寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴(yán)浩軍

基于VR技術(shù)的智能化電纜敷設(shè)平臺的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

寧波市電力設(shè)計院有限公司 張 帥 嚴(yán)浩軍

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借著其自身的特點(diǎn)而獲得了相關(guān)部門的青睞，并在電力事業(yè)中獲得了廣泛的運(yùn)用。采用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬電纜敷設(shè)設(shè)計系統(tǒng)可以模擬真實(shí)施工現(xiàn)場環(huán)境，讓設(shè)計者能夠沉浸其中，而且對真實(shí)施工環(huán)境有一個直觀、真實(shí)的了解，從而不僅使得設(shè)計效率得到提高，而且設(shè)計結(jié)果的精確性也被大大提升。并且，通過將在虛擬電纜敷設(shè)設(shè)計系統(tǒng)中設(shè)計好的項目實(shí)施方案保存在網(wǎng)絡(luò)云端或PC端，可以方便施工團(tuán)隊對設(shè)計方案進(jìn)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(shè)計者和施工團(tuán)隊間信息的交流和溝通更加直觀、準(zhǔn)確，從而為整個電纜敷設(shè)工程提供了一整套可視化數(shù)字信息服務(wù)。

一、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智能化電纜敷設(shè)中的應(yīng)用

電纜敷設(shè)歷來是一項復(fù)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(shè)質(zhì)量的好壞將直接影響機(jī)組的運(yùn)行狀況。目前，電力設(shè)計單位在電纜敷設(shè)設(shè)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(jìn)行敷設(shè)選線或選址，然后根據(jù)選定的結(jié)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(shè)計人員多次進(jìn)行現(xiàn)場踏勘和核對，并對電纜敷設(shè)方案進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次反復(fù)的現(xiàn)場核對和方案修改之后才能形成最終的設(shè)計成果，這在一定程度上影響了是電纜敷設(shè)的設(shè)計效果，并大大降低了工作效率。通過創(chuàng)建和應(yīng)用電纜敷設(shè)工程可視化設(shè)計和信息模型交互平臺，使得傳統(tǒng)的設(shè)計理念發(fā)生了徹底改變，將以圖紙設(shè)計為核心轉(zhuǎn)化為以數(shù)據(jù)建模為核心，實(shí)現(xiàn)了二維平面設(shè)計到三維設(shè)計的轉(zhuǎn)變，有效地提高了電纜敷設(shè)工程設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計深度，優(yōu)化工程投資預(yù)算，為電纜敷設(shè)工程的順利實(shí)施打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)工程的項目信息管理、敷設(shè)路徑優(yōu)化、三維化選線、可視化評審等全流程工程應(yīng)用和信息化管理，可為電纜敷設(shè)工程設(shè)計、評審、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、檢修等全壽命周期管理提供數(shù)字化服務(wù)。

二、智能化電纜敷設(shè)VR系統(tǒng)的設(shè)計

智能化電纜敷設(shè)VR系統(tǒng)的設(shè)計是以先進(jìn)的計算機(jī)3D技術(shù)為核心，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）技術(shù)、文件處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)，通過采用獨(dú)創(chuàng)的可擴(kuò)展設(shè)計模式，全面實(shí)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(shè)備模型信息管理、施工場地搭建、三維電纜敷設(shè)設(shè)計等功能模塊。借助計算機(jī)3D技術(shù)的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)對建筑、設(shè)備、人物及人物動作等現(xiàn)實(shí)生活中的各種元素的模擬，從而提高設(shè)計應(yīng)用效果。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)三維可視化設(shè)計模塊，并以該模塊作為電纜敷設(shè)工程的主要設(shè)計單元，通過對相應(yīng)二維工程圖的識別及時顯示相應(yīng)的三維敷設(shè)設(shè)計方案，完成設(shè)計者與施工團(tuán)隊間信息的快速、準(zhǔn)確傳遞。

