孫蓉 唐錦 盧茜

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，變電站的三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用較多，這些技術(shù)的優(yōu)劣各不相同，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力可視化培訓(xùn)，有助于實(shí)現(xiàn)小學(xué)效果的快速實(shí)現(xiàn)。為了選取更為合理的變電站虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)資源的快速構(gòu)建，此次對(duì)傳統(tǒng)常見(jiàn)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比后，提出了基于融合技術(shù)方案的變電站高精度虛擬現(xiàn)實(shí)資源快速模型構(gòu)建，并以此模型構(gòu)建應(yīng)用于實(shí)際的電力教學(xué)培訓(xùn)之中。此次的研究，為電力教學(xué)培訓(xùn)可視化教學(xué)提供了一種新型的高精度虛擬現(xiàn)實(shí)資源快速構(gòu)建方法，能夠廣泛應(yīng)用于智慧教室教學(xué)課件和教學(xué)過(guò)程之中。

關(guān)鍵詞：變電站;場(chǎng)景;高精度;虛擬現(xiàn)實(shí);教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0152-05

Abstract：With the continuous development of computer technology， there are more development and application of three-dimensional virtual reality technology in substations， and the advantages and disadvantages of these technologies are different. The power visualization training based on three-dimensional virtual reality technology is conducive to the rapid realization of primary school effect. In order to select a more reasonable virtual reality technology of substation to realize the rapid construction of resources， after coMParing the advantages and disadvantages of the traditional three-dimensional virtual reality technology， this paper puts forward the rapid model construction of high-precision virtual reality resources of substation based on the fusion technology scheme， and applies this model construction to the actual power teaching and training. This research provides a new high-precision virtual reality resource rapid construction method for power teaching and training visualization teaching， which can be widely used in the teaching courseware and teaching process of smart classroom.

Key words：substation; scene; high precision; virtual reality; teaching

0 引言

可視化教學(xué)是一種現(xiàn)代新型教學(xué)的方式，是一種對(duì)互聯(lián)網(wǎng)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用。電力教學(xué)具有理論教學(xué)復(fù)雜、實(shí)操難度大的特點(diǎn)，將可視化教學(xué)應(yīng)用其中，能夠讓學(xué)習(xí)者更為清楚直觀了解到教學(xué)內(nèi)容[1-3]。變電站運(yùn)檢場(chǎng)景高精度虛擬現(xiàn)實(shí)資源的快速構(gòu)建，能夠讓教學(xué)者直接利用相關(guān)資源進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于課件和教學(xué)過(guò)程之中[4]。教學(xué)的可視化技術(shù)，目前在諸多行業(yè)教學(xué)領(lǐng)域之中得到了一定的應(yīng)用，但是其教學(xué)相關(guān)技術(shù)還在不斷的探索。當(dāng)前，基于可視化技術(shù)的智慧教室應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)廣泛，智慧教室的運(yùn)用可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更具有學(xué)習(xí)能力，能夠讓課堂變得更得更為高效、智能、簡(jiǎn)單?；谥腔劢淌业慕虒W(xué)大多是在原有的多媒體教室基礎(chǔ)上進(jìn)行改建的，因而在一定程度上有利于進(jìn)行傳統(tǒng)媒體的重塑。此次的研究，旨在尋找到適應(yīng)于電力教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源快速構(gòu)建技術(shù)方法。

1 傳統(tǒng)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)比分析

1.1 傳統(tǒng)三維軟件建模

傳統(tǒng)的三維建模軟件包括Maya、3DMax等，一般是通過(guò)對(duì)采集拍照的照片進(jìn)行手工建立模型，通過(guò)傳統(tǒng)三維軟件模型能夠獲取到模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確且外型美觀的數(shù)據(jù)模型，可維護(hù)性相對(duì)較高。然而采用改種方法的周期偏長(zhǎng)，適用于對(duì)美觀度和精度要求較好的場(chǎng)合。[4]在構(gòu)建模型時(shí)，首先是靠人工外業(yè)獲取圖片、圖紙數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維軟件之中。在同時(shí)進(jìn)行較大場(chǎng)景的制作時(shí)，可以在建模之初就統(tǒng)一設(shè)置顯示單位和系統(tǒng)單位，以便于進(jìn)行操作[5-7]。其次是創(chuàng)建建筑空白模并修正及貼圖制作使用，在白模創(chuàng)建完成后，需要修正后導(dǎo)出UV信息后在二維圖形軟件中制作UV貼圖，并將其與模型匹配結(jié)合。

