基于Unity3D的施工方案模擬平臺在特高壓工程的應用研究

徐 暢，朱百一，林曉春，周振興，張卓敏

(國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

以華中環(huán)網1 000 kV交流工程和雅中-江西±800 kV直流工程為代表的“兩交一直”特高壓工程對于促進湖南特高壓網架建設和主網架構完善、彌補電力缺口，進一步提升全省電力供應保障能力具有重要意義，是新時代背景下建設“堅強智能電網”的具體實踐。按照特高壓工程建設“高起點定位，高標準要求，高效率推進”的總體要求，創(chuàng)新管理，示范引領，工程建設管理手段必須結合新時代工作要求和最新前沿技術應用，不斷探索提升基建管控水平，推動電網工程科學化組織和精細化管控。

“兩交一直”特高壓工程輸送距離長，作業(yè)面多，施工任務繁重，參建人員眾多，施工作業(yè)安全風險加大，對進場人員技術水平以及安全意識要求更高，進場人員的培訓及考核工作難度大大增加。傳統(tǒng)入場前的培訓及考核主要以書面文字材料學習及線下考試為主，入場人員無法通過簡單文字描述對施工方案中的具體作業(yè)內容形成清晰直觀的認知，也難以對施工安全防范工作產生深刻的理解。

為進一步加強特高壓施工作業(yè)人員培訓考核管理工作，項目過程中搭建了三維施工方案仿真模擬平臺，平臺以“兩交一直”特高壓線路及變電站施工重大風險作業(yè)防控為目標，可以充分發(fā)揮三維設計成果的效用，將三維設計的價值傳導到施工階段，實現(xiàn)基于電網信息模型(Grid Information Model，GIM)的線路設計、施工和管理的全流程貫通，線路部分三維仿真模擬主要以工程三跨、索道施工等四級及以上風險為重點，變電站部分三維仿真模擬，主要以長沙站場平、基建以及電氣安裝等階段的重要施工工藝為重點，基于高精度三維仿真平臺，開展重大風險施工作業(yè)模擬推演和評審交底，輔助特殊工藝和代表性風險施工預警。

近年來，隨著三維可視化以及虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展，三維仿真模擬技術已經廣泛應用于包括采礦、能源、教育、航天、建筑以及電力等各個領域中，在電力行業(yè)，三維仿真模擬技術在智慧工地[1]、三維數(shù)字化移交[2-3]、電氣校驗[4]、設備拆裝模擬[5]、設備溫度場模擬[6]、空間校驗[7]、受力分析[8]、路徑規(guī)劃[9-10]以及施工方案推演[11-12]等眾多領域都得到了很多卓有成效的運用，并發(fā)揮了至關重要的作用。

三維施工方案仿真模擬平臺采用Unity引擎進行開發(fā)制作，開發(fā)語言采用C#.Net。業(yè)務流程數(shù)據使用MySQL數(shù)據庫，目前已經完成雅江工程部分典型場景的施工工藝仿真模擬場景的設計開發(fā)和建設工作，具體場景包括：深基坑挖孔施工方案仿真模擬、樁基礎施工方案仿真模擬、索道架設施工方案仿真模擬、抱桿組塔施工方案仿真模擬、吊車組塔施工方案仿真模擬、跨越電力線架線施工方案仿真模擬以及高邊坡施工方案仿真模擬等。

1 關鍵技術

1.1 高精度三維數(shù)字化建模

三維數(shù)字化建模技術是指利用相關三維數(shù)字化設計軟件，根據設計圖紙，開展電網設備及設施的三維數(shù)字化建模。電網設施三維模型是指變電站(含電氣設備、主要建構筑物及其他附屬設施)和輸電線路(鐵塔、金具、絕緣子串、間隔棒及交叉跨越等)依據設計圖紙按1:1比例尺建模的三維精細化模型數(shù)據。此外，還可以通過參數(shù)化建模的方式通過指定特定的模型參數(shù)來進行自動化建模。

1.2 基于相似性算法的GIM模型輕量化

平臺三維場景中所涉及的模型和動畫均在Maya中進行建模、模擬及渲染。通過建模、貼圖、場景塌陷、展UV坐標、燈光渲染、場景烘焙等一系列操作，最終以FBX格式將GIM成果導入至Unity3D平臺中。同時，為了實現(xiàn)在不顯著降低用戶體驗的前提下降低了計算機的渲染計算量，還需要對模型進行輕量化處理。首先通過模型減面工具對模型進行初步的簡化處理，降低三維幾何數(shù)據的數(shù)據量。對單體模型數(shù)據實現(xiàn)簡化后，進一步采用相似性算法，對場景中相似的模型構件進行合并，僅保留一個構件的數(shù)據，其他相似構件只記錄空間坐標，通過引用方式進行加載。通過這種方式可以有效減少構件數(shù)據量，達到模型輕量化的目的。

