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        基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)研究

        2024-05-06 08:11:28郭江濤王濤賈俊強(qiáng)買合布拜肖開提劉璐璐
        電子設(shè)計(jì)工程 2024年9期
        關(guān)鍵詞:沖突檢測(cè)虛擬空間測(cè)區(qū)

        郭江濤,王濤,賈俊強(qiáng),買合布拜·肖開提,劉璐璐

        (國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司,新疆烏魯木齊 830000)

        隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,安全穩(wěn)定的供電已經(jīng)成為了企業(yè)發(fā)展和社會(huì)生活的基本保障。變電站是整個(gè)電力系統(tǒng)傳輸和供電的集結(jié)站,負(fù)責(zé)將電力匯集、交流和調(diào)配。由于變電站直接暴露于自然環(huán)境中,除電力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的機(jī)械損耗和電力損耗外,還經(jīng)受陽(yáng)光、雨水等自然侵蝕,這些因素會(huì)加速電氣設(shè)備的老化,如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行下井處理,極有可能導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)性故障,對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成重大威脅。為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,在平時(shí)就有必要對(duì)變電站進(jìn)行定期或不定期的巡檢。

        對(duì)于巡檢路徑的沖突檢測(cè)可以有效提升巡檢的效率,因此,一些學(xué)者針對(duì)變電站巡檢路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出面向變電站機(jī)器人巡檢路線規(guī)劃中的計(jì)算研究,依據(jù)離散數(shù)學(xué)原理中的哈密頓回路結(jié)合路徑常規(guī)計(jì)算,研究了一種全局巡檢方法,但該方法在極端情況下無(wú)法運(yùn)作,不能完成路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[2]分析了特高壓變電站巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃改進(jìn)的蟻群計(jì)算,將蟻群計(jì)算和人工勢(shì)場(chǎng)計(jì)算融合,大大提高了蟻群計(jì)算的搜索能力,構(gòu)建仿真環(huán)境完成路徑規(guī)劃。但該方法過(guò)度依賴智能機(jī)器人,人工無(wú)法操作。

        該文在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上對(duì)變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)碼孿生技術(shù)包含了三種要素,即真實(shí)空間、虛擬空間和二者之間的數(shù)據(jù)信息流。

        1 巡檢路徑數(shù)據(jù)采集

        該文采用傾斜攝影技術(shù)采集巡檢路徑數(shù)據(jù),使用搭載具有傾斜角度的航拍器采集目標(biāo)的全方位信息,解決信息缺失問(wèn)題?;趦A斜攝影的數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖1 所示。

        圖1 基于傾斜攝影的數(shù)據(jù)采集過(guò)程

        根據(jù)圖1 可知,采集方法核心步驟主要分為四步:影像采集、多視影像平差、多視影像密集匹配、紋理映射。

        1.1 巡檢影像采集

        影像數(shù)據(jù)采集工作主要分為測(cè)區(qū)觀察、測(cè)區(qū)路線規(guī)劃、測(cè)量計(jì)劃的制定與實(shí)施、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與合成[3-4]。

        測(cè)區(qū)觀察:測(cè)區(qū)觀察的主要目的是觀察待測(cè)區(qū)面積的大小以及待測(cè)區(qū)內(nèi)建筑的最大高度。根據(jù)這些信息來(lái)制定數(shù)據(jù)采集時(shí)航拍器的航高航線和制定測(cè)量計(jì)劃。

        測(cè)區(qū)路徑規(guī)劃:對(duì)測(cè)區(qū)路徑的規(guī)劃,須充分考慮被測(cè)區(qū)的地理環(huán)境、模型的生成精度等影像因素,以便于選取較為理想的路徑重合度和旁向重合度、測(cè)量高度,以確保可以采集到高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)。由經(jīng)驗(yàn)可得,飛行高度設(shè)置為高出待測(cè)區(qū)內(nèi)最高建筑物的30%左右,旁向重合度和航向重合度設(shè)置在65%~85%左右,航拍器的拍攝模式設(shè)置為等間距拍攝[5-6]。

        測(cè)量計(jì)劃的制定與實(shí)施:測(cè)量時(shí)間盡量選擇在晴天的中午12 點(diǎn)之前的3 個(gè)小時(shí)和下午兩點(diǎn)鐘之后的3 個(gè)小時(shí),保證光照充足的同時(shí)還需要防止過(guò)度的強(qiáng)光照射對(duì)影像數(shù)據(jù)采集的影響[7-8]。