1.2 傾斜攝影矢量建模

傾斜攝影技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際上新發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，利用飛行平臺(tái)搭建多臺(tái)傳感器，由一定傾斜角度的航攝像機(jī)獲取影像。采集影像的角度可以是垂直也可以是切斜等不同的角度，是為了能夠獲取到更為完整準(zhǔn)確的信息。一般采用的傾斜攝影技術(shù)有三相機(jī)和五相機(jī)的組合，雖然也有采用單相機(jī)或雙相機(jī)的方案，但是會(huì)降低采集效率。在五相機(jī)方案之中，一般是一臺(tái)獲得垂直影響，其余4臺(tái)從前后左右4個(gè)不同的角度方向獲取影像數(shù)據(jù)[8]。為了獲取較為完整的地物側(cè)面輪廓紋理信息，相機(jī)的傾斜角度控制在40°～60°。因?yàn)閿z影系統(tǒng)是搭載在飛行平臺(tái)上面的，因而數(shù)據(jù)收集度快，成像效果好。相較于正向影像，傾斜影像從多個(gè)角度來(lái)觀察地物并收集數(shù)據(jù)，因而可以反應(yīng)地物周邊的真實(shí)情況。在配套了相應(yīng)軟件后，能夠直接應(yīng)用基于傾斜影像中地物的長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單張影像的量測(cè)。將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備結(jié)構(gòu)的建模時(shí)，可以從中批量提取出貼紋理，降低三維模型構(gòu)建的所需要的時(shí)間成本。采用該方法獲取的數(shù)據(jù)量較小，因而便于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

1.3 三維激光掃描建模

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一個(gè)先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是利用激光測(cè)距原理在一瞬間獲取得到空間三維坐標(biāo)值，其獲取數(shù)據(jù)具有高效、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是一種具有較高服務(wù)能力水平的新型測(cè)量技術(shù)。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描的時(shí)候，同時(shí)包含了R、G、B顏色信息及X、Y、Z的空間坐標(biāo)信息，更為全面的數(shù)據(jù)信息能夠使得構(gòu)建的模型更為全面，在電腦中有一種真實(shí)的感覺(jué)[9]。該項(xiàng)技術(shù)和傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)最大的區(qū)別，就是可以突破白天和黑夜的限制，在任何時(shí)間都能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描以獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，具有精度高、速度快、主動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后可以利用數(shù)據(jù)直接生成語(yǔ)句高精度的三維數(shù)字化模型，不需要再花費(fèi)成本去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，節(jié)約成本[11]。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地物數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建時(shí)，首先需要獲取物體表面的原始數(shù)據(jù)，通暢采用三坐標(biāo)測(cè)量的方式，利用掃描儀掃描得到密集的點(diǎn)云（Point Cloud）。由于被掃描的物體數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，因而需要將不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，從而構(gòu)建出完整的表面模型。

1.4 三維模型構(gòu)建技術(shù)對(duì)比分析研究

通過(guò)前面對(duì)3種三維模型構(gòu)建技術(shù)的對(duì)比分析，可以了解到3種技術(shù)方案的原理、特點(diǎn)等，進(jìn)一步進(jìn)行3種技術(shù)方案的對(duì)比分析。對(duì)比分析的結(jié)果詳如表1中所示。

針對(duì)3種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析可以看出，傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)作為一種現(xiàn)代技術(shù)的新手段，相較于傳統(tǒng)的三維軟件建模技術(shù)在許多方面都具有共同性，有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中的傾斜攝影模型既有真實(shí)的紋理，三維激光模型構(gòu)建具有高精細(xì)度的部件結(jié)構(gòu)，可以將兩個(gè)技術(shù)整合和獲取得到一些共性優(yōu)勢(shì)從而獲得更為真實(shí)和準(zhǔn)確的模型結(jié)果。結(jié)合電力設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目需求的需要，此次確定了利用傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描模型構(gòu)建技術(shù)結(jié)合形成一種新的技術(shù)方案來(lái)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)模型資源。

