基于虛幻引擎與實(shí)景建模的變電所輔控系統(tǒng)三維可視化實(shí)現(xiàn)

摘 要：牽引變電所向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的蓬勃發(fā)展，對(duì)牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性提出了更高的要求。三維可視化技術(shù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要方向，可進(jìn)一步推動(dòng)智能化技術(shù)迭代升級(jí)。通過對(duì)三維可視化技術(shù)和電力裝備的視覺化應(yīng)用進(jìn)行研究，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和輔助決策，繪制牽引變電所的三維場(chǎng)景，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備信息和運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合實(shí)景畫面，能直觀生動(dòng)地展示牽引變電所全貌，提高作業(yè)人員獲取信息以及運(yùn)維工作的效率。

關(guān)鍵詞：虛幻引擎；實(shí)景建模；牽引變電所；三維可視化

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）20-0098-05

Realization of Three-dimensional Visualization of Substation Auxiliary Control System Based on Unreal Engine and Real Scene Modeling

ZHAN Yan， ZONG Qizhen， ZENG Qingxuan

（Nanjing Guodian Nanzi Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210032， China）

Abstract： The vigorous development of traction substation which transforms to be intelligent and digital puts forward higher requirements for the accuracy and timeliness of monitoring of auxiliary monitoring system of traction substation. Three-dimensional visualization technology is an important direction of digital transformation， which can further promote the iterative upgrading of intelligent technology. Through the research on the visual application of three-dimensional visualization technology and electrical equipment， it is convenient to carry out data analysis and auxiliary decision-making. It draws the three-dimensional scene of traction substation， monitors the equipment information and operation status in real time， displays the complete picture of traction substation intuitively and vividly in combination with the real picture， and improves the efficiency of operation staff to obtain information and operatijEoJOioqcktCM+lSivZgaw==on and maintenance work.

Keywords： Unreal Engine; real scene modeling; traction substation; three-dimensional visualization

0 引 言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，牽引變電所規(guī)模不斷擴(kuò)大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備不斷升級(jí)。作為電力系統(tǒng)中重要的組成部分，其運(yùn)行管理對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)供電安全穩(wěn)定的要求越來(lái)越高[1]。傳統(tǒng)的變電所輔控系統(tǒng)一般采用二維平面圖形展示，操作人員往往需要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行情況。為了提高變電所設(shè)施運(yùn)維和處理事故的效率，操作人員在進(jìn)行設(shè)備巡檢和故障診斷時(shí)需要更好的變電所場(chǎng)景視覺效果。三維可視化技術(shù)作為展示和表達(dá)數(shù)據(jù)的一種有效形式，對(duì)于發(fā)電企業(yè)的數(shù)據(jù)管理及智能化發(fā)展都具有極高的應(yīng)用價(jià)值[2]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維可視化技術(shù)與實(shí)景建模技術(shù)結(jié)合，可以為變電所運(yùn)維管理帶來(lái)全新的視覺體驗(yàn)和操作方式，提高運(yùn)維效率和安全性。

1 主要技術(shù)介紹

1.1 虛幻引擎

虛幻引擎（Unreal Engine， UE）是一款由史詩(shī)游戲公司（Epic Games）開發(fā)的三維游戲引擎，常用于電子游戲制作。這款引擎具有強(qiáng)大的渲染和物理效果，能夠創(chuàng)建逼真的虛擬世界，其靈活性和可擴(kuò)展性使得虛幻引擎不僅可以應(yīng)用于游戲開發(fā)，還可以用于模擬、建模等領(lǐng)域，同時(shí)在影視、廣播、建筑、汽車、模擬仿真訓(xùn)練等行業(yè)也有廣泛應(yīng)用[3]。

Datasmith插件是一個(gè)轉(zhuǎn)換插件[4]，可以將SketchUp、3ds Max、ZBrush等建模軟件中變電所項(xiàng)目相關(guān)的場(chǎng)景模型鏈接到虛幻引擎的數(shù)據(jù)接口中。它同時(shí)支持DCC、CAD、BIM、GIM等各種格式的高分辨率轉(zhuǎn)換，最終集成了多種專業(yè)軟件模型。

藍(lán)圖系統(tǒng)是虛幻引擎中的一種Visul Script工具，可以讓開發(fā)人員在不編寫代碼的情況下創(chuàng)建游戲邏輯和行為。開發(fā)人員可以通過可視化編程的方式拖放節(jié)點(diǎn)來(lái)連接不同的功能，并實(shí)時(shí)預(yù)覽效果。虛幻引擎藍(lán)圖腳本與C++結(jié)合的編程方法可以簡(jiǎn)潔快速地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層面人機(jī)交互功能的開發(fā)，大大減少了編寫底層邏輯代碼的工作量，如變電所內(nèi)電氣設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)展示、視頻流接入、模擬巡視等功能。并且，其編譯速度快，便于開發(fā)測(cè)試和修改，為三維牽引變電所的效果展示提供了多樣的選擇與高度的可編輯性。

