基于虛擬現實技術的變電工程施工交底技術研究

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、技術難度大、安全風險大，傳統的文本、PPT講解等技術交底方案效率低、不直觀。現提出一種基于虛擬現實技術的變電工程施工交底技術，利用虛擬仿真技術，創新性地將技術交底從實際的施工場地移至虛擬仿真環境中，在仿真系統中完成施工的組織推演與優化。應用結果表明：此技術在技術交底過程中應用，可采用多種交互方式，多角度、全方位地觀察施工任務，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性，避免過度依靠個人經驗直接進行定性判斷，減少試錯成本。

[關鍵詞]虛擬現實技術;變電工程;施工交底

0? ? ?引 言

虛擬現實（Vinual Reality，VR）技術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境中的顯示和控制技術，采用高科技手段構造一個虛擬環境，使參與者獲得與現實世界一樣的感覺，融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等信息技術分支。在變電工程施工交底的過程中，通過構建虛擬仿真系統，應用虛擬現實技術可讓施工人員在短時間內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，提高施工人員對標準工藝、安全技術措施等的掌握程度，提高交底技術的效果。

1? ? ?技術研究

1.1? ?系統框架

要實現虛擬現實技術的變電工程施工交底，首先應該構建變電工程施工虛擬現實仿真系統，變電工程施工虛擬現實仿真系統將施工工藝設計、人機交互模擬、技術考核、仿真試驗和仿真數據擦劑、分析及處理集于一體，設置演練考核和仿真培訓模板，設置系統集成模塊，將標準工藝集成到仿真系統中，將抽象的概念、復雜的技術、重要的措施、規范的行為用3D虛擬仿真技術進行模擬，直觀地展示給施工人員，從而完全交底施工技術。

變電工程施工交底虛擬現實仿真技術的應用，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性地了解施工技術、安全、質量等知識，增強作業人員的直觀印象。虛擬場景直接模擬現場工況，將現場的各類制約因素、限制邊界條件全部融入模擬場景中，受訓人員在虛擬施工環境中，通過人機交互方式完成變電工程施工的主要操作，加快施工技術掌握速度，提升安全作業能力。通過自主虛擬漫游對施工過程進行全方位、多角度觀察，便于技術交底人員全方位掌控施工過程相關設備的狀態，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實仿真系統框架。

1.2? ?系統建模

變電工程施工通過虛擬仿真系統將模擬仿真、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、動態加載等技術優化系統，提高系統運行效率。系統構架主要包括圖形基本算法、物理引擎、光線跟蹤、力學計算、輸入輸出、存儲目錄管理等。系統構架是虛擬現實仿真系統的核心，直接影響系統性能。本系統利用動態遮蔽技術，動態加載視野中看不到的模型，降低內存需求，提高計算效率。

系統架構建立在虛擬現實仿真系統程序腳本基礎上，有利于充分發揮物理引擎計算、圖形基本算法、目錄管理等工具和方法的優勢。虛擬現實仿真系統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，將施工方案及現場素材的整理，通過施工方案分析、現場調研，并與現場施工技術專家溝通研討，提煉出施工技術要點和難點，制定標準化、規范化的施工流程，覆蓋施工工藝技術、施工要點、施工安全、質量（工藝）管理等內容。其次，在素材收集整理的基礎上，建立動畫腳本。腳本制作是將施工技術難點、施工過程、安全措施、施工質量及控制措施用文字形式表述，是制作虛擬現實系統的大綱。不僅要保證腳本的正確性，而且過程描述需要符合規程規范要求，將標準化工藝集成在仿真系統中，實現變電工程施工虛擬現實仿真系統的標準化管理，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交底。

1.3? ?創建三維模型

變電工程中所有構件都需要通過建模構造，比如，變電工程電氣設備安裝中的工器具、機具等三維模型都利用Pro E軟件嚴格按照1∶l的比例建模構造。首先，在參數面板中規劃零部件結構，通過更改尺寸值實現零部件結構變更。其次，在視圖中創建矩形、圓、直線、曲線等標準基本體，通過拉伸、旋轉、掃描、抽殼、打孔及創建基準軸、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、紋理和材質貼圖等制作，從外觀上保證模型逼真和準確。其中，圖2是腰環安裝的虛擬模擬情況。

1.4? ?模型優化

三維模型表面的數據經常存在冗余現象，不經過減面、高低模互換等技術處理，會占用大量的存儲空間，在裝載、處理時會嚴重影響系統的運行效率。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、內部或遮擋的多邊形面，通過設置弦高和角度控制，減少模型面數。