        數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與合成:在航拍器完成測(cè)量后,將其中影像數(shù)據(jù)拷貝出來(lái),由于高空氣流、氣壓等影響,會(huì)造成航拍器不穩(wěn)定,導(dǎo)致采集的照片角度變化大,并且受空氣質(zhì)量和光照條件的變化等因素的影響,不同時(shí)刻所獲得的傾斜影像在亮度、對(duì)比度等屬性有所差異。為了消除影響,需要對(duì)所獲得的影像照片進(jìn)行色彩修正和光色均勻處理,并刪除缺陷嚴(yán)重的影像。在處理之后需要將對(duì)應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)一并刪除,保證影像信息與POS 數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)[9-10]。

        1.2 多視影像平差的計(jì)算與密集匹配

        基于采集的巡檢影像,使用光束法計(jì)算多視影像的平差,攝影測(cè)量的基本原理為共線方程,共線方程模型為:

        式中,x、y為平面坐標(biāo)值,x0、y0、f為影像方位元素,Xa1~Xa4為測(cè)量物坐標(biāo);Xs為樣本閾值,以共線方程為基礎(chǔ),將其進(jìn)行泰勒展開,得到多視影響的平差。

        將最小二乘的計(jì)算應(yīng)用在多視圖像中,其具有共線條件的多視圖像匹配計(jì)算。根據(jù)核線的幾何位置條件,在核線圖像上進(jìn)行一維空間搜索,通過(guò)灰度觀測(cè)方程求出測(cè)量物的圖像位置[11-12]。通過(guò)計(jì)算多個(gè)相機(jī)拍攝的同一地點(diǎn)的圖像坐標(biāo)來(lái)確定像點(diǎn)坐標(biāo),利用核線約束的最小二乘匹配計(jì)算后得到搜索圖像相應(yīng)的地面坐標(biāo)。

        2 巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)

        完成數(shù)據(jù)采集后,便可進(jìn)行基于數(shù)字孿生技術(shù)的巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè),通過(guò)數(shù)字孿生的虛擬空間運(yùn)行巡檢設(shè)備[13-14],對(duì)巡檢設(shè)備可能的運(yùn)動(dòng)變換進(jìn)行分析,在數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬空間中,所有動(dòng)作變化都可以轉(zhuǎn)換為對(duì)稱、平移、旋轉(zhuǎn),因此可以建立三維線性變換矩陣來(lái)表示巡檢的比例變換、對(duì)稱變換、旋轉(zhuǎn)變換[15]。

        空間坐標(biāo)的變換模式如圖2 所示。

        圖2 變換模式

        三維空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可分為平移變換、比例變換以及旋轉(zhuǎn)變換三種形式,對(duì)于平移變換主要應(yīng)用的是布爾莎模型,坐標(biāo)的比例變換即為坐標(biāo)按照規(guī)定系數(shù)的變換,旋轉(zhuǎn)變換是通過(guò)一定角度完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。三種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式的表達(dá)式為:

        ①平移變換:模型物體A在真實(shí)空間的坐標(biāo)沿一定距離平移到虛擬空間中,物體的大小形狀不發(fā)生改變,布爾莎坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換模型為:

        式中,(XA,YA,ZA)為原始坐標(biāo),為平移后的坐標(biāo);TA為平移參數(shù);(ωx,ωy,ωz)為不同坐標(biāo)的平移參數(shù)。

        ②比例變換:物體在真實(shí)空間的體積過(guò)大或過(guò)小,在轉(zhuǎn)移到虛擬空間時(shí)需要將其放大或縮小,其坐標(biāo)比例變換表示為:

        ③旋轉(zhuǎn)變換:三維物體圍繞某一個(gè)坐標(biāo)軸從真實(shí)空間轉(zhuǎn)移到虛擬空間時(shí),旋轉(zhuǎn)角度為θ,其矩陣表示為:

        為了更好地展現(xiàn)數(shù)字孿生中虛擬空間與真實(shí)世界的高度一致性,該文在建立虛擬世界中的每一個(gè)物體添加沖突單元,并將剛體一起添加到物體上,來(lái)模擬物理世界中的沖突效果,更大程度地還原現(xiàn)實(shí)世界中的物理規(guī)則,避免發(fā)生不符合常理的物體間相互穿透的物理現(xiàn)象的出現(xiàn)。在進(jìn)行沖突檢測(cè)時(shí)需要,每一個(gè)對(duì)象都使用一個(gè)比模型稍大的幾何體包裹,從幾何角度出發(fā)檢測(cè)場(chǎng)景中的物體是否發(fā)生接觸,檢測(cè)完成之后返回沖突信息[16]。其檢測(cè)算法原理如下:

        假設(shè)χ1、χ2、χ3和χ4表示虛擬物體周圍N、S、E、W四個(gè)方向距離障礙物的長(zhǎng)度值,且設(shè)定min(χ1,χ2,χ3,χ4) 是可求的,以R為半徑的圓形區(qū)域是虛擬物體行動(dòng)安全范圍,假定R′為虛擬物體包圍盒子的探測(cè)半徑,則物體在不同方向上是否會(huì)發(fā)生沖突的判斷公式可表示為:

        通過(guò)在數(shù)字孿生虛擬空間中進(jìn)行式(5)的距離計(jì)算來(lái)完成巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)。

        3 實(shí)驗(yàn)研究

        為驗(yàn)證該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用效果,設(shè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)建模軟件Autobesk 3ds max(3DMAX)根據(jù)圖片素材對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一比一還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況,包括運(yùn)動(dòng)過(guò)程,運(yùn)動(dòng)軌跡,建好的模型導(dǎo)入Quixel SUITEL 里面做材質(zhì)貼圖,如模型需要從高模轉(zhuǎn)低模則需要通過(guò)拓補(bǔ)軟件TopoGun 轉(zhuǎn)成低模,然后再用烘焙軟件marmoset toolbag 把高模的模型細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到低模。以上操作完成后,則轉(zhuǎn)出OBJ 格式導(dǎo)入3DMAX 中添加貼圖,設(shè)立實(shí)驗(yàn),進(jìn)行沖突檢測(cè),通過(guò)沖突檢測(cè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)巡檢路徑優(yōu)化,3DMAX 圖如圖3 所示。

        圖3 3DMAX圖

        利用航拍器傾斜攝影技術(shù)采集巡檢場(chǎng)所中物體的三維圖像,對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理,去濾波去噪,通過(guò)建立共線方程模型計(jì)算多視影像平差,進(jìn)行多視影響密集匹配,獲得場(chǎng)景視差圖,利用相機(jī)參數(shù)對(duì)視差圖進(jìn)行換算,得出巡檢場(chǎng)所深度信息。利用人工勢(shì)場(chǎng)標(biāo)記障礙物,規(guī)劃出避開障礙物的巡檢路線,進(jìn)而獲得障礙物三維坐標(biāo),進(jìn)行巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)。

        選用該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)優(yōu)化方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法完成后對(duì)比測(cè)試。不同方法的路徑?jīng)_突檢測(cè)誤差如表1 所示。

        表1 路徑?jīng)_突檢測(cè)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)表1 可知,文中方法巡檢能力更強(qiáng),路徑?jīng)_突檢測(cè)誤差始終小于等于0.05%,傳統(tǒng)的基于蟻群算法的方法雖然也具備一定的消除路徑?jīng)_突檢測(cè)誤差能力,但是其路徑?jīng)_突檢測(cè)誤差高于該文方法,相比之下,文中方法具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

        基于上述測(cè)試結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)不同方法下巡檢延時(shí)時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)次數(shù)共5 次,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

        表2 巡檢延時(shí)時(shí)間檢測(cè)結(jié)果

        在經(jīng)過(guò)該文方法優(yōu)化后,延時(shí)時(shí)間低于0.02 ms,而未進(jìn)行優(yōu)化之前,延時(shí)時(shí)間始終在0.6 ms 之內(nèi),無(wú)法滿足用戶要求。由此可見,該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)優(yōu)化方法優(yōu)化能力最強(qiáng),更適合于實(shí)際應(yīng)用。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        變電站的安全問(wèn)題已然成為了電力領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)于變電站巡檢路徑的沖突檢測(cè)以及優(yōu)化可以極大提高變電站的穩(wěn)定性。該文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測(cè)優(yōu)化方法,通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析,解決了傳統(tǒng)方法的不足,并為后續(xù)研究此方面的學(xué)者提供相關(guān)參考。

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