變電設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)中基于三維標(biāo)識(shí)物的跟蹤技術(shù)研究

洪梓銘　龍梓杰

摘要：任何時(shí)候電力系統(tǒng)停運(yùn)都會(huì)導(dǎo)致?lián)p失巨大，無(wú)法通過(guò)實(shí)地模擬事故來(lái)的方式讓工作人員演練進(jìn)行培訓(xùn)，所以工作人員幾乎沒(méi)有應(yīng)對(duì)事故的應(yīng)變能力。國(guó)外，基于三維標(biāo)識(shí)物的跟蹤技術(shù)，制造虛擬場(chǎng)景培訓(xùn)工作人員在應(yīng)對(duì)事故的能力，通過(guò)多次觀察和演練培養(yǎng)出高素質(zhì)運(yùn)行人員，引進(jìn)先進(jìn)的變電設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)，適應(yīng)新的培訓(xùn)思維，推動(dòng)變電設(shè)備培訓(xùn)的改革創(chuàng)新，以配套公司的綜合發(fā)展戰(zhàn)略。

Abstract： At any time， the power system outage will result in huge losses. It is impossible to train the staff to conduct training through field simulation of accidents， so the staff has almost no ability to respond to the accident. Abroad， based on the 3D marker tracking technology， virtual scene is made to train staff's ability to respond to accidents. High-quality operation personnel is cultivated through? observation and exercise. The advanced substation equipment training system is introduced to help staff adapt to new training thinking， promote the reform and innovation of substation equipment training to support the company's comprehensive development strategy.

關(guān)鍵詞：變電設(shè)備培訓(xùn);虛擬場(chǎng)景;三維標(biāo)識(shí)物的跟蹤技術(shù)

Key words： substation equipment training;virtual scene;3D marker tracking technology

中圖分類號(hào)：TM63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）35-0275-02

0? 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，電網(wǎng)業(yè)務(wù)越來(lái)越多，變電設(shè)備更新?lián)Q代，現(xiàn)有的仿真培訓(xùn)的確存在很多問(wèn)題，改革創(chuàng)新一套符合現(xiàn)代水平的電力培訓(xùn)系統(tǒng)迫在眉睫。

1? 研究目標(biāo)

鑒于昂貴的變電設(shè)備不利于用于現(xiàn)有仿真培訓(xùn)，每當(dāng)公司更新?lián)Q代新變電設(shè)備，更急于直接上崗使用，幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)給運(yùn)行人員充分的仿真學(xué)習(xí)，運(yùn)行人員接觸新型設(shè)備機(jī)會(huì)不多，依舊采用舊型號(hào)仿真培訓(xùn)導(dǎo)致公司進(jìn)行電力系統(tǒng)培訓(xùn)時(shí)的效果極差，在虛擬環(huán)境下設(shè)備相互獨(dú)立，與現(xiàn)實(shí)中有強(qiáng)烈物理關(guān)系的變電設(shè)備不同，依據(jù)變電設(shè)備的實(shí)際情況，通過(guò)升級(jí)電力培訓(xùn)仿真系統(tǒng)功能，增加變電設(shè)備的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)“萬(wàn)物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)概念[1]，添加變電設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)和信息，增強(qiáng)變電設(shè)備之間信息傳感強(qiáng)度，實(shí)時(shí)顯示和采集在培訓(xùn)、連接、互動(dòng)的設(shè)備的重要數(shù)據(jù)和信息，建立一套完整的培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)，打造符合時(shí)代特征的智能化變電設(shè)備培訓(xùn)平臺(tái)。本項(xiàng)目旨在利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]，助力廣州供電局信息中心實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備專業(yè)培訓(xùn)移動(dòng)式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立基于真實(shí)環(huán)境中虛擬變電設(shè)備培訓(xùn)的電力培訓(xùn)平臺(tái)，全面提升變電設(shè)備與其他設(shè)備、變電設(shè)備與培訓(xùn)人員等電力培訓(xùn)平臺(tái)的效果，促進(jìn)公司長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略落地。

2? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在南方電網(wǎng)公司沒(méi)有人員在變電設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)方向進(jìn)行研究。

