基于VR技術的智能化電纜敷設平臺的設計和實現(xiàn)

寧波市電力設計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

基于VR技術的智能化電纜敷設平臺的設計和實現(xiàn)

寧波市電力設計院有限公司 張 帥 嚴浩軍

目前，虛擬現(xiàn)實技術憑借著其自身的特點而獲得了相關部門的青睞，并在電力事業(yè)中獲得了廣泛的運用。采用VR技術實現(xiàn)的虛擬電纜敷設設計系統(tǒng)可以模擬真實施工現(xiàn)場環(huán)境，讓設計者能夠沉浸其中，而且對真實施工環(huán)境有一個直觀、真實的了解，從而不僅使得設計效率得到提高，而且設計結果的精確性也被大大提升。并且，通過將在虛擬電纜敷設設計系統(tǒng)中設計好的項目實施方案保存在網絡云端或PC端，可以方便施工團隊對設計方案進行查看、注釋等操作，而且該方式下的三維可視化信息呈現(xiàn)方式也使得設計者和施工團隊間信息的交流和溝通更加直觀、準確，從而為整個電纜敷設工程提供了一整套可視化數(shù)字信息服務。

一、VR虛擬現(xiàn)實技術在智能化電纜敷設中的應用

電纜敷設歷來是一項復雜、煩瑣的工作，各種型號電纜成千上萬根并且犬牙交錯，分布在電站的各個角落，同時電纜敷設質量的好壞將直接影響機組的運行狀況。目前，電力設計單位在電纜敷設設計方面還是以傳統(tǒng)的利用測繪部門提供的1∶10000或1∶1000比例的二維地形圖進行敷設選線或選址，然后根據(jù)選定的結果去現(xiàn)場踏勘。然而，由于二維地形圖的空間表現(xiàn)和分析能力有很大的局限性，現(xiàn)場多數(shù)的交叉跨越物不能直觀的在圖紙上反映出來，需要設計人員多次進行現(xiàn)場踏勘和核對，并對電纜敷設方案進行調整，經過多次反復的現(xiàn)場核對和方案修改之后才能形成最終的設計成果，這在一定程度上影響了是電纜敷設的設計效果，并大大降低了工作效率。通過創(chuàng)建和應用電纜敷設工程可視化設計和信息模型交互平臺，使得傳統(tǒng)的設計理念發(fā)生了徹底改變，將以圖紙設計為核心轉化為以數(shù)據(jù)建模為核心，實現(xiàn)了二維平面設計到三維設計的轉變，有效地提高了電纜敷設工程設計質量和設計深度，優(yōu)化工程投資預算，為電纜敷設工程的順利實施打下了堅實的基礎。

利用先進的虛擬現(xiàn)實（VR）技術可以實現(xiàn)電纜敷設工程的項目信息管理、敷設路徑優(yōu)化、三維化選線、可視化評審等全流程工程應用和信息化管理，可為電纜敷設工程設計、評審、建設、運行維護、檢修等全壽命周期管理提供數(shù)字化服務。

二、智能化電纜敷設VR系統(tǒng)的設計

智能化電纜敷設VR系統(tǒng)的設計是以先進的計算機3D技術為核心，采用虛擬現(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實技術，結合可擴展標記語言（XML）技術、文件處理技術、數(shù)據(jù)庫技術及其他相關技術，通過采用獨創(chuàng)的可擴展設計模式，全面實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能；系統(tǒng)以信息模型交互平臺，建立了用戶信息管理、設備模型信息管理、施工場地搭建、三維電纜敷設設計等功能模塊。借助計算機3D技術的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對建筑、設備、人物及人物動作等現(xiàn)實生活中的各種元素的模擬，從而提高設計應用效果。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實（VR）技術實現(xiàn)電纜敷設三維可視化設計模塊，并以該模塊作為電纜敷設工程的主要設計單元，通過對相應二維工程圖的識別及時顯示相應的三維敷設設計方案，完成設計者與施工團隊間信息的快速、準確傳遞。

電纜敷設三維可視化設計模塊采用虛擬現(xiàn)實技術，讓電纜敷設設計人員可以沉浸在由計算機實時生成的虛擬環(huán)境中進行真實施工現(xiàn)場相關施工方案的設計，包括虛擬場景漫游、敷設方案設計、敷設路徑優(yōu)化等，從而使設計人員無需頻繁往返于真實現(xiàn)場即可完成準確的電纜敷設方案設計等工作。同時以增強現(xiàn)實技術為基礎，通過AR設備上的攝像頭識別相應的二維工程圖紙并將對應的三維電纜敷設設計方案進行顯示，施工團隊可以通過在AR設備上快速、準確地獲取項目相關的施工信息，從而提高項目實施的效率。

