基于VR技术的智能化电缆敷设平台的设计和实现

宁波市电力设计院有限公司 张 帅 严浩军

基于VR技术的智能化电缆敷设平台的设计和实现

宁波市电力设计院有限公司 张 帅 严浩军

目前，虚拟现实技术凭借着其自身的特点而获得了相关部门的青睐，并在电力事业中获得了广泛的运用。采用VR技术实现的虚拟电缆敷设设计系统可以模拟真实施工现场环境，让设计者能够沉浸其中，而且对真实施工环境有一个直观、真实的了解，从而不仅使得设计效率得到提高，而且设计结果的精确性也被大大提升。并且，通过将在虚拟电缆敷设设计系统中设计好的项目实施方案保存在网络云端或PC端，可以方便施工团队对设计方案进行查看、注释等操作，而且该方式下的三维可视化信息呈现方式也使得设计者和施工团队间信息的交流和沟通更加直观、准确，从而为整个电缆敷设工程提供了一整套可视化数字信息服务。

一、VR虚拟现实技术在智能化电缆敷设中的应用

电缆敷设历来是一项复杂、烦琐的工作，各种型号电缆成千上万根并且犬牙交错，分布在电站的各个角落，同时电缆敷设质量的好坏将直接影响机组的运行状况。目前，电力设计单位在电缆敷设设计方面还是以传统的利用测绘部门提供的1∶10000或1∶1000比例的二维地形图进行敷设选线或选址，然后根据选定的结果去现场踏勘。然而，由于二维地形图的空间表现和分析能力有很大的局限性，现场多数的交叉跨越物不能直观的在图纸上反映出来，需要设计人员多次进行现场踏勘和核对，并对电缆敷设方案进行调整，经过多次反复的现场核对和方案修改之后才能形成最终的设计成果，这在一定程度上影响了是电缆敷设的设计效果，并大大降低了工作效率。通过创建和应用电缆敷设工程可视化设计和信息模型交互平台，使得传统的设计理念发生了彻底改变，将以图纸设计为核心转化为以数据建模为核心，实现了二维平面设计到三维设计的转变，有效地提高了电缆敷设工程设计质量和设计深度，优化工程投资预算，为电缆敷设工程的顺利实施打下了坚实的基础。

利用先进的虚拟现实（VR）技术可以实现电缆敷设工程的项目信息管理、敷设路径优化、三维化选线、可视化评审等全流程工程应用和信息化管理，可为电缆敷设工程设计、评审、建设、运行维护、检修等全寿命周期管理提供数字化服务。

二、智能化电缆敷设VR系统的设计

智能化电缆敷设VR系统的设计是以先进的计算机3D技术为核心，采用虚拟现实技术和增强现实技术，结合可扩展标记语言（XML）技术、文件处理技术、数据库技术及其他相关技术，通过采用独创的可扩展设计模式，全面实现系统所要求的功能；系统以信息模型交互平台，建立了用户信息管理、设备模型信息管理、施工场地搭建、三维电缆敷设设计等功能模块。借助计算机3D技术的优势，可实现对建筑、设备、人物及人物动作等现实生活中的各种元素的模拟，从而提高设计应用效果。系统架构图如图1所示。

本系统采用虚拟现实（VR）技术实现电缆敷设三维可视化设计模块，并以该模块作为电缆敷设工程的主要设计单元，通过对相应二维工程图的识别及时显示相应的三维敷设设计方案，完成设计者与施工团队间信息的快速、准确传递。

电缆敷设三维可视化设计模块采用虚拟现实技术，让电缆敷设设计人员可以沉浸在由计算机实时生成的虚拟环境中进行真实施工现场相关施工方案的设计，包括虚拟场景漫游、敷设方案设计、敷设路径优化等，从而使设计人员无需频繁往返于真实现场即可完成准确的电缆敷设方案设计等工作。同时以增强现实技术为基础，通过AR设备上的摄像头识别相应的二维工程图纸并将对应的三维电缆敷设设计方案进行显示，施工团队可以通过在AR设备上快速、准确地获取项目相关的施工信息，从而提高项目实施的效率。