國(guó)際方面，北卡大學(xué)羅納德阿祖瑪最早提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)定義，以此為基礎(chǔ)開發(fā)一ARToolKit應(yīng)用程序進(jìn)行對(duì)標(biāo)識(shí)物的識(shí)別，僅可對(duì)單視點(diǎn)跟蹤，標(biāo)識(shí)物越復(fù)雜跟蹤難度越大，由Unity Technologies公司研究Unity 3D開發(fā)引擎，不受標(biāo)識(shí)物復(fù)雜程度影響，大大提高了對(duì)標(biāo)識(shí)物的跟蹤效果。Annette Mossel等人又提出了新操作技術(shù)3DTouch和HOMER-S，該技術(shù)突破了物理限制。如今，有多家公司提出了各種類型設(shè)備的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)，如加拿大Manitoba直流研究中心的EMTDC、加拿大哥倫比亞大學(xué)的MicroTran和德國(guó)西門子的NETOMAC，都具有與電力系統(tǒng)仿真技術(shù)相似的軟件功能[3]。同時(shí)谷歌公司起草Project Tango項(xiàng)目，設(shè)置四個(gè)攝像頭、傳感器和芯片的移動(dòng)設(shè)備可以實(shí)時(shí)根據(jù)周圍的環(huán)境進(jìn)行3D建模，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)，購(gòu)車可以體驗(yàn)虛擬車輛，為客戶提供全新的數(shù)字化體驗(yàn)方式。

國(guó)內(nèi)方面，復(fù)旦大學(xué)宋志堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)于2013在中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo)醫(yī)生完成腫瘤手術(shù)。電力行業(yè)與醫(yī)學(xué)行業(yè)相類似的是，電力設(shè)備和臨床病人同樣在很難找到實(shí)際操作環(huán)境，可以通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高危操作，其展覽會(huì)展示的項(xiàng)目其對(duì)電力行業(yè)極具有借鑒意義[4]。

3? 研究?jī)?nèi)容

3.1 研究要點(diǎn)

①模型設(shè)計(jì)和三維場(chǎng)景搭建技術(shù)的研究。

在虛擬環(huán)境下的物理模型、幾何模型、行為模型和三維場(chǎng)景生成是基于direct3d與opengl等技術(shù)，利用光學(xué)映射和模型構(gòu)建效果，可以在虛擬場(chǎng)景繪畫中添加物理材料和聲音效果，如太陽(yáng)、霧、水、油等。同時(shí)，可以實(shí)時(shí)瀏覽、測(cè)試、編輯三維場(chǎng)景，搭建所需培訓(xùn)場(chǎng)景。

②增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型搭建技術(shù)的研究。

Vuforia和其他計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)被用于實(shí)時(shí)識(shí)別并捕捉平面圖像或簡(jiǎn)單的三維對(duì)象，通過(guò)攝像機(jī)取景器放置虛擬對(duì)象，對(duì)鏡頭前調(diào)整對(duì)象的位置在固體背景上。

③模型位置跟蹤檢測(cè)技術(shù)的研究。

移動(dòng)裝置可經(jīng)由輸入數(shù)據(jù)流模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)流模塊、跟蹤對(duì)準(zhǔn)匹配數(shù)據(jù)流模塊跟蹤、渲染數(shù)據(jù)流模塊，對(duì)實(shí)際情況的取得實(shí)際場(chǎng)景中的圖像的各幀進(jìn)行像素轉(zhuǎn)換。與實(shí)時(shí)應(yīng)用程序?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中的ID匹配。匹配完成后，它會(huì)在實(shí)際場(chǎng)景中覆蓋如3D模型、動(dòng)畫等虛擬對(duì)象，也可以與這些虛擬對(duì)象進(jìn)行替換，呈現(xiàn)在移動(dòng)終端[5]。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

①模型搭建和場(chǎng)景建設(shè)難點(diǎn)。

復(fù)雜的變電站構(gòu)造，繪制時(shí)要依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界基礎(chǔ)制圖的圖紙為基礎(chǔ)。同時(shí)，各種各樣的類型，地域，制造廠產(chǎn)品種類繁多。雖然具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于需要根據(jù)各裝置的特性設(shè)計(jì)不同的模型，所以有較大的工作量。

②位置跟蹤技術(shù)難點(diǎn)。

若在不穩(wěn)定的情況下對(duì)圖像每一幀抓取，會(huì)造成圖像有缺陷而與實(shí)際情況不符，會(huì)導(dǎo)致對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)際位置有所偏移，影響虛擬培訓(xùn)。