本系統(tǒng)分為后臺服務端與前臺客戶端，其中前臺客戶端主要包括系統(tǒng)管理端、VR客戶端、AR客戶端。

所有的數(shù)據(jù)都存放至后臺服務端中，用戶只要在有網絡的條件下均可登錄客戶端并使用本系統(tǒng)。系統(tǒng)會根據(jù)用戶權限（系統(tǒng)管理用戶可以查看修改所有數(shù)據(jù)、電纜敷設設計用戶可以查看所有電纜敷設方案數(shù)據(jù)并修改自己的設計方案數(shù)據(jù)、施工用戶可以查看所有設計方案數(shù)據(jù)）將需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乜蛻舳酥小?/p>

圖1 系統(tǒng)設計架構圖

同時由于后臺與前端、數(shù)據(jù)與業(yè)務相分離，使得系統(tǒng)整體的可擴展性、可移植性大大增強，并且也擁有了跨平臺的能力。

三、智能化電纜敷設VR系統(tǒng)的實現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實技術是新興的高新技術，它是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺等感官的模擬，讓用戶得到親身經歷般的感受，可以及時，隨意的觀察三維空間內的事物。

虛擬現(xiàn)實本身也是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角立體現(xiàn)實技術，對觀察者的各種操作進行反饋技術，立體聲、網絡傳輸和語音輸入輸出技術等。針對智能化電纜敷設VR系統(tǒng)，本系統(tǒng)的實現(xiàn)工具主要包括建模軟件，采用3ds Max2014軟件；主要開發(fā)語言采用Java Script或者C#；數(shù)據(jù)存儲方式采用外部數(shù)據(jù)文件的存儲形式（XML、Oracle數(shù)據(jù)庫），開發(fā)工具采用Unity3D 5.5.0，具體實現(xiàn)了以下幾個模塊：

（一）三維電纜敷設設計平臺

三維電纜敷設設計平臺采用先進的虛擬現(xiàn)實VR技術讓設計人員沉浸在虛擬設計環(huán)境中，通過相應的體感交互設備獲取360°全視野的沉浸式設計體驗。由于該平臺提供了快速施工現(xiàn)場場景的搭建功能，使得設計者能夠通過虛擬施工環(huán)境了解、熟悉真實施工現(xiàn)場情況，從而增強了相關施工方案設計的準確性和可靠性。

1.用戶信息管理功能

該平臺只針對電力設計院有限公司的相關工作人員進行開放，因此為了增強項目信息安全、保密等方面的工作，需要為系統(tǒng)設計用戶信息管理功能。軟件對不同用戶設置相應的使用權限，包括使用者身份驗證、施工項目信息管理、施工場地布局設計方案的保存和上傳等，從而實現(xiàn)對軟件使用單位相關信息的保密工作，完善的用戶信息管理功能也可以方便軟件使用單位對施工項目進行實時監(jiān)督和管理。

（1）使用者身份驗證

使用者身份驗證主要是用于相關人員登錄三維電纜敷設設計平臺系統(tǒng)而進行設計的，該功能可以有效保護軟件使用單位相關工程數(shù)據(jù)信息的安全性，通過使用系統(tǒng)管理員在人員管理系統(tǒng)后臺注冊的賬戶和密碼完成用戶身份驗證和登錄操作，并且通過該管理系統(tǒng)可以為每個用戶設置不同的項目數(shù)據(jù)的設計、查看、修改等使用權限，從而進一步保證了軟件使用單位項目工程數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性和穩(wěn)定性。

（2）施工項目信息管理

施工項目信息管理主要是對每個項目團隊正在實施、將要實施以及已經實施完成的相關項目信息進行管理的系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，項目團隊成員可以實時了解該項目團隊相關工程的開展時間、進度、安排等信息，從而方便團隊的管理和項目的具體實施。

2.設備模型信息管理功能

（1）三維模型創(chuàng)建

本項目中的設備模型通過3DMax、Maya等三維建模軟件進行設計，為了真實反應施工現(xiàn)場的情況，設備模型采用真實設備原有尺寸進行設計，并且模型的紋理貼圖也是通過專業(yè)的攝影相機進行拍攝而獲取的，在最大程度上保證設備模型與真實設備各方面的一致性，從而增強虛擬場景的真實感。

（2）模型數(shù)據(jù)入庫

電纜敷設常用的設備包括空氣壓縮機、電纜牽引機、電纜輸送機、電纜盤放線支架、滾輪裝置、電纜盤制動裝置等，在3DMax、Maya等三維建模軟件中建立好這些設備模型之后，通過相應的插件將制作好的三維模型以CAD復合模型數(shù)據(jù)的形式導入到超圖.udb文件型數(shù)據(jù)源。

（3）設備信息管理

通過3DMax、Maya等三維建模軟件建立好電纜敷設相關的各種設備模型之后，并且將模型導入到相應的模型數(shù)據(jù)庫中，以方便對這些模型數(shù)據(jù)進行管理。在三維電纜敷設設計平臺中可以在相應的工具欄中調用設備模型數(shù)據(jù)庫中的各種模型，方便實時獲取相應的設備信息和參數(shù)，以幫助設計人員做出正確的施工方案決策。

