基于VR技術的電力輸電線路巡檢仿真系統的研究

(1.福州大學物理與信息工程學院 福建 福州 350108) (2.國網福建電力有限公司漳州供電公司 福建 漳州 363000) (3.中國人民解放軍91656部隊 上海 201900)

基于VR技術的電力輸電線路巡檢仿真系統的研究

莊濟源1,2陳國棟1葉丹丹3

(1.福州大學物理與信息工程學院福建福州350108) (2.國網福建電力有限公司漳州供電公司福建漳州363000) (3.中國人民解放軍91656部隊上海201900)

隨著整個國民經濟的高速發展，對輸電線路的容量要求越來越高。每年都有大批高壓線路新投入運行，與之相匹配的是每年亦大批新員工投入到輸電線路的運維隊伍。線路的巡檢內容繁瑣、細致。輸電線路巡檢的培訓主要是“老帶新”，由老師傅帶領新員工至工作現場進行巡檢對象一一識別，亦或把新員工集中于教室進行照片展示解說。傳統的培訓方式受限于場地，培訓老師個人水平等，而且學員接受知識具有被動性，效果不佳。本課題基于VR技術，搭建仿真系統用于培訓[1]，提供用戶沉浸式學習體驗、交互式操作體驗。VR設備能夠提供沉浸式真實感的模擬場景，使得輸電線路巡檢內容視覺化，跨越了空間和時間的限制，有針對性的解決傳統輸電運檢室對新員工培訓的所遇到的困難。并且借助VR設備交互性特點，給學員提供誤操作帶來的嚴重后果的虛擬體驗。

VR技術；輸電線路巡檢；虛擬培訓；搭建仿真系統；交互式體驗

一、前言

隨著國民經濟快速發展，社會對電力能源需求越來越大，對供電可靠性要求亦是越來越高。電網工作人員承擔電網安全、穩定運行的職責，但是目前電網工作人員更新頻率高，專業水平不齊，急需通過培訓提高專業技能。電力行業的特殊性，人員培訓無法在實際運行電力設備上進行。傳統的“老帶新”和集中教室圖片展示此類培訓方式無法滿足現如今的培訓需求，在確保學員的安全性為首要前提，開展高效的培訓方式是急需解決的問題。因此電力行業也提出了幾種比較典型的基于VR技術仿真系統用于學員的培訓。對于VR技術在電力系統安全巡檢訓練應用主要是將電力設施安全巡檢工作可能出現的各種異常問題和故障現象采用虛擬現實技術進行實現，通過VR設備給參訓人員提供一個高度逼真的虛擬環境，模擬實際工作中各項操作和業務處理。目前電力行業有幾個典型的研究成果如倒閘操作票模擬系統、電纜故障檢測仿真培訓、配電設備的巡檢模擬系統等。

但是以上系統都存在缺點。基于VR技術的倒閘操作票模擬系統算是初步把VR技術用于電力行業，不夠深入，未能較好發揮現有VR技術。提供也只提供倒閘操作一個單一項目，內容單一，操作步驟簡單。搭建的模型也過于單一，操作是用文字呈現，實際運用的話與學員交互性較弱。基于VR技術的電力故障檢測仿真培訓只提供了電腦界面的仿真，更側重于基于電腦界面的學習，現如今較為成熟的VR設備未能在該系統發揮很好作用。配電設備的巡檢模擬系統以較低的成本和高質量的訓練質量來為電力系統安全巡檢工作提供支持[1]。研究采用了熱門的unity 3D建模技術和3ds Max模型建模技術、TCP/IP網絡通信技術等。配電設備的巡檢模擬系統可以算是很完善，較好使用VR技術在電力系統中運用，通過在3ds Max平臺安裝組件進一步擴展功能體系，進一步提高3ds Max的建模功能，較好搭載一個有電力裝置、線路、工具、行為元素的虛擬場景。整體操作的流程條理清楚，畫面簡潔易懂適用于學員的培訓。不過該系統沒有開發輸電線路的巡檢內容。

二、課題研究內容和相關資料

本文將針對以上提及的問題進行研究，利用三維場景重建技術搭建一套適用于輸電線路巡檢培訓的可視化仿真系統。基于VR技術，提供沉浸式真實感的模擬場景，使得輸電線路巡檢內容視覺化，跨越了空間和時間的限制，學員和仿真系統交互性好，可參與性強。具體研究內容主要是基于激光掃描數據三維場景重建、基于unity3d平臺三維場景重建、VR設備和unity3d結合使用三個重要技術研究。

(一)基于激光掃描數據三維場景重建

基于激光掃描數據的三維場景重建技術是通過對激光掃描儀獲取的距離數據進行一系列后續處理完成的。這些后續處理工作主要包括對采集到的深度數據進行預處理、去噪聲干擾、確定數據間的同步信息以及恢復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)。基于兩種算法進行場景重建。步驟如下：