電纜敷設(shè)三維可視化設(shè)計模塊采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓電纜敷設(shè)設(shè)計人員可以沉浸在由計算機(jī)實(shí)時生成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)施工現(xiàn)場相關(guān)施工方案的設(shè)計，包括虛擬場景漫游、敷設(shè)方案設(shè)計、敷設(shè)路徑優(yōu)化等，從而使設(shè)計人員無需頻繁往返于真實(shí)現(xiàn)場即可完成準(zhǔn)確的電纜敷設(shè)方案設(shè)計等工作。同時以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過AR設(shè)備上的攝像頭識別相應(yīng)的二維工程圖紙并將對應(yīng)的三維電纜敷設(shè)設(shè)計方案進(jìn)行顯示，施工團(tuán)隊可以通過在AR設(shè)備上快速、準(zhǔn)確地獲取項目相關(guān)的施工信息，從而提高項目實(shí)施的效率。

本系統(tǒng)分為后臺服務(wù)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(wù)端中，用戶只要在有網(wǎng)絡(luò)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(quán)限（系統(tǒng)管理用戶可以查看修改所有數(shù)據(jù)、電纜敷設(shè)設(shè)計用戶可以查看所有電纜敷設(shè)方案數(shù)據(jù)并修改自己的設(shè)計方案數(shù)據(jù)、施工用戶可以查看所有設(shè)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(shè)計架構(gòu)圖

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

三、智能化電纜敷設(shè)VR系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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

虛擬現(xiàn)實(shí)本身也是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時三維計算機(jī)圖形技術(shù)，廣角立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對觀察者的各種操作進(jìn)行反饋技術(shù)，立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸和語音輸入輸出技術(shù)等。針對智能化電纜敷設(shè)VR系統(tǒng)，本系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)了以下幾個模塊：

（一）三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺

三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)讓設(shè)計人員沉浸在虛擬設(shè)計環(huán)境中，通過相應(yīng)的體感交互設(shè)備獲取360°全視野的沉浸式設(shè)計體驗(yàn)。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(shè)計者能夠通過虛擬施工環(huán)境了解、熟悉真實(shí)施工現(xiàn)場情況，從而增強(qiáng)了相關(guān)施工方案設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.用戶信息管理功能

該平臺只針對電力設(shè)計院有限公司的相關(guān)工作人員進(jìn)行開放，因此為了增強(qiáng)項目信息安全、保密等方面的工作，需要為系統(tǒng)設(shè)計用戶信息管理功能。軟件對不同用戶設(shè)置相應(yīng)的使用權(quán)限，包括使用者身份驗(yàn)證、施工項目信息管理、施工場地布局設(shè)計方案的保存和上傳等，從而實(shí)現(xiàn)對軟件使用單位相關(guān)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)督和管理。

（1）使用者身份驗(yàn)證

使用者身份驗(yàn)證主要是用于相關(guān)人員登錄三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計的，該功能可以有效保護(hù)軟件使用單位相關(guān)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(yàn)證和登錄操作，并且通過該管理系統(tǒng)可以為每個用戶設(shè)置不同的項目數(shù)據(jù)的設(shè)計、查看、修改等使用權(quán)限，從而進(jìn)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(tuán)隊正在實(shí)施、將要實(shí)施以及已經(jīng)實(shí)施完成的相關(guān)項目信息進(jìn)行管理的系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，項目團(tuán)隊成員可以實(shí)時了解該項目團(tuán)隊相關(guān)工程的開展時間、進(jìn)度、安排等信息，從而方便團(tuán)隊的管理和項目的具體實(shí)施。

2.設(shè)備模型信息管理功能

（1）三維模型創(chuàng)建

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

（2）模型數(shù)據(jù)入庫

電纜敷設(shè)常用的設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、電纜牽引機(jī)、電纜輸送機(jī)、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(shè)備模型之后，通過相應(yīng)的插件將制作好的三維模型以CAD復(fù)合模型數(shù)據(jù)的形式導(dǎo)入到超圖.udb文件型數(shù)據(jù)源。

（3）設(shè)備信息管理

通過3DMax、Maya等三維建模軟件建立好電纜敷設(shè)相關(guān)的各種設(shè)備模型之后，并且將模型導(dǎo)入到相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)庫中，以方便對這些模型數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺中可以在相應(yīng)的工具欄中調(diào)用設(shè)備模型數(shù)據(jù)庫中的各種模型，方便實(shí)時獲取相應(yīng)的設(shè)備信息和參數(shù)，以幫助設(shè)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(shí)模擬電纜敷設(shè)項目的施工環(huán)境，三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺需要支持施工場地搭建功能，通過該平臺系統(tǒng)內(nèi)置的各種編輯工具，可以快速完成真實(shí)施工場景的搭建，在虛擬環(huán)境中真實(shí)還原施工現(xiàn)場的情況，讓設(shè)計人員能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場有一個直觀、準(zhǔn)確的了解，從而為電纜敷設(shè)施工方案設(shè)計提供有效、精確、可靠的參考依據(jù)。