3.施工場地搭建功能

為了能夠真實模擬電纜敷設項目的施工環(huán)境，三維電纜敷設設計平臺需要支持施工場地搭建功能，通過該平臺系統(tǒng)內置的各種編輯工具，可以快速完成真實施工場景的搭建，在虛擬環(huán)境中真實還原施工現(xiàn)場的情況，讓設計人員能夠對施工現(xiàn)場有一個直觀、準確的了解，從而為電纜敷設施工方案設計提供有效、精確、可靠的參考依據(jù)。

該功能是電纜敷設設計前的準備階段，通過點選系統(tǒng)界面中創(chuàng)建施工場地按鈕，即可進入快速搭建施工場地的場景中，同時也可以通過調用外部已經制作好的施工場景數(shù)據(jù)，直接應用于施工場地快速搭建環(huán)節(jié)，以節(jié)省場景設計、布局、修改等工作的時間。

4.施工方案設計功能

施工方案設計是三維電纜敷設設計平臺的核心功能。在施工場地搭建功能中將項目真實施工情況進行了呈現(xiàn)，在此基礎上設計人員通過調用各種型號的電纜和施工工具在虛擬場景中對施工過程進行模擬，從而選擇與制定出相應的施工方案。

該功能模塊結構圖如圖2所示：

圖2 施工方案設計功能結構圖

5.場景漫游功能

場景漫游是虛擬現(xiàn)實設計系統(tǒng)必不可少的一項基礎功能，通過空間定位技術、體感控制技術、現(xiàn)代傳感器技術等實現(xiàn)設計人員在虛擬環(huán)境中的行走、旋轉、蹲下等不同視角的實時觀看操作，從而方便設計人員對電纜敷設方案進行有效、直觀的評估。

6.施工方案的保存與上傳功能

施工方案的保存與上傳是三維電纜敷設設計系統(tǒng)中的最后一個重要環(huán)節(jié)，通過該步驟設計人員可以將設計好的施工方案分別保存在PC端和網絡云端。當實際施工現(xiàn)場沒有網絡時，可以通過PC端存儲的施工方案進行相關信息的獲??；當實際施工現(xiàn)場有網絡時，則可以通過各種設備從網絡云端讀取項目施工信息。

（二）信息模型交互平臺

1.AR設備通訊功能

在實際工程中，由于VR設備目前均以有線連接方式為主，并且需要臺式機配套進行運行，所以不利于施工團隊的攜帶及使用，因此采用AR設備在施工現(xiàn)場對相應的施工方案數(shù)據(jù)進行獲取是目前最為合適的方法。但是目前AR設備的存儲空間極其有限，不能夠將大量的項目施工方案數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、設備信息數(shù)據(jù)等進行方便的攜帶，所以需要采用AR設備從其他存儲設備或網絡云端進行相關數(shù)據(jù)讀取的方法來獲取信息。

AR設備主要包括HoloLens、安卓手機、蘋果手機、平板電腦等，通過這些設備的無線連接功能，可以很好的實現(xiàn)AR設備與其他存儲設備間的通訊，從而獲取相應的施工方案信息。

該功能的實現(xiàn)方法如圖3所示：

圖3 AR設備的兩種數(shù)據(jù)獲取途徑

2.識別2D圖紙并生成3D模型展示功能

為了方便施工團隊在項目施工過程中快速、準確、高效的查看想要獲取的項目實施細節(jié)信息，在AR設備端需要為其設計識別2D圖紙并生成3D模型展示的功能。該功能通過調用AR設備上的攝像頭讀取2D圖紙上的特征點信息，以識別出該圖紙在數(shù)據(jù)庫中的編號，并找到對應的3D模型數(shù)據(jù)信息，從而將3D模型數(shù)據(jù)展示在AR設備上，使得施工人員對全站電纜的走向有一個直觀、清晰的認識。

四、結束語

虛擬現(xiàn)實技術憑借著其自身的沉浸式特點而獲得了相關部門的青睞，并在電力行業(yè)領域中獲得了廣泛的運用。采用VR技術實現(xiàn)的虛擬電纜敷設設計系統(tǒng)可以模擬真實施工現(xiàn)場環(huán)境，讓設計者能夠沉浸其中，而且對真實施工環(huán)境有一個直觀、真實的了解，從而不僅使得設計效率得到提高，而且設計結果的精確性也被大大提升。并且，通過將在虛擬電纜敷設設計系統(tǒng)中設計好的項目實施方案保存在網絡云端或PC端，可以方便施工團隊對設計方案進行查看、注釋等操作，而且該方式下的三維可視化信息呈現(xiàn)方式也使得設計者和施工團隊間信息的交流和溝通更加直觀、準確，從而為整個電纜敷設工程提供了一整套可視化數(shù)字信息服務。

筆者認為，隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中廣泛和深入的應用將對電力系統(tǒng)造成深遠影響，并帶來顯著的技術和經濟效益。