數據獲取：數據獲取是指采集場景的相關數據。這步主要是由激光掃描儀來完成的。為獲取較為完整且質量較高的場景三維數據，需要考慮掃描視點的規劃、激光掃描儀和掃描分辨率的選擇。

系統定位：系統定位是數據獲取后的第一步，也是整個三維重建過程中最為關鍵的步驟。為了獲得場景完整的三維數據，首先要確定整個場景的范圍以及物體之間的相對位置，這些都要通過系統定位來實現。總之，經過系統定位可以獲取整個系統在場景中移動過程中的位置信息，并可據此確定物體在整個場景中的位置。

物體表面數據融合及網格生成：確定物體在整個場景中的位置后，要提取物體的模型。表面模型數據的獲取過程是移動的，是基于不同視點的，即每次掃描得到的數據都是處于當前視點為原點定義的一個坐標下。需要解決不同視點下的數據融合問題。融合后的掃描數據是離散的三維點云，不能真實準確的表示物體表面。因此還需要將三維點云轉化為三角網絡模型，以達到更好的可視化效果。

紋理映射：經過前面的步驟已能得到具有一定幾何準確性的場景三角網絡模型，為了更好的滿足可視化要求，恢復出真實感更強的場景三維模型，還要對獲得的網絡模型添加色彩，完成紋理映射[4]。

圖1 基于激光掃描數據的三維場景重建流程

輸電運檢室在2016年基于無人機平臺搭載高清攝像頭，進行220kV電壓等級輸電線路全線拍照建模，能夠大體搭建出線路通道。為了進一步搭建更加細致的桿塔信息，結合激光掃描儀按上述四個步驟進行三維場景重建。

(二)基于unity3d平臺三維場景重建

輸電線路巡檢可視化仿真系統基于unity3d平臺進行開發，綜合運用三維建模和多種貼圖優化技術，構建逼真的三維空間和良好交互體驗。仿真系統的開發，綜合運用多項數字媒體技術，設計及實現流程次序分明，包括三維模型設計、展示功能設計、三維虛擬場景構建、實現場景漫游、測試。

圖2 系統開發流程圖

詳細流程包括在3ds Max軟件中設計桿塔的模型；在Photoshop中繪制模型貼圖；返回到3ds Max軟件中給模型賦予貼圖；導出unity3d可以支持的模型格式；設計各項交互功能；在unity3d中創建項目，并設置好相關的三維空間環境；將之前導出的模型導入unity3d開發平臺中，布置三維模型；為三維模型設置材質和貼圖，渲染場景；設置第一人稱視角漫游，實現交互功能；對系統進行測試。

(三)VR設備和unity3d結合使用

硬件需求：高配電腦一臺：GTX970顯卡及以上，8G內存，128G固態硬盤，1T機械硬盤；HTC VIVE設備一套；23寸顯示器一臺；5米*5米房間。實施流程如下：

圖3 VR設備和unity結合使用

本課題首先對電力系統行業VR技術運用情況進行收集整理，并結合漳州公司輸電運檢室存在的問題，設備條件提出方案需要達到的設計和功能目標。研究VR技術在電力行業的運用最終采用上述三個步驟實現輸電線路巡檢仿真系統搭建和功能實現。

三、結論

針對我國工業化進程加快和人民生活水平不斷提高，對電力需求越來越大，電力行業的輸送容量也越來越大，因此對電網的安全穩定運行提出了更高的要求。加強對工作人員的培訓，提高工作人員的巡查能力和檢修能力是目前需要面對的。基于VR技術開展輸電線路巡檢仿真系統研究，提供安全、高效的沉浸式作業仿真操作系統，給目前培訓方式帶來巨大突破。在充分研究了電力行業VR技術現有運用情況，學習其優點，改進其缺點結合漳州公司現有的設備條件提出

采用激光掃描數據三維場景重建、基于unity3d平臺三維場景重建、VR設備和unity3d結合使用三個重要技術方式來完成輸電線路巡檢仿真系統的搭建和功能實現。

[1]黃琦斌,林樹,楊濤.圖像識別技術在電力通信設備巡檢中的應用研究[J].數字通信世界,2016(9).

[2]Chen S E,Williams L.View interpolation for image synthesis[C].Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.ACM,1993:279-288.

[3]Frueh C,Zakhor A.Reconstructing 3D City Models by Merging Ground-Based and Airborne Views[C].Computer Vision and Pattern Recognition,2003.Proceedings.2003 IEEE Computer Society Conference on.IEEE,2003:II-562-9 vol.2.

[4]潘吟飛.基于圖像的圖案紋理映射研究及其網絡化應用[D].浙江大學,2005.

莊濟源(1991-)，男，漢族，福建漳州人，碩士在讀，主要研究方向為多媒體與網絡技術。