2 基于高精度三維數(shù)字技術(shù)的變電站模型構(gòu)建

基于改進(jìn)算法進(jìn)行變電站的快速高精度模型構(gòu)建，根據(jù)變電站設(shè)備構(gòu)建特點(diǎn)，可以將其特征劃分為兩種，分別是和外形有關(guān)和無(wú)關(guān)的特征。變電站快速建模的流程圖如圖1所示。

根據(jù)變電站模型具有標(biāo)準(zhǔn)型和重復(fù)性的特點(diǎn)，首先利用三維激光掃描技術(shù)采集到整個(gè)變電站的云數(shù)據(jù)后，去除變電站地面點(diǎn)云后，利用高度濾波和空間密度濾波的方法提取變電站電力線，分割出獨(dú)立部件點(diǎn)云模型。隨后采用二維平面包圍盒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點(diǎn)云重復(fù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)算法。其次是利用點(diǎn)云形狀和尺寸對(duì)模板庫(kù)中的CAD模型進(jìn)行檢索，將檢索到的模型和點(diǎn)云進(jìn)行模板擬合后構(gòu)建出最小重復(fù)單元模型。最后是利用構(gòu)建好的最小單元模型按照檢測(cè)重復(fù)模型重建后就可以快速得到整個(gè)變電站的精確模型。基于此次所提出算法快速構(gòu)建的高精度模型如圖2中所示。

利用專業(yè)的三維建模軟件對(duì)于未覆蓋設(shè)備特征進(jìn)行高精度建模，并最終構(gòu)建和真實(shí)場(chǎng)景比例一致的高精度變電站模型，并在模型中展現(xiàn)出變電站的周邊地形環(huán)境和設(shè)備。三維模型包括了幾何和紋理兩個(gè)部分，為了便于管理人員的識(shí)別，因而需要加強(qiáng)對(duì)模型紋理映射以增強(qiáng)模型的可視化效果。在進(jìn)行模型參數(shù)化處理的時(shí)候，應(yīng)同時(shí)基于精準(zhǔn)數(shù)字模型和設(shè)備照片數(shù)據(jù)準(zhǔn)確接入設(shè)備紋理和銘牌信息，使得紋理像素匹配于幾何面。如此可以實(shí)現(xiàn)模型具有良好的視覺(jué)感受，匹配相關(guān)屬性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)管理。

最后整合前面的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)后在電腦上實(shí)現(xiàn)快速建模，在建模的過(guò)程中，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其次利用區(qū)域增長(zhǎng)算法后實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獨(dú)立化，最后利用基于組件匹配建模方法實(shí)現(xiàn)最小重復(fù)單元的建模，和重復(fù)結(jié)構(gòu)模式結(jié)合后就可以得到變電站模型。由此得到添加地面之后的電站場(chǎng)景重建效果圖，如圖3所示。

3 基于變電站運(yùn)檢場(chǎng)景高精度虛擬現(xiàn)實(shí)資源快速

構(gòu)建方法的電力教學(xué)應(yīng)用

3.1 教學(xué)課程設(shè)計(jì)

此次以電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)原理與典型故障的場(chǎng)景化互動(dòng)教學(xué)課件設(shè)計(jì)為例，課件設(shè)計(jì)分為三個(gè)章節(jié)，分別是典型變壓器結(jié)構(gòu)原理和典型故障場(chǎng)景化教學(xué)、典型互感器結(jié)構(gòu)原理和典型故障場(chǎng)景化教學(xué)以及典型GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和典型故障場(chǎng)景化教學(xué)，一共38課時(shí)。教學(xué)主要分為理論教學(xué)和實(shí)操演練兩個(gè)模塊，通過(guò)理論教學(xué)首先讓學(xué)習(xí)者了解和掌握理論基礎(chǔ)，從而為進(jìn)行實(shí)操演練做好準(zhǔn)備。如表2所示。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行以及電力結(jié)構(gòu)概念相對(duì)抽象，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中難度較大，通過(guò)更為形象的圖形界面能夠加深學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)原理的理解，基于可視化仿真技術(shù)的電力教學(xué)，可以滿足教學(xué)的各項(xiàng)要求。變電站的運(yùn)行管理是一個(gè)綜合的復(fù)雜過(guò)程，基于三維虛擬技術(shù)的可視化教學(xué)，能夠?qū)⒆冸娬镜囊?guī)劃布局、運(yùn)行管理、部件細(xì)節(jié)等都具體反映出來(lái)，學(xué)生在課堂中可以全方位了解所學(xué)知識(shí)的理論及實(shí)際工程中的具體情況。