采用多細節層次（Levels of Detail，LOD）技術描述場景細節。三維模型可按材質、紋理及形狀進行分組。當模型處于視線外無法觀測時，則不加載模型;當模型處于視線偏遠位置，則采用較粗的LOD模型;當模型處于視線中景位置，采用簡單輪廓代替復雜模型。當模型處于視線近景位置，細節部分全部可見，采用高質量的精細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、冗余數據，同時全部展示需要的數據，通過網格優化算法管控模型參數數據。

模型文件的大小在一定程度上反映了模型的復雜程度，通過采用紋理映射、紋理壓縮、實例等技術可以直接減小模型文件的大小，提高模型在系統中存儲、加載和繪制的速度。紋理映射技術是在對應位置的多邊形上貼制紋理圖片以替代詳細的模型細節，減少模型的多邊形數目和復雜程度，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? ?虛擬場景設計

虛擬景觀的模型設計采用分形算法，實現場景自然景觀及模型的優化。在分析場景、三維地形數據等大規模數據的基礎上，將單個地形以基于四叉樹的金字塔層次結構進行分塊，充分發揮圖形處理器的性能，提高繪制效率。基于四叉樹結構的三角網剖分算法，可以彌補不同分辨率節點鄰接處的裂縫，動態實現了一系列地形分塊與多級相結合的地形實時繪制，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存之間傳輸的地形數據量，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，提高了渲染效率。大數據場景建模技術是基于分形幾何學理論的分形算法，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。物模型構建算法有：L—系統、迭代函數系統、受限擴散凝聚模型和粒子系統。其中，L—系統可快捷生成植物圖形且數據量小。在確保地形真實感的前提下，以上關鍵技術的應用可以提高三維地形顯示的畫面質量和顯示幀速率。另外，還可以設置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中，這樣就可以演示變電工程施工過程，使相關人員直接了解這3種常見的虛擬場景，提高施工交底的效果。

1.6? ?模擬技術

在變電工程施工交底中，要模擬施工工序及其運行狀態，并將這些常規的模擬技術集成到現實虛擬系統中，隨時可以調出來，對其進行相關技術交底工作。其中，模擬技術應做好如下工作：①建立工器具的數學模型，并為每個數學模型設置反應器，通過信息傳遞通道，接收信息并做出反應;②每個數學模型或模型集合必須是收斂的，以保證系統最終能穩定輸出結果;③建立數學模型容錯機制，防止出現不連續空間，保證模擬系統平滑、穩定運行;④反應器的精度應可以調整，且在可調范圍內都是連續且收斂的，保證模擬結果的精細程度和系統運行速度平衡協調;⑤當出現容錯機制無法處理時，如出現計算發散、離散等情況，系統必須能夠立即停止模擬;⑥借助人工智能神經網絡技術處理各節點的運算關系，提升模擬計算的效率和穩定性;⑦系統需優化運算速度以保證虛擬場景模擬操作平穩可視化輸出。通過模擬運行技術，實現變電工程施工中運動參數信息、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備或物體的運動軌跡及受力狀態，為機具選擇提供指導，如圖3所示。

2? ? ?研發成果

對變電工程進行模塊劃分，比如，變電站電氣工程、設備工程、土建工程等類型模塊。基于標準化變電站電氣設備施工和安裝導則、規范規程，細化施工工藝過程，強調施工難點、關鍵點和風險點，以三維模型展示現場中可能出現的錯誤、違規操作，對比展示標準化施工和違規施工過程，強化安全意識，貼近實際，通過技術交底高效指導施工。據實測和圖紙數據，創建高精度三維工器具模型，建立工器具模型庫，模型關聯配置標準化工器具使用規則、注意事項和驗收標準，實現施工機具的標準化使用。完善變電設備施工過程，實現變電工程電氣設備的技術交底。強化變電設備安裝過程及確定最終驗收標準，通過數據、模型展示現行的驗收準則和要求，更高效地開展技術交底，指導施工，且系統配置開放接口，增強系統擴展性。

3? ? ?研究應用

本研究所開發的變電工程施工虛擬現實仿真系統以及標準化和規范化的施工技術交底模式，在遼寧省電力公司項目中開展應用。施工人員普遍反映所開發的系統直觀、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，在技術交底的過程中全面展示了整個施工流程中安全、質量、技術、工藝要求，實現了施工過程的內容全覆蓋，徹底改變了傳統文本、PPT講解等知識灌輸型的技術交底模式。

4? ? ?結 語

虛擬現實技術開創了變電工程可視化、交互性施工技術交底的先例，引導了變電工程施工技術交底的發展方向，為實現規范化、標準化的施工奠定了基礎。另外，虛擬現實仿真系統標準化實現了施工機具的標準化使用、施工技術的高效進行，同時優化了人員結構、明確了各自的職責，為變電工程的順利竣工奠定了基礎。

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