同的三維虛擬場(chǎng)景。虛擬場(chǎng)景的地形根據(jù)施工地點(diǎn)真實(shí)地形數(shù)據(jù)生成，地貌根據(jù)施工地點(diǎn)航片通過(guò)建模方式生成，準(zhǔn)確還原現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境要素的同時(shí)，保證了場(chǎng)景整體風(fēng)格的一致性，可以提供具有極強(qiáng)沉浸式及交互式的操作體驗(yàn)。平臺(tái)基于三維仿真模擬引擎，開發(fā)了場(chǎng)景漫游、碰撞檢測(cè)、視角控制、對(duì)象拾取、對(duì)象移動(dòng)、載具操作等三維操作基礎(chǔ)功能。

3.2 空間校驗(yàn)及預(yù)警管理

針對(duì)施工方案中部分環(huán)節(jié)對(duì)空間關(guān)系有著嚴(yán)格的工藝管理及安全管理的要求，平臺(tái)加入了空間校驗(yàn)機(jī)制。針對(duì)工藝管理，主要提供對(duì)空間位置的校驗(yàn)功能，由于平臺(tái)操作具有非常高的自由度，因此，需要對(duì)每一步操作進(jìn)行嚴(yán)格的空間校驗(yàn)，判斷操作是否符合施工工藝規(guī)范(如在抱桿組塔中判斷地錨桿的放置角度和距離是否符合施工方案要求)。對(duì)空間校驗(yàn)另一個(gè)層面的應(yīng)用是預(yù)警的管理，同樣基于空間相對(duì)位置關(guān)系的校驗(yàn)，提示操作是否符合施工安全管控措施(如跨越電力線操作中臨近帶電體以及深基坑開挖中臨近坑口)，對(duì)潛在危險(xiǎn)操作進(jìn)行預(yù)警。

3.3 施工工藝及工序管理

施工工藝管理及施工工序管理是施工方案管理的核心，施工工藝是施工過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也是判斷施工過(guò)程是否達(dá)標(biāo)的重要依據(jù)。平臺(tái)支持對(duì)施工工藝的指標(biāo)進(jìn)行量化管理，結(jié)合碰撞檢測(cè)及模型校驗(yàn)等對(duì)工藝完成程度進(jìn)行分析，而對(duì)于無(wú)法量化的指標(biāo)，則結(jié)合平臺(tái)操作邏輯，降低自由度，對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行限定，從而滿足對(duì)施工工藝完成情況評(píng)判的需要。施工工序是施工工藝在時(shí)間維度上的呈現(xiàn)，具有極強(qiáng)的時(shí)序性，平臺(tái)支持對(duì)前置和后置工藝關(guān)系的配置管理，可以對(duì)施工工序進(jìn)行有效管理。同時(shí)，平臺(tái)可以為每一個(gè)工藝工序設(shè)置固定的分值，支持對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

3.4 工機(jī)具及載具操作管理

平臺(tái)針對(duì)施工方案中部分操作相對(duì)復(fù)雜的工機(jī)具(如全站儀、無(wú)人機(jī)、絞磨機(jī)等)創(chuàng)建了定制化的、可交互的操作方式，重點(diǎn)還原了工機(jī)具操作關(guān)鍵參數(shù)的選擇、操作步驟等操作要點(diǎn)，同時(shí)，簡(jiǎn)化了部分不重要的繁瑣細(xì)節(jié)，在幫助使用者強(qiáng)化工機(jī)具操作要領(lǐng)的同時(shí)，增添了一定的趣味性。除工機(jī)具操作外，載具操作也進(jìn)行了定制化的設(shè)計(jì)，主要針對(duì)各類吊車，提供車輛基礎(chǔ)控制、吊臂控制、支架控制、吊鉤控制等操作，結(jié)合場(chǎng)景中提供的空間校驗(yàn)功能，能夠幫助使用者有效提升對(duì)各類工機(jī)具及載具操作的熟練度。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 施工方案培訓(xùn)

三維施工方案仿真模擬平臺(tái)可以用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員上崗前或者正式施工任務(wù)開始前的技能培訓(xùn)，幫助使用者對(duì)部分重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)演練，充分熟悉平臺(tái)操作并強(qiáng)化安全的施工意識(shí)。培訓(xùn)模塊可以分為理論培訓(xùn)以及場(chǎng)景模擬培訓(xùn)，其中，理論培訓(xùn)基于《施工方案》以及《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程標(biāo)準(zhǔn)工藝》等技術(shù)文檔，旨在提升施工作業(yè)人員的技能理論知識(shí)水平。場(chǎng)景模擬培訓(xùn)(如圖2所示)則可以通過(guò)生動(dòng)直觀的動(dòng)畫以及程序引導(dǎo)，幫助使用者加深對(duì)技術(shù)要點(diǎn)以及安全要求的理解，同時(shí)也可以熟悉三維施工仿真模擬平臺(tái)的操作邏輯。

圖2 施工方案培訓(xùn)模塊

4.2 施工方案演練

演練模塊(如圖3所示)提供了一個(gè)自由度相對(duì)較高的場(chǎng)景，允許用戶針對(duì)重點(diǎn)施工工序和環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)演練，不僅可以逼真的展示現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員真實(shí)作業(yè)過(guò)程，還可以真實(shí)再現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)于技術(shù)要點(diǎn)以及安全注意事項(xiàng)進(jìn)行分解與演練，以便掌握整個(gè)施工流程和需要注意的事項(xiàng)。

圖3 施工方案演練模塊.

4.3 施工方案考核

施工方案考核模塊(如圖4所示)可以將三維施工仿真模擬平臺(tái)作為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員技能考核的“試卷”，評(píng)估施工人員對(duì)施工工藝的熟悉程度；施工單位管理人員可以通過(guò)考核模塊檢查現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員對(duì)施工流程和安全意識(shí)的熟悉程度。考核模式下，所有工序流程提示將被屏蔽，通過(guò)用戶模擬操作與標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)生成實(shí)操成績(jī)。

圖4 施工方案考核模塊

5 結(jié)語(yǔ)

三維施工方案模擬軟件研發(fā)，主要基于“兩交一直”特高壓線路及變電站施工重大風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)點(diǎn)，如重要跨越、主變吊裝等施工工序。平臺(tái)借助Unity3D引擎，構(gòu)建了工機(jī)具模型庫(kù)，結(jié)合高精度地理數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三維立體化施工作業(yè)場(chǎng)景，通過(guò)提供三維基礎(chǔ)操作功能、空間校驗(yàn)、施工工藝、工序管理等功能，滿足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)培訓(xùn)、演練、考核等應(yīng)用場(chǎng)景的使用需求，能夠有效輔助現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員掌握工序的施工要點(diǎn)和安全管控措施。結(jié)合典型工藝和施工方案，可以開展重大風(fēng)險(xiǎn)施工作業(yè)的模擬推演，輔助開展重大風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)施工方案評(píng)審和交底，同時(shí)也有效提高了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員的專業(yè)技能和安全意識(shí)。對(duì)于進(jìn)一步探索如何借助信息化手段提升電網(wǎng)工程建設(shè)管理水平具有積極意義。