3.2 智慧教室構(gòu)建

基于可視化技術(shù)的智慧教室構(gòu)建，特別是將其應(yīng)用于電力教學(xué)之中有著非常好的教學(xué)效果。智慧教室是綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了可視化、自動(dòng)化、智能化、高效化的特點(diǎn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)智慧教室的各項(xiàng)功能，在主控系統(tǒng)中包含了可觸控式主副屏、 交互式白板功能、 集成融媒體管理系統(tǒng)、 集成教學(xué)資源管理平臺(tái)、 符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)且高度可自由升降、 兼容主流VR/AR設(shè)備，如圖4中將教室打造出具有渾然一體的全方位場(chǎng)景體驗(yàn)功能。

信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)教育教學(xué)有著非常大的影響，多媒體技術(shù)的普及和課件的不斷更新，教學(xué)方式和教學(xué)模式也在不斷更新，特別是“智慧校園”的提出，已經(jīng)成為當(dāng)前構(gòu)架科技發(fā)展的重點(diǎn)規(guī)劃領(lǐng)域。在當(dāng)前的智慧教學(xué)中，智慧教學(xué)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)相關(guān)所有人員的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)傳功教學(xué)服務(wù)管理模式的突破，并將它們整合成為一個(gè)交互靈活的職能整體。電力智慧教室教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)感知、采集、分析、處理能力的智慧教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)人員共享教學(xué)資源、可視化教學(xué)目的。目前雖然智慧教學(xué)提出已久，在高校教學(xué)中應(yīng)用頗多，但是單純應(yīng)用于電力教學(xué)中幾無(wú)先例，更遑論教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為智慧教學(xué)提供了基本的技術(shù)基礎(chǔ)，可以真正實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)的終端功能。

4 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化教學(xué)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)教學(xué)之中，電力教學(xué)的理論學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)者對(duì)相關(guān)概念缺乏一個(gè)直觀的認(rèn)知，而對(duì)于需要進(jìn)行實(shí)操的部分，也很難具備進(jìn)行實(shí)地、實(shí)物的操作演練，再加上電力系統(tǒng)的相關(guān)部件非常復(fù)雜，因而要進(jìn)行實(shí)際的操練，可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤較多。在智慧教室的教學(xué)中，將可視化融入其中，能夠給學(xué)習(xí)者更為直觀的教學(xué)效果和全新的教學(xué)體驗(yàn)，可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)對(duì)比3種三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)劣，選擇其中的激光三維掃描技術(shù)和傾斜矢量攝影構(gòu)建技術(shù)融合技術(shù)來(lái)構(gòu)建變電站虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速構(gòu)建資源以應(yīng)用于智慧教室的教學(xué)之中，能夠構(gòu)建出新的教學(xué)模式，可以應(yīng)用于現(xiàn)代電力教學(xué)之中。

參考文獻(xiàn)

[1]荊永濱.基于三維模型的采礦工程可視化教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育， 2014（8）：138-139.

[2]李燦林，畢麗華.實(shí)例操作驅(qū)動(dòng)的可視化程序設(shè)計(jì)教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育， 2014（11）：163-164.

[3]李曉武，蘇展，龍理晴，等.“電控回路”可視化教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014（5）：70-72.

[4]徐祿文，劉小玲.變電站環(huán)境噪聲三維空間衰減模型及算法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2012，32（13）：175-180.

[5]王鑫，王麗曄，邵辰飛.基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的電力統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014 （18）：183-184.

[6]游大寧，王順浦，李圖強(qiáng)，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2014，41（4）：5-8.

[7]李雪玲，車軍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的牽引變電所培訓(xùn)系統(tǒng)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2014， 33（31）：31-32.

[8]杜志葉，阮江軍，干喆淵，等.變電站內(nèi)工頻電磁場(chǎng)三維數(shù)值仿真研究[J].電網(wǎng)技術(shù)， 2012（4）：229-235.

[9]俞云，黃鑫.VR技術(shù)在變電站技能培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程， 2017（24）.69-69.

[10]鄔立新.烏蘭察布電業(yè)局變電站微機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2012（1）：68-72.

[11]孫春輝，成錫平.基于無(wú)人機(jī)的實(shí)景三維建模在消防中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)， 2018（4）：501-504.