1.3 可配置的高自由度任務流程管理

平臺實現(xiàn)了全場景的高自由度操作，無任何線性操作限制，允許使用者在全圖漫游以及進行交互操作。交互方式(包括拖拽、碰撞、放置以及觸發(fā)等)全部基于物理效果實現(xiàn)，使得操作感更加真實、流暢，同時，物理效果的加入也使得用戶在使用不同類別工機具時，實際操作體驗會有所區(qū)別，帶來更好的操作體驗。同時，平臺通過數(shù)據庫實現(xiàn)任務流程配置及場景配置管理，借助通用性的TaskCore核心任務管理模塊進行系統(tǒng)任務流程管理，使得任務流程管理更加靈活、易用。

1.4 基于高清渲染管線的全工作流支持

在Unity 2018.1中，Unity引入了可編程渲染管線(scriptable render pipeline，SRP)，它能讓使用者根據項目需求創(chuàng)建自定義渲染管線?？删幊啼秩竟芫€SRP包含二個可直接使用的渲染管線，即輕量級渲染管線(lightweight render pipeline，LWRP)和高清晰渲染管線(highdefinition render pipeline，HDRP)。其中高清晰渲染管線HDRP旨在提供高級視覺保真度，適用于裝備了高性能顯卡的PC和主機平臺等設備。本平臺采用HDRP，平臺采用5 000 m×5 000 m的大地形場景，場景中所涉及的所有工機具、人物以及環(huán)境要素均采用HDRP標準進行制作。

1.5 可復用的模塊化開發(fā)模式

在基礎平臺搭建過程中，由于涉及多種施工方案場景，平臺采用模塊化方式進行設計開發(fā)，可極大加快新場景的研發(fā)速度。包括可以復用的相機、可復用的任務管理模塊、可復用的場景配置模塊以及可復用的全局UI模塊。對于通用的基礎模塊進行統(tǒng)一管理，任務管理模塊通過數(shù)據庫自動生成，可以靈活配置，不同工序環(huán)節(jié)的技術要點、先后順序、權重分數(shù)以及提示信息等均可通過數(shù)據庫進行管理，對于任意新增場景，均可通過模塊化的開發(fā)方式迅速進行框架的搭建，而只需要針對定制化的部分進行建模和業(yè)務邏輯的開發(fā)。

2 系統(tǒng)架構

三維施工方案仿真模擬平臺充分考慮系統(tǒng)的可擴充性、數(shù)據兼容性及三維可視化展示性能，采用C/S架構，主要包括數(shù)據服務層、功能邏輯層、業(yè)務邏輯層和業(yè)務應用層。其總體架構如圖1所示。

圖1 三維施工方案仿真模擬平臺系統(tǒng)架構

數(shù)據服務層涵蓋了所需的各類基礎地理數(shù)據、三維模型、施工方案工序等內容，通過數(shù)據管理規(guī)范進行科學組織構建成數(shù)據庫。通過數(shù)據庫管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一集中管理，為上層提供數(shù)據支撐。

功能邏輯層是將所有功能進行了邏輯劃分，按照不同類型劃分為三維可視化組件以及數(shù)據管理與可視化組件。不同組件中包含了實現(xiàn)相同邏輯的功能。三維可視化組件包括：三維基本操作、碰撞檢測、對象拾取與查詢、顯示控制等；數(shù)據管理與可視化組件包括：數(shù)據分層以及數(shù)據加載等，根據系統(tǒng)數(shù)據可視化的需要按照不同的邏輯將同類型的功能實現(xiàn)進行了封裝，避免了重復性開發(fā)。

業(yè)務邏輯層主要是根據數(shù)據服務層以及功能邏輯層提供的數(shù)據和基礎功能組件，實現(xiàn)平臺基礎業(yè)務邏輯的管理。具體包括任務管理、流程管理、時序管理、存檔管理、交互管理、顯示管理、模型渲染以及場景調度等。

業(yè)務應用層即為三維施工方案仿真模擬平臺客戶端的最終呈現(xiàn)形式，當前包含了吊車組塔、抱桿組塔、索道架設、深基坑開挖等7個施工方案場景?？梢詫崿F(xiàn)培訓、演練及考核功能。

3 系統(tǒng)功能

3.1 三維基礎功能

平臺針對不同施工方案施工現(xiàn)場的地形、地貌特點，分別搭建了不同的三維虛擬場景。虛擬場景的地形根據施工地點真實地形數(shù)據生成，地貌根據施工地點航片通過建模方式生成，準確還原現(xiàn)實世界的環(huán)境要素的同時，保證了場景整體風格的一致性，可以提供具有極強沉浸式及交互式的操作體驗。平臺基于三維仿真模擬引擎，開發(fā)了場景漫游、碰撞檢測、視角控制、對象拾取、對象移動、載具操作等三維操作基礎功能。