本系统分为后台服务端与前台客户端，其中前台客户端主要包括系统管理端、VR客户端、AR客户端。

所有的数据都存放至后台服务端中，用户只要在有网络的条件下均可登录客户端并使用本系统。系统会根据用户权限（系统管理用户可以查看修改所有数据、电缆敷设设计用户可以查看所有电缆敷设方案数据并修改自己的设计方案数据、施工用户可以查看所有设计方案数据）将需要的数据传输到本地客户端中。

图1 系统设计架构图

同时由于后台与前端、数据与业务相分离，使得系统整体的可扩展性、可移植性大大增强，并且也拥有了跨平台的能力。

三、智能化电缆敷设VR系统的实现

虚拟现实技术是新兴的高新技术，它是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官的模拟，让用户得到亲身经历般的感受，可以及时，随意的观察三维空间内的事物。

虚拟现实本身也是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角立体现实技术，对观察者的各种操作进行反馈技术，立体声、网络传输和语音输入输出技术等。针对智能化电缆敷设VR系统，本系统的实现工具主要包括建模软件，采用3ds Max2014软件；主要开发语言采用Java Script或者C#；数据存储方式采用外部数据文件的存储形式（XML、Oracle数据库），开发工具采用Unity3D 5.5.0，具体实现了以下几个模块：

（一）三维电缆敷设设计平台

三维电缆敷设设计平台采用先进的虚拟现实VR技术让设计人员沉浸在虚拟设计环境中，通过相应的体感交互设备获取360°全视野的沉浸式设计体验。由于该平台提供了快速施工现场场景的搭建功能，使得设计者能够通过虚拟施工环境了解、熟悉真实施工现场情况，从而增强了相关施工方案设计的准确性和可靠性。

1.用户信息管理功能

该平台只针对电力设计院有限公司的相关工作人员进行开放，因此为了增强项目信息安全、保密等方面的工作，需要为系统设计用户信息管理功能。软件对不同用户设置相应的使用权限，包括使用者身份验证、施工项目信息管理、施工场地布局设计方案的保存和上传等，从而实现对软件使用单位相关信息的保密工作，完善的用户信息管理功能也可以方便软件使用单位对施工项目进行实时监督和管理。

（1）使用者身份验证

使用者身份验证主要是用于相关人员登录三维电缆敷设设计平台系统而进行设计的，该功能可以有效保护软件使用单位相关工程数据信息的安全性，通过使用系统管理员在人员管理系统后台注册的账户和密码完成用户身份验证和登录操作，并且通过该管理系统可以为每个用户设置不同的项目数据的设计、查看、修改等使用权限，从而进一步保证了软件使用单位项目工程数据管理的规范性和稳定性。

（2）施工项目信息管理

施工项目信息管理主要是对每个项目团队正在实施、将要实施以及已经实施完成的相关项目信息进行管理的系统。通过该系统，项目团队成员可以实时了解该项目团队相关工程的开展时间、进度、安排等信息，从而方便团队的管理和项目的具体实施。

2.设备模型信息管理功能

（1）三维模型创建

本项目中的设备模型通过3DMax、Maya等三维建模软件进行设计，为了真实反应施工现场的情况，设备模型采用真实设备原有尺寸进行设计，并且模型的纹理贴图也是通过专业的摄影相机进行拍摄而获取的，在最大程度上保证设备模型与真实设备各方面的一致性，从而增强虚拟场景的真实感。

（2）模型数据入库

电缆敷设常用的设备包括空气压缩机、电缆牵引机、电缆输送机、电缆盘放线支架、滚轮装置、电缆盘制动装置等，在3DMax、Maya等三维建模软件中建立好这些设备模型之后，通过相应的插件将制作好的三维模型以CAD复合模型数据的形式导入到超图.udb文件型数据源。

（3）设备信息管理

通过3DMax、Maya等三维建模软件建立好电缆敷设相关的各种设备模型之后，并且将模型导入到相应的模型数据库中，以方便对这些模型数据进行管理。在三维电缆敷设设计平台中可以在相应的工具栏中调用设备模型数据库中的各种模型，方便实时获取相应的设备信息和参数，以帮助设计人员做出正确的施工方案决策。

