基于虚拟现实技术的变电工程施工交底技术研究

王磊 王枫 石晶 房震宇 顾国兴

[摘 要]由于变电工程施工精度高、技术难度大、安全风险大，传统的文本、PPT讲解等技术交底方案效率低、不直观。现提出一种基于虚拟现实技术的变电工程施工交底技术，利用虚拟仿真技术，创新性地将技术交底从实际的施工场地移至虚拟仿真环境中，在仿真系统中完成施工的组织推演与优化。应用结果表明：此技术在技术交底过程中应用，可采用多种交互方式，多角度、全方位地观察施工任务，不断评估和验证其对操作的掌握程度，从而提高施工交底的科学性，避免过度依靠个人经验直接进行定性判断，减少试错成本。

[关键词]虚拟现实技术;变电工程;施工交底

0     引 言

虚拟现实（Vinual Reality，VR）技术是一种使人沉浸于一个由计算机生成或以计算机为中介的可交互虚拟环境中的显示和控制技术，采用高科技手段构造一个虚拟环境，使参与者获得与现实世界一样的感觉，融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等信息技术分支。在变电工程施工交底的过程中，通过构建虚拟仿真系统，应用虚拟现实技术可让施工人员在短时间内清楚地认知变电工程的整个施工过程，可将人员置身于模拟场景中，进一步加深人员对各类操作的直观印象，提高施工人员对标准工艺、安全技术措施等的掌握程度，提高交底技术的效果。

1     技术研究

1.1   系统框架

要实现虚拟现实技术的变电工程施工交底，首先应该构建变电工程施工虚拟现实仿真系统，变电工程施工虚拟现实仿真系统将施工工艺设计、人机交互模拟、技术考核、仿真试验和仿真数据擦剂、分析及处理集于一体，设置演练考核和仿真培训模板，设置系统集成模块，将标准工艺集成到仿真系统中，将抽象的概念、复杂的技术、重要的措施、规范的行为用3D虚拟仿真技术进行模拟，直观地展示给施工人员，从而完全交底施工技术。

变电工程施工交底虚拟现实仿真技术的应用，首先按照施工工序，全面展示了整个施工过程，使施工人员可以系统性地了解施工技术、安全、质量等知识，增强作业人员的直观印象。虚拟场景直接模拟现场工况，将现场的各类制约因素、限制边界条件全部融入模拟场景中，受训人员在虚拟施工环境中，通过人机交互方式完成变电工程施工的主要操作，加快施工技术掌握速度，提升安全作业能力。通过自主虚拟漫游对施工过程进行全方位、多角度观察，便于技术交底人员全方位掌控施工过程相关设备的状态，增强掌控施工全局的能力。其中，图1是变电工程施工交底虚拟现实仿真系统框架。

1.2   系统建模

变电工程施工通过虚拟仿真系统将模拟仿真、仿真实验等功能汇集于虚拟施工场景中，利用三维图形引擎、模型简化、动态加载等技术优化系统，提高系统运行效率。系统构架主要包括图形基本算法、物理引擎、光线跟踪、力学计算、输入输出、存储目录管理等。系统构架是虚拟现实仿真系统的核心，直接影响系统性能。本系统利用动态遮蔽技术，动态加载视野中看不到的模型，降低内存需求，提高计算效率。

系统架构建立在虚拟现实仿真系统程序脚本基础上，有利于充分发挥物理引擎计算、图形基本算法、目录管理等工具和方法的优势。虚拟现实仿真系统程序脚本是将施工方案进行程序化和可视化的基本语言。首先，将施工方案及现场素材的整理，通过施工方案分析、现场调研，并与现场施工技术专家沟通研讨，提炼出施工技术要点和难点，制定标准化、规范化的施工流程，覆盖施工工艺技术、施工要点、施工安全、質量（工艺）管理等内容。其次，在素材收集整理的基础上，建立动画脚本。脚本制作是将施工技术难点、施工过程、安全措施、施工质量及控制措施用文字形式表述，是制作虚拟现实系统的大纲。不仅要保证脚本的正确性，而且过程描述需要符合规程规范要求，将标准化工艺集成在仿真系统中，实现变电工程施工虚拟现实仿真系统的标准化管理，使施工工艺操作更加简单、清晰、流畅，从而更好地完成施工技术交底。

1.3   创建三维模型

变电工程中所有构件都需要通过建模构造，比如，变电工程电气设备安装中的工器具、机具等三维模型都利用Pro E软件严格按照1∶l的比例建模构造。首先，在参数面板中规划零部件结构，通过更改尺寸值实现零部件结构变更。其次，在视图中创建矩形、圆、直线、曲线等标准基本体，通过拉伸、旋转、扫描、抽壳、打孔及创建基准轴、平面等操作修改模型。模型在装配完成之后对孔对齐、螺纹连接、面接触等进行全局干涉、局部干涉的零件检查、修改等操作。同时，运用3D Max软件对其进行光影跟踪、纹理和材质贴图等制作，从外观上保证模型逼真和准确。其中，图2是腰环安装的虚拟模拟情况。

1.4   模型优化

三维模型表面的数据经常存在冗余现象，不经过减面、高低模互换等技术处理，会占用大量的存储空间，在装载、处理时会严重影响系统的运行效率。因此，建立模型库时，要删除实体外部观察模型不可视的背面、内部或遮挡的多边形面，通过设置弦高和角度控制，减少模型面数。