3.2 空間校驗及預警管理

針對施工方案中部分環(huán)節(jié)對空間關系有著嚴格的工藝管理及安全管理的要求，平臺加入了空間校驗機制。針對工藝管理，主要提供對空間位置的校驗功能，由于平臺操作具有非常高的自由度，因此，需要對每一步操作進行嚴格的空間校驗，判斷操作是否符合施工工藝規(guī)范(如在抱桿組塔中判斷地錨桿的放置角度和距離是否符合施工方案要求)。對空間校驗另一個層面的應用是預警的管理，同樣基于空間相對位置關系的校驗，提示操作是否符合施工安全管控措施(如跨越電力線操作中臨近帶電體以及深基坑開挖中臨近坑口)，對潛在危險操作進行預警。

3.3 施工工藝及工序管理

施工工藝管理及施工工序管理是施工方案管理的核心，施工工藝是施工過程的標準和規(guī)范，也是判斷施工過程是否達標的重要依據。平臺支持對施工工藝的指標進行量化管理，結合碰撞檢測及模型校驗等對工藝完成程度進行分析，而對于無法量化的指標，則結合平臺操作邏輯，降低自由度，對操作過程進行限定，從而滿足對施工工藝完成情況評判的需要。施工工序是施工工藝在時間維度上的呈現(xiàn)，具有極強的時序性，平臺支持對前置和后置工藝關系的配置管理，可以對施工工序進行有效管理。同時，平臺可以為每一個工藝工序設置固定的分值，支持對操作過程進行定量評價。

3.4 工機具及載具操作管理

平臺針對施工方案中部分操作相對復雜的工機具(如全站儀、無人機、絞磨機等)創(chuàng)建了定制化的、可交互的操作方式，重點還原了工機具操作關鍵參數(shù)的選擇、操作步驟等操作要點，同時，簡化了部分不重要的繁瑣細節(jié)，在幫助使用者強化工機具操作要領的同時，增添了一定的趣味性。除工機具操作外，載具操作也進行了定制化的設計，主要針對各類吊車，提供車輛基礎控制、吊臂控制、支架控制、吊鉤控制等操作，結合場景中提供的空間校驗功能，能夠幫助使用者有效提升對各類工機具及載具操作的熟練度。

4 系統(tǒng)應用

4.1 施工方案培訓

三維施工方案仿真模擬平臺可以用于現(xiàn)場作業(yè)人員上崗前或者正式施工任務開始前的技能培訓，幫助使用者對部分重點環(huán)節(jié)進行反復演練，充分熟悉平臺操作并強化安全的施工意識。培訓模塊可以分為理論培訓以及場景模擬培訓，其中，理論培訓基于《施工方案》以及《國家電網公司輸變電工程標準工藝》等技術文檔，旨在提升施工作業(yè)人員的技能理論知識水平。場景模擬培訓(如圖2所示)則可以通過生動直觀的動畫以及程序引導，幫助使用者加深對技術要點以及安全要求的理解，同時也可以熟悉三維施工仿真模擬平臺的操作邏輯。

圖2 施工方案培訓模塊

4.2 施工方案演練

演練模塊(如圖3所示)提供了一個自由度相對較高的場景，允許用戶針對重點施工工序和環(huán)節(jié)進行反復演練，不僅可以逼真的展示現(xiàn)場施工作業(yè)人員真實作業(yè)過程，還可以真實再現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境，對于技術要點以及安全注意事項進行分解與演練，以便掌握整個施工流程和需要注意的事項。

圖3 施工方案演練模塊.

4.3 施工方案考核

施工方案考核模塊(如圖4所示)可以將三維施工仿真模擬平臺作為現(xiàn)場施工作業(yè)人員技能考核的“試卷”，評估施工人員對施工工藝的熟悉程度；施工單位管理人員可以通過考核模塊檢查現(xiàn)場施工作業(yè)人員對施工流程和安全意識的熟悉程度?？己四Ｊ较?，所有工序流程提示將被屏蔽，通過用戶模擬操作與標準操作進行比對，自動生成實操成績。

圖4 施工方案考核模塊

5 結語

三維施工方案模擬軟件研發(fā)，主要基于“兩交一直”特高壓線路及變電站施工重大風險作業(yè)點，如重要跨越、主變吊裝等施工工序。平臺借助Unity3D引擎，構建了工機具模型庫，結合高精度地理數(shù)據，構建了三維立體化施工作業(yè)場景，通過提供三維基礎操作功能、空間校驗、施工工藝、工序管理等功能，滿足了現(xiàn)場對培訓、演練、考核等應用場景的使用需求，能夠有效輔助現(xiàn)場施工作業(yè)人員掌握工序的施工要點和安全管控措施。結合典型工藝和施工方案，可以開展重大風險施工作業(yè)的模擬推演，輔助開展重大風險作業(yè)施工方案評審和交底，同時也有效提高了現(xiàn)場施工作業(yè)人員的專業(yè)技能和安全意識。對于進一步探索如何借助信息化手段提升電網工程建設管理水平具有積極意義。