洪梓銘　龍梓杰

摘要：任何時候電力系統(tǒng)停運都會導致?lián)p失巨大，無法通過實地模擬事故來的方式讓工作人員演練進行培訓，所以工作人員幾乎沒有應對事故的應變能力。國外，基于三維標識物的跟蹤技術(shù)，制造虛擬場景培訓工作人員在應對事故的能力，通過多次觀察和演練培養(yǎng)出高素質(zhì)運行人員，引進先進的變電設備培訓系統(tǒng)，適應新的培訓思維，推動變電設備培訓的改革創(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.

關鍵詞：變電設備培訓;虛擬場景;三維標識物的跟蹤技術(shù)

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

中圖分類號：TM63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0275-02

0? 引言

隨著時代的發(fā)展，電網(wǎng)業(yè)務越來越多，變電設備更新?lián)Q代，現(xiàn)有的仿真培訓的確存在很多問題，改革創(chuàng)新一套符合現(xiàn)代水平的電力培訓系統(tǒng)迫在眉睫。

1? 研究目標

鑒于昂貴的變電設備不利于用于現(xiàn)有仿真培訓，每當公司更新?lián)Q代新變電設備，更急于直接上崗使用，幾乎沒有機會給運行人員充分的仿真學習，運行人員接觸新型設備機會不多，依舊采用舊型號仿真培訓導致公司進行電力系統(tǒng)培訓時的效果極差，在虛擬環(huán)境下設備相互獨立，與現(xiàn)實中有強烈物理關系的變電設備不同，依據(jù)變電設備的實際情況，通過升級電力培訓仿真系統(tǒng)功能，增加變電設備的關聯(lián)性，通過“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)概念[1]，添加變電設備的詳細數(shù)據(jù)和信息，增強變電設備之間信息傳感強度，實時顯示和采集在培訓、連接、互動的設備的重要數(shù)據(jù)和信息，建立一套完整的培訓網(wǎng)絡，打造符合時代特征的智能化變電設備培訓平臺。本項目旨在利用增強現(xiàn)實技術(shù)[2]，助力廣州供電局信息中心實現(xiàn)變電設備專業(yè)培訓移動式系統(tǒng)的設計，建立基于真實環(huán)境中虛擬變電設備培訓的電力培訓平臺，全面提升變電設備與其他設備、變電設備與培訓人員等電力培訓平臺的效果，促進公司長期發(fā)展戰(zhàn)略落地。

2? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)增強現(xiàn)實技術(shù)，在南方電網(wǎng)公司沒有人員在變電設備培訓系統(tǒng)方向進行研究。

國際方面，北卡大學羅納德阿祖瑪最早提出了增強現(xiàn)實定義，以此為基礎開發(fā)一ARToolKit應用程序進行對標識物的識別，僅可對單視點跟蹤，標識物越復雜跟蹤難度越大，由Unity Technologies公司研究Unity 3D開發(fā)引擎，不受標識物復雜程度影響，大大提高了對標識物的跟蹤效果。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的MicroTran和德國西門子的NETOMAC，都具有與電力系統(tǒng)仿真技術(shù)相似的軟件功能[3]。同時谷歌公司起草Project Tango項目，設置四個攝像頭、傳感器和芯片的移動設備可以實時根據(jù)周圍的環(huán)境進行3D建模，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在實際應用中體現(xiàn)，購車可以體驗虛擬車輛，為客戶提供全新的數(shù)字化體驗方式。

國內(nèi)方面，復旦大學宋志堅教授團隊于2013在中國國際工業(yè)博覽會上，通過增強現(xiàn)實技術(shù)引導醫(yī)生完成腫瘤手術(shù)。電力行業(yè)與醫(yī)學行業(yè)相類似的是，電力設備和臨床病人同樣在很難找到實際操作環(huán)境，可以通過增強現(xiàn)實技術(shù)進行高危操作，其展覽會展示的項目其對電力行業(yè)極具有借鑒意義[4]。

3? 研究內(nèi)容

3.1 研究要點

①模型設計和三維場景搭建技術(shù)的研究。

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

②增強現(xiàn)實模型搭建技術(shù)的研究。

Vuforia和其他計算機視覺技術(shù)被用于實時識別并捕捉平面圖像或簡單的三維對象，通過攝像機取景器放置虛擬對象，對鏡頭前調(diào)整對象的位置在固體背景上。