采用多细节层次（Levels of Detail，LOD）技术描述场景细节。三维模型可按材质、纹理及形状进行分组。当模型处于视线外无法观测时，则不加载模型;当模型处于视线偏远位置，则采用较粗的LOD模型;当模型处于视线中景位置，采用简单轮廓代替复杂模型。当模型处于视线近景位置，细节部分全部可见，采用高质量的精细LOD模型，以保证模型的真实性。LOD模型，在保证原始模型外观不失真的情况下，删除一些次要的、冗余数据，同时全部展示需要的数据，通过网格优化算法管控模型参数数据。

模型文件的大小在一定程度上反映了模型的复杂程度，通过采用纹理映射、纹理压缩、实例等技术可以直接减小模型文件的大小，提高模型在系统中存储、加载和绘制的速度。纹理映射技术是在对应位置的多边形上贴制纹理图片以替代详细的模型细节，减少模型的多边形数目和复杂程度，提高图形绘制输出时的显示速度。只要视点不过于靠近实体，纹理映射并不会降低场景的逼真度。

1.5   虚拟场景设计

虚拟景观的模型设计采用分形算法，实现场景自然景观及模型的优化。在分析场景、三维地形数据等大规模数据的基础上，将单个地形以基于四叉树的金字塔层次结构进行分块，充分发挥图形处理器的性能，提高绘制效率。基于四叉树结构的三角网剖分算法，可以弥补不同分辨率节点邻接处的裂缝，动态实现了一系列地形分块与多级相结合的地形实时绘制，充分利用图形处理器的计算能力，大幅度降低了在显存和内存之间传输的地形数据量，有效增强了中央处理器和图形处理器之间的并行处理能力，增加了每秒可绘制的三角形总数，提高了渲染效率。大数据场景建模技术是基于分形几何学理论的分形算法，主要包括切变位移法、逆傅立叶变换法、重线性细分法、随机中点迭代法等。物模型构建算法有：L—系统、迭代函数系统、受限扩散凝聚模型和粒子系统。其中，L—系统可快捷生成植物图形且数据量小。在确保地形真实感的前提下，以上关键技术的应用可以提高三维地形显示的画面质量和显示帧速率。另外，还可以设置3种常见的虚拟场景，即平地、丘陵和山地，将这3种虚拟场景的变电工程施工集成到虚拟系统中，这样就可以演示变电工程施工过程，使相关人员直接了解这3种常见的虚拟场景，提高施工交底的效果。

1.6   模拟技术

在变电工程施工交底中，要模拟施工工序及其运行状态，并将这些常规的模拟技术集成到现实虚拟系统中，随时可以调出来，对其进行相关技术交底工作。其中，模拟技术应做好如下工作：①建立工器具的数学模型，并为每个数学模型设置反应器，通过信息传递通道，接收信息并做出反应;②每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统最终能稳定输出结果;③建立数学模型容错机制，防止出现不连续空间，保证模拟系统平滑、稳定运行;④反应器的精度应可以调整，且在可调范围内都是连续且收敛的，保证模拟结果的精细程度和系统运行速度平衡协调;⑤当出现容错机制无法处理时，如出现计算发散、离散等情况，系统必须能够立即停止模拟;⑥借助人工智能神经网络技术处理各节点的运算关系，提升模拟计算的效率和稳定性;⑦系统需优化运算速度以保证虚拟场景模拟操作平稳可视化输出。通过模拟运行技术，实现变电工程施工中运动参数信息、物体受力计算、运动方式变化等施工过程的可视化仿真，观察在不同情况下设备或物体的运动轨迹及受力状态，为机具选择提供指导，如图3所示。

2     研发成果

对变电工程进行模块划分，比如，变电站电气工程、设备工程、土建工程等类型模块。基于标准化变电站电气设备施工和安装导则、规范规程，细化施工工艺过程，强调施工难点、关键点和风险点，以三维模型展示现场中可能出现的错误、违规操作，对比展示标准化施工和违规施工过程，强化安全意识，贴近实际，通过技术交底高效指导施工。据实测和图纸数据，创建高精度三维工器具模型，建立工器具模型库，模型关联配置标准化工器具使用规则、注意事项和验收标准，实现施工机具的标准化使用。完善变电设备施工过程，实现变电工程电气设备的技术交底。强化变电设备安装过程及确定最终验收标准，通过数据、模型展示现行的验收准则和要求，更高效地开展技术交底，指导施工，且系统配置开放接口，增强系統扩展性。

3     研究应用

本研究所开发的变电工程施工虚拟现实仿真系统以及标准化和规范化的施工技术交底模式，在辽宁省电力公司项目中开展应用。施工人员普遍反映所开发的系统直观、形象、易理解，特别是所采用的人机交互模式虚拟仿真模块让施工人员有身临其境之感，在技术交底的过程中全面展示了整个施工流程中安全、质量、技术、工艺要求，实现了施工过程的内容全覆盖，彻底改变了传统文本、PPT讲解等知识灌输型的技术交底模式。

4     结 语

虚拟现实技术开创了变电工程可视化、交互性施工技术交底的先例，引导了变电工程施工技术交底的发展方向，为实现规范化、标准化的施工奠定了基础。另外，虚拟现实仿真系统标准化实现了施工机具的标准化使用、施工技术的高效进行，同时优化了人员结构、明确了各自的职责，为变电工程的顺利竣工奠定了基础。

主要参考文献

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