1.2 實(shí)景建模

在變電所三維建模應(yīng)用方面，目前已建設(shè)的三維數(shù)字孿生體基本還處于效果展示階段，僅實(shí)現(xiàn)了一些初級(jí)應(yīng)用[5]。目前，運(yùn)維人員一般在PC端開展巡檢工作，系統(tǒng)通常展示變電所簡(jiǎn)易二維平面圖，缺少全景三維智能交互功能，這使得運(yùn)維人員很難把握現(xiàn)場(chǎng)全貌、提升體驗(yàn)感。

實(shí)景建模技術(shù)是一種將真實(shí)場(chǎng)景或物體轉(zhuǎn)化為虛擬模型的技術(shù)，它基于攝像機(jī)或掃描儀獲取的真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，建立一個(gè)最大程度還原設(shè)備設(shè)施、建筑環(huán)境的三維場(chǎng)景，以達(dá)到身臨其境的效果。在碰撞檢查方面，三維模型有著許多優(yōu)勢(shì)，如定位的坐標(biāo)精確，能夠自動(dòng)檢查機(jī)械安裝的準(zhǔn)確性和合理性，還可以檢查帶電體和接地體之間的絕緣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6]。

從實(shí)現(xiàn)手段出發(fā)，三維建模技術(shù)可以分為測(cè)繪建模和圖樣參數(shù)建模兩大類。測(cè)繪建模技術(shù)即同步定位與建圖（Simultaneous Localization And Mapping， SLAM），是一種針對(duì)實(shí)體、基于傾斜攝影、近景攝影和三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)三維模型的方法。SLAM方法通過將傳感器信息（如相機(jī)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等）與機(jī)器人位姿信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的建模和自身定位。其核心思想是在估計(jì)機(jī)器人當(dāng)前的位姿和地圖的同時(shí)，優(yōu)化這兩者之間的關(guān)系，從而建立起一幅完整的三維地圖?；赟LAM方法的測(cè)繪建模三維模型能反映變電所內(nèi)建筑設(shè)備的外觀和位置，真實(shí)描繪外觀，但不能反映設(shè)備內(nèi)部部件之間裝配接口、電氣連接等邏輯關(guān)系[7]。圖樣參數(shù)化建模是將二維的圖樣或參數(shù)轉(zhuǎn)化為三維的模型。這種方法可以直觀反映模型的參數(shù)、裝配和電氣接線等邏輯關(guān)系，但外觀不能完全反映設(shè)備和建筑的真實(shí)形態(tài)。三維牽引變電所中的數(shù)字化設(shè)備應(yīng)做到外觀識(shí)別度高，各部件細(xì)節(jié)肉眼可見，能實(shí)時(shí)獲取并顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如刀閘的開閉、球機(jī)預(yù)置位等。這對(duì)設(shè)備的三維建模提出了層次化、結(jié)構(gòu)化的要求。

1.3 PBR流程三維重建

PBR（Physical Based Rendering）技術(shù)是一種基于物理真實(shí)原理的渲染方法，旨在模擬真實(shí)世界材質(zhì)的光學(xué)特性，包括反射、折射和散射等。PBR技術(shù)通過使用不同的紋理貼圖（如漫反射貼圖、金屬度貼圖、粗糙度貼圖等）來(lái)描述材質(zhì)的外觀和光學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)更加逼真的渲染效果。

PBR三維建模流程如下：

1）選擇合適的三維建模軟件（如Blender、Maya、3ds Max等）創(chuàng)建模型，確保模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和UV映射合理，以便后續(xù)的loSvTWJ2um0d2/ESST2gxl9Jh5tsbdjizOUAAa3kecY=紋理貼圖制作和設(shè)置。

2）制作漫反射貼圖、金屬度貼圖和粗糙度貼圖等紋理貼圖。在制作過程中，可以使用照片紋理、手繪紋理或PBR材質(zhì)庫(kù)等資源，確保紋理貼圖的質(zhì)量和分辨率足夠高以獲得更好的渲染效果。

3）將創(chuàng)建好的紋理貼圖應(yīng)用到模型的材質(zhì)上，并根據(jù)需要調(diào)整紋理貼圖的參數(shù)，如顏色、對(duì)比度、亮度等，確保各個(gè)紋理貼圖在視覺上協(xié)調(diào)一致。