4? 技術(shù)方案

該項(xiàng)目將采用無(wú)人機(jī)實(shí)景建模技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、VR全景技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，變電站現(xiàn)實(shí)空間作為模型設(shè)計(jì)和開發(fā)。通過(guò)對(duì)三維掃描點(diǎn)云處理技術(shù)的無(wú)人機(jī)實(shí)景建模完成變電站沙盤模型，做出變電站實(shí)體沙盤模型;采用VR全景瀏覽以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行變電設(shè)備的專業(yè)培訓(xùn)。

①模型設(shè)計(jì)和三維場(chǎng)景搭建。

在Unity3D中最重要的就是GameObject，場(chǎng)景里填納3D物體，整體稱之為組建，將不同物體安置在不同場(chǎng)景，組建中每個(gè)物體行為是核心，充當(dāng)物體的功能模塊。通過(guò)使用相機(jī)，可更真實(shí)反映應(yīng)用場(chǎng)景。

②增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型搭建。

模型取自現(xiàn)實(shí)中物體，變電設(shè)備的模型較為復(fù)雜，生成模型時(shí)，其下方有三個(gè)虛擬按鍵，每個(gè)按鍵分別顯示不同信息，模型通過(guò)AR計(jì)算，算出物體與真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)際位置，以該位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在自動(dòng)導(dǎo)覽時(shí)，實(shí)際光照環(huán)境和標(biāo)志物是否被遮擋影響檢測(cè)效果，使用移動(dòng)設(shè)備更可增強(qiáng)呈現(xiàn)效果。

③型位置跟蹤檢測(cè)。

Vuforia可以檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)的圖像，圖像目標(biāo)可以使彩色的不規(guī)則區(qū)域。Vuforia使用復(fù)雜的算法來(lái)檢測(cè)圖像自然特征，與資源數(shù)據(jù)庫(kù)圖像作比較。

5? 基于三維標(biāo)識(shí)物的跟蹤技術(shù)達(dá)成的目的

①改善變電設(shè)備培訓(xùn)方式，將以往單一的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)方式轉(zhuǎn)向虛擬培訓(xùn)方式，建立三維模型吸引學(xué)員學(xué)習(xí)樂(lè)趣，提升培訓(xùn)的作用[6]。

②變電站沙盤模型還原變電站真實(shí)情況，變電站內(nèi)的設(shè)備信息距離非常符合原場(chǎng)景，學(xué)員可以不用去現(xiàn)場(chǎng)就可以感受現(xiàn)場(chǎng)變電設(shè)備的工作氛圍。

③通過(guò)對(duì)變電站設(shè)備目標(biāo)標(biāo)簽的存儲(chǔ)、識(shí)別和顯示功能，快速掌握設(shè)備的具體信息，通過(guò)多次觀察分析，安全高效的學(xué)會(huì)變電站設(shè)備的使用。

④學(xué)員可以通過(guò)VR全景方式了解變電站設(shè)備之間距離和擺放位置，直觀的了解整個(gè)變電站。

6? 結(jié)束語(yǔ)

為了提高變電設(shè)備運(yùn)行人員的技術(shù)水平，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，借鑒了醫(yī)學(xué)行業(yè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，提出了基于三維標(biāo)識(shí)物的跟蹤技術(shù)且符合電力行業(yè)的培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)原有培訓(xùn)系統(tǒng)的改革創(chuàng)新，調(diào)動(dòng)學(xué)員對(duì)變電設(shè)備的興趣，降低了培訓(xùn)難度，提高了培訓(xùn)效果，對(duì)提高公司整體員工技術(shù)水平有積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳義純，周磊，房雪雷，等.變電站開關(guān)設(shè)備檢修虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2018（5）.

[2]王順浦.500kV變電站設(shè)備3D全景監(jiān)控及培訓(xùn)系統(tǒng)研究[D].山東：山東大學(xué)，2017.

[3]李新芳，李新葉.基于虛擬技術(shù)的變電設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2014（35）.

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[6]錢玉春，袁敬忠，等.唐山郭家屯 220KV 數(shù)字化變電站工程實(shí)踐[D].2009.