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

4.施工方案設(shè)計功能

施工方案設(shè)計是三維電纜敷設(shè)設(shè)計平臺的核心功能。在施工場地搭建功能中將項目真實(shí)施工情況進(jìn)行了呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計人員通過調(diào)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(jìn)行模擬，從而選擇與制定出相應(yīng)的施工方案。

該功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 施工方案設(shè)計功能結(jié)構(gòu)圖

5.場景漫游功能

場景漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計系統(tǒng)必不可少的一項基礎(chǔ)功能，通過空間定位技術(shù)、體感控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中的行走、旋轉(zhuǎn)、蹲下等不同視角的實(shí)時觀看操作，從而方便設(shè)計人員對電纜敷設(shè)方案進(jìn)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(shè)設(shè)計系統(tǒng)中的最后一個重要環(huán)節(jié)，通過該步驟設(shè)計人員可以將設(shè)計好的施工方案分別保存在PC端和網(wǎng)絡(luò)云端。當(dāng)實(shí)際施工現(xiàn)場沒有網(wǎng)絡(luò)時，可以通過PC端存儲的施工方案進(jìn)行相關(guān)信息的獲?。划?dāng)實(shí)際施工現(xiàn)場有網(wǎng)絡(luò)時，則可以通過各種設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)云端讀取項目施工信息。

（二）信息模型交互平臺

1.AR設(shè)備通訊功能

在實(shí)際工程中，由于VR設(shè)備目前均以有線連接方式為主，并且需要臺式機(jī)配套進(jìn)行運(yùn)行，所以不利于施工團(tuán)隊的攜帶及使用，因此采用AR設(shè)備在施工現(xiàn)場對相應(yīng)的施工方案數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取是目前最為合適的方法。但是目前AR設(shè)備的存儲空間極其有限，不能夠?qū)⒋罅康捻椖渴┕し桨笖?shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、設(shè)備信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行方便的攜帶，所以需要采用AR設(shè)備從其他存儲設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)云端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)讀取的方法來獲取信息。

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

該功能的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示：

圖3 AR設(shè)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(tuán)隊在項目施工過程中快速、準(zhǔn)確、高效的查看想要獲取的項目實(shí)施細(xì)節(jié)信息，在AR設(shè)備端需要為其設(shè)計識別2D圖紙并生成3D模型展示的功能。該功能通過調(diào)用AR設(shè)備上的攝像頭讀取2D圖紙上的特征點(diǎn)信息，以識別出該圖紙在數(shù)據(jù)庫中的編號，并找到對應(yīng)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(shè)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(rèn)識。

四、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借著其自身的沉浸式特點(diǎn)而獲得了相關(guān)部門的青睞，并在電力行業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的運(yùn)用。采用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬電纜敷設(shè)設(shè)計系統(tǒng)可以模擬真實(shí)施工現(xiàn)場環(huán)境，讓設(shè)計者能夠沉浸其中，而且對真實(shí)施工環(huán)境有一個直觀、真實(shí)的了解，從而不僅使得設(shè)計效率得到提高，而且設(shè)計結(jié)果的精確性也被大大提升。并且，通過將在虛擬電纜敷設(shè)設(shè)計系統(tǒng)中設(shè)計好的項目實(shí)施方案保存在網(wǎng)絡(luò)云端或PC端，可以方便施工團(tuán)隊對設(shè)計方案進(jìn)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(shè)計者和施工團(tuán)隊間信息的交流和溝通更加直觀、準(zhǔn)確，從而為整個電纜敷設(shè)工程提供了一整套可視化數(shù)字信息服務(wù)。

筆者認(rèn)為，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中廣泛和深入的應(yīng)用將對電力系統(tǒng)造成深遠(yuǎn)影響，并帶來顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。