4）在渲染引擎中設(shè)置光源，調(diào)整光源的位置、顏色和強(qiáng)度以達(dá)到理想的照明效果，通過調(diào)整環(huán)境光、陰影和反射等參數(shù)，進(jìn)一步提升渲染質(zhì)量和逼真度。

借助PBR技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以輕松地創(chuàng)建逼真的材質(zhì)效果，如金屬質(zhì)感、皮革質(zhì)感、玻璃質(zhì)感等。通過合理的紋理貼圖制作和調(diào)整，結(jié)合精確的光照設(shè)置，可以呈現(xiàn)出極具真實(shí)感的渲染效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 三維建模

為提高可視化效果，滿足牽引變電所智能運(yùn)維要求，三維模型的建立過程應(yīng)將測(cè)繪建模和參數(shù)建模結(jié)合起來(lái)，建模流程如圖1所示。對(duì)于建成的變電所，采用激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)掃描，配合使用計(jì)算機(jī)視覺標(biāo)記技術(shù)，構(gòu)建所內(nèi)全局激光點(diǎn)云，達(dá)到厘米級(jí)的三維重建準(zhǔn)確度。點(diǎn)云是由大量離散點(diǎn)組成的三維空間數(shù)據(jù)集合，其原始數(shù)據(jù)以XYZ坐標(biāo)形式存在，每個(gè)點(diǎn)還可能包含RGB顏色、強(qiáng)度等信息，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、配準(zhǔn)等預(yù)處理操作，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性?；赑ointNet、PointNet++、Poisson重建等深度學(xué)習(xí)的點(diǎn)云處理和三維重建方法構(gòu)建變電所建筑、設(shè)備模型，采用PBR流程在3ds Max軟件中完成高準(zhǔn)確度的三維建模，其中變壓器單體建模部分UV展開如圖2所示。

2.2 場(chǎng)景搭建

通過Datasmith插件將設(shè)備、線纜、建筑等三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)E5.0編輯器中，按照牽引變電所的CAD施工圖和實(shí)拍圖進(jìn)行場(chǎng)景搭建，確保二維圖紙與三維模型精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，旨在達(dá)到故障處理、運(yùn)行操作可視化的目的，提高變電所運(yùn)行維護(hù)效率[8]。在場(chǎng)景效果優(yōu)化方面，將模型中的光照效果、顏色顯示、紋理渲染細(xì)節(jié)等使用虛幻引擎的渲染機(jī)制對(duì)變電所場(chǎng)景進(jìn)行渲染調(diào)整，以獲得最真實(shí)的效果。牽引變電所三維場(chǎng)景分為室外場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景，模型組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。室外場(chǎng)景主要包括一次設(shè)備模型、建筑和地面道路，室內(nèi)場(chǎng)景分為高壓室場(chǎng)景、控制室場(chǎng)景等。其中，高壓室場(chǎng)景主要為真空斷路器、隔離開關(guān)、互感器等設(shè)備模型；控制室場(chǎng)景主要包括主變測(cè)控屏、饋線保護(hù)測(cè)控屏等二次設(shè)備模型[9]。最終搭建效果如圖4所示。

2.3 交互功能開發(fā)

2.3.1 全景信息展示

采集變電所的外觀、位置與隸屬關(guān)系等信息，以及主要監(jiān)控設(shè)備的外觀與位置信息，生成信息列表[10]。通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與輔助監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)時(shí)讀取設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息，并在場(chǎng)景中相應(yīng)設(shè)備上方進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，使?fàn)恳冸娝鶅?nèi)主要設(shè)備的工作狀態(tài)一目了然，方便運(yùn)維人員進(jìn)行全景信息監(jiān)視，提高工作效率。調(diào)用的關(guān)鍵藍(lán)圖函數(shù)如圖5所示。

2.3.2 視頻監(jiān)控場(chǎng)景關(guān)聯(lián)

根據(jù)牽引變電所CAD施工圖紙，將視頻監(jiān)控模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地布局在三維場(chǎng)景中，解決以往視頻畫面顯示與實(shí)地場(chǎng)景位置關(guān)聯(lián)性不高的問題，形成視頻監(jiān)控在時(shí)間、空間維度上的展示，輔助現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控的部署與調(diào)試。

2.3.3 OpenCV視頻流紋理轉(zhuǎn)換

OpenCV提供了VideoCapture類來(lái)支持各種格式的視頻流，通過傳入變電所內(nèi)攝像機(jī)的RTSP URL實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的訪問，并逐幀處理視頻數(shù)據(jù)獲取視頻流的幀率、分辨率等信息，將獲取的圖像幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OpenCV的Mat類型，并利用OpenGL的紋理對(duì)象將圖像數(shù)據(jù)傳遞給GPU進(jìn)行渲染，在UI界面上進(jìn)行更新播放，通過多線程實(shí)現(xiàn)視頻打開和關(guān)閉的全異步化，并接入SDK實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制、預(yù)置位和巡航功能、智能分析與自動(dòng)追蹤等擴(kuò)展功能。部分關(guān)鍵代碼如圖6所示。