3.施工场地搭建功能

为了能够真实模拟电缆敷设项目的施工环境，三维电缆敷设设计平台需要支持施工场地搭建功能，通过该平台系统内置的各种编辑工具，可以快速完成真实施工场景的搭建，在虚拟环境中真实还原施工现场的情况，让设计人员能够对施工现场有一个直观、准确的了解，从而为电缆敷设施工方案设计提供有效、精确、可靠的参考依据。

该功能是电缆敷设设计前的准备阶段，通过点选系统界面中创建施工场地按钮，即可进入快速搭建施工场地的场景中，同时也可以通过调用外部已经制作好的施工场景数据，直接应用于施工场地快速搭建环节，以节省场景设计、布局、修改等工作的时间。

4.施工方案设计功能

施工方案设计是三维电缆敷设设计平台的核心功能。在施工场地搭建功能中将项目真实施工情况进行了呈现，在此基础上设计人员通过调用各种型号的电缆和施工工具在虚拟场景中对施工过程进行模拟，从而选择与制定出相应的施工方案。

该功能模块结构图如图2所示：

图2 施工方案设计功能结构图

5.场景漫游功能

场景漫游是虚拟现实设计系统必不可少的一项基础功能，通过空间定位技术、体感控制技术、现代传感器技术等实现设计人员在虚拟环境中的行走、旋转、蹲下等不同视角的实时观看操作，从而方便设计人员对电缆敷设方案进行有效、直观的评估。

6.施工方案的保存与上传功能

施工方案的保存与上传是三维电缆敷设设计系统中的最后一个重要环节，通过该步骤设计人员可以将设计好的施工方案分别保存在PC端和网络云端。当实际施工现场没有网络时，可以通过PC端存储的施工方案进行相关信息的获取；当实际施工现场有网络时，则可以通过各种设备从网络云端读取项目施工信息。

（二）信息模型交互平台

1.AR设备通讯功能

在实际工程中，由于VR设备目前均以有线连接方式为主，并且需要台式机配套进行运行，所以不利于施工团队的携带及使用，因此采用AR设备在施工现场对相应的施工方案数据进行获取是目前最为合适的方法。但是目前AR设备的存储空间极其有限，不能够将大量的项目施工方案数据、三维模型数据、设备信息数据等进行方便的携带，所以需要采用AR设备从其他存储设备或网络云端进行相关数据读取的方法来获取信息。

AR设备主要包括HoloLens、安卓手机、苹果手机、平板电脑等，通过这些设备的无线连接功能，可以很好的实现AR设备与其他存储设备间的通讯，从而获取相应的施工方案信息。

该功能的实现方法如图3所示：

图3 AR设备的两种数据获取途径

2.识别2D图纸并生成3D模型展示功能

为了方便施工团队在项目施工过程中快速、准确、高效的查看想要获取的项目实施细节信息，在AR设备端需要为其设计识别2D图纸并生成3D模型展示的功能。该功能通过调用AR设备上的摄像头读取2D图纸上的特征点信息，以识别出该图纸在数据库中的编号，并找到对应的3D模型数据信息，从而将3D模型数据展示在AR设备上，使得施工人员对全站电缆的走向有一个直观、清晰的认识。

四、结束语

虚拟现实技术凭借着其自身的沉浸式特点而获得了相关部门的青睐，并在电力行业领域中获得了广泛的运用。采用VR技术实现的虚拟电缆敷设设计系统可以模拟真实施工现场环境，让设计者能够沉浸其中，而且对真实施工环境有一个直观、真实的了解，从而不仅使得设计效率得到提高，而且设计结果的精确性也被大大提升。并且，通过将在虚拟电缆敷设设计系统中设计好的项目实施方案保存在网络云端或PC端，可以方便施工团队对设计方案进行查看、注释等操作，而且该方式下的三维可视化信息呈现方式也使得设计者和施工团队间信息的交流和沟通更加直观、准确，从而为整个电缆敷设工程提供了一整套可视化数字信息服务。

笔者认为，随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术在电力系统中广泛和深入的应用将对电力系统造成深远影响，并带来显著的技术和经济效益。