③模型位置跟蹤檢測技術(shù)的研究。

移動裝置可經(jīng)由輸入數(shù)據(jù)流模塊、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)流模塊、跟蹤對準匹配數(shù)據(jù)流模塊跟蹤、渲染數(shù)據(jù)流模塊，對實際情況的取得實際場景中的圖像的各幀進行像素轉(zhuǎn)換。與實時應用程序?qū)臄?shù)據(jù)庫中的ID匹配。匹配完成后，它會在實際場景中覆蓋如3D模型、動畫等虛擬對象，也可以與這些虛擬對象進行替換，呈現(xiàn)在移動終端[5]。

3.2 技術(shù)難點

①模型搭建和場景建設難點。

復雜的變電站構(gòu)造，繪制時要依據(jù)現(xiàn)實世界基礎制圖的圖紙為基礎。同時，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)一的標準，但是由于需要根據(jù)各裝置的特性設計不同的模型，所以有較大的工作量。

②位置跟蹤技術(shù)難點。

若在不穩(wěn)定的情況下對圖像每一幀抓取，會造成圖像有缺陷而與實際情況不符，會導致對虛擬現(xiàn)實與實際位置有所偏移，影響虛擬培訓。

4? 技術(shù)方案

該項目將采用無人機實景建模技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、VR全景技術(shù)等先進技術(shù)，變電站現(xiàn)實空間作為模型設計和開發(fā)。通過對三維掃描點云處理技術(shù)的無人機實景建模完成變電站沙盤模型，做出變電站實體沙盤模型;采用VR全景瀏覽以及增強現(xiàn)實技術(shù)進行變電設備的專業(yè)培訓。

①模型設計和三維場景搭建。

在Unity3D中最重要的就是GameObject，場景里填納3D物體，整體稱之為組建，將不同物體安置在不同場景，組建中每個物體行為是核心，充當物體的功能模塊。通過使用相機，可更真實反映應用場景。

②增強現(xiàn)實模型搭建。

模型取自現(xiàn)實中物體，變電設備的模型較為復雜，生成模型時，其下方有三個虛擬按鍵，每個按鍵分別顯示不同信息，模型通過AR計算，算出物體與真實場景的實際位置，以該位置進行旋轉(zhuǎn)。在自動導覽時，實際光照環(huán)境和標志物是否被遮擋影響檢測效果，使用移動設備更可增強呈現(xiàn)效果。

③型位置跟蹤檢測。

Vuforia可以檢測和跟蹤目標的圖像，圖像目標可以使彩色的不規(guī)則區(qū)域。Vuforia使用復雜的算法來檢測圖像自然特征，與資源數(shù)據(jù)庫圖像作比較。

5? 基于三維標識物的跟蹤技術(shù)達成的目的

①改善變電設備培訓方式，將以往單一的現(xiàn)場培訓方式轉(zhuǎn)向虛擬培訓方式，建立三維模型吸引學員學習樂趣，提升培訓的作用[6]。

②變電站沙盤模型還原變電站真實情況，變電站內(nèi)的設備信息距離非常符合原場景，學員可以不用去現(xiàn)場就可以感受現(xiàn)場變電設備的工作氛圍。

③通過對變電站設備目標標簽的存儲、識別和顯示功能，快速掌握設備的具體信息，通過多次觀察分析，安全高效的學會變電站設備的使用。

④學員可以通過VR全景方式了解變電站設備之間距離和擺放位置，直觀的了解整個變電站。

6? 結(jié)束語

為了提高變電設備運行人員的技術(shù)水平，通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，借鑒了醫(yī)學行業(yè)的增強現(xiàn)實技術(shù)的應用，提出了基于三維標識物的跟蹤技術(shù)且符合電力行業(yè)的培訓系統(tǒng)，通過對原有培訓系統(tǒng)的改革創(chuàng)新，調(diào)動學員對變電設備的興趣，降低了培訓難度，提高了培訓效果，對提高公司整體員工技術(shù)水平有積極作用。

參考文獻：

[1]吳義純，周磊，房雪雷，等.變電站開關設備檢修虛擬仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].電工技術(shù)，2018（5）.

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

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

[4]曹瑜，孫鵬，張紅.基于三維虛擬技術(shù)的變電設備培訓系統(tǒng)[J].電子測試，2013（5）.

[5]蔡偉，李龍華.水電站機電設備運行檢修 3D 仿真培訓界面設計.2011.

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