2.3.4 運(yùn)行時(shí)編輯與配置

基于虛幻引擎中UI的拖放操作和配置文件讀取系統(tǒng)，通過變電所三維場(chǎng)景中模型的動(dòng)態(tài)加載、編輯與配置功能，實(shí)現(xiàn)了變電所三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)化搭建。通過配置文件保存場(chǎng)景中主要監(jiān)控設(shè)備的固定配置信息，如名稱和訪問URL；通過SaveGame文件保存數(shù)組實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中主要監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行時(shí)配置數(shù)據(jù)的持久化本地存儲(chǔ)。數(shù)組元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，將設(shè)備ID與本地?cái)?shù)據(jù)按圖8所示進(jìn)行一一映射，幫助運(yùn)維人員更好地組織與管理場(chǎng)景數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的復(fù)用性、靈活度和自由度。

3 系統(tǒng)測(cè)試和應(yīng)用

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完成后，以已建成的220 kV涼帽牽引變電所為例在PC端進(jìn)行全功能測(cè)試，運(yùn)行界面如圖9所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)的各個(gè)業(yè)務(wù)功能均已實(shí)現(xiàn)正常且達(dá)到使用要求，但系統(tǒng)畫面在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了卡頓現(xiàn)象，同時(shí)打開視頻流時(shí)也存在緩慢與卡頓的問題。針對(duì)這些問題，以下為分析與優(yōu)化方案：

1）UE5.0可以使用高模進(jìn)行場(chǎng)景制作，并且高?？梢蕴峁└嗟募?xì)節(jié)和精度。但是，高面數(shù)的模型會(huì)增加場(chǎng)景的渲染負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致場(chǎng)景運(yùn)行卡頓。因此，在建模過程中，要對(duì)三維模型進(jìn)行減面操作，刪除模型的費(fèi)點(diǎn)、費(fèi)面、費(fèi)線。適當(dāng)刪除不必要的結(jié)構(gòu)，如設(shè)備間的連線、螺絲、螺母以及由一層層陶瓷組成的避雷器、絕緣子等結(jié)構(gòu)。同時(shí)，通過細(xì)節(jié)貼圖等技術(shù)來(lái)提高模型的細(xì)節(jié)和精度。優(yōu)化后的低面數(shù)三維模型可以更好地適應(yīng)不同的屏幕尺寸和設(shè)備性能，確保場(chǎng)景在各種環(huán)境下都能夠流暢運(yùn)行，使CPU占用率穩(wěn)定在10%左右，滿足系統(tǒng)使用要求。

2）當(dāng)一路監(jiān)控視頻進(jìn)入NVR后，NVR可以編碼提供兩種碼流：主碼流和子碼流。主碼流一般碼流較大，清晰度高，占用帶寬高。子碼流在主碼流的圖像環(huán)境下降低了圖像格式，清晰度較主碼流要低，占用帶寬低。訪問攝像機(jī)獲取視頻流數(shù)據(jù)時(shí)將RTSP URL改為子碼流格式，有效解決了視頻打開緩慢卡頓的問題，同時(shí)保證了視頻的清晰度，滿足系統(tǒng)使用要求。

4 結(jié) 論

在可視化分析方面，通過三維建模技術(shù)，工程師可以直觀地查看牽引變電所的結(jié)構(gòu)和布局，從而更好地理解其運(yùn)行原理和故障排查機(jī)制。在規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，三維建模可以幫助工程師更好地布局設(shè)備、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。在運(yùn)行維護(hù)管理方面，利用三維建模技術(shù)，運(yùn)維人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速定位問題并進(jìn)行維護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性?；谔摶靡鎻?qiáng)大的渲染效果，結(jié)合實(shí)景建模技術(shù)所搭建的三維可視化牽引變電所場(chǎng)景，不僅實(shí)現(xiàn)了牽引變電所全景全息可視化展示，還提供了業(yè)務(wù)層面的交互功能，提高了牽引變電所的運(yùn)維質(zhì)量，縮短了獲取全景信息的時(shí)間，為變電所運(yùn)維管理提供了新形式和新思路，具有很大的實(shí)用意義。

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作者簡(jiǎn)介：詹妍（1999—），女，漢族，浙江義烏人，開發(fā)設(shè)計(jì)師，本科，研究方向：軌道交通信號(hào)與控制。