變電站三維漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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為保證變電站系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就要首先保證變電站中的各個(gè)基礎(chǔ)電氣設(shè)備是否能正常運(yùn)行，所以變電站日常巡檢操作一直是變電站運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。并且近年來電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，如果變電站中基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)事故會(huì)對變電站安全運(yùn)行造成較大影響，所以變電站的日常巡檢操作的正確執(zhí)行對變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。因此，必須對變電站的日常巡視工作加以重視。變電站三維漫游系統(tǒng)能夠更好的模擬變電站的日常巡視操作，讓操作人員能夠方便快捷的學(xué)習(xí)認(rèn)知變電站日常巡檢的操作重點(diǎn)。本文主要致力于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)變電站三維漫游系統(tǒng)，主要對變電站的日常巡檢操作進(jìn)行模擬仿真。本文以VS2017為開發(fā)平臺(tái)，采用3DSMAX三維建模工具、Unity3D可視化游戲引擎以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)變電站三維漫游系統(tǒng)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了變電站電氣設(shè)備、變電站周邊環(huán)境、人物三維模型的創(chuàng)建，以及變電站日常巡檢操作的模擬。變電站三維漫游系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)變電站三維漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為五部分，包括三維模型的創(chuàng)建，人物骨骼動(dòng)畫制作，漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)以及界面系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。三維模型的創(chuàng)建主要包括變電站中一、二次設(shè)備的創(chuàng)建和人物模型的創(chuàng)建，動(dòng)畫制作主要為人物骨骼動(dòng)畫設(shè)計(jì)，漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括對各電氣設(shè)備巡檢及人物漫游，系統(tǒng)界面及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。變電站三維漫游系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3D建模

系統(tǒng)設(shè)備建模使用3DSMAX建模工具，變電站三維模型是變電站三維漫游系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的資源，本文三維場景結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容如圖2所示。使用3DSMAX三維建模軟件，其建立復(fù)雜物體時(shí)具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢，可以較精準(zhǔn)的創(chuàng)建出三維模型，通過材質(zhì)貼圖使模型更加精細(xì)，更加真實(shí)。使用三維建模軟件，嚴(yán)格按照變電站場景的真實(shí)尺寸進(jìn)行創(chuàng)建。利用搜集到的資料，包括變電站設(shè)備的真實(shí)尺寸、設(shè)備設(shè)計(jì)圖、真實(shí)設(shè)備圖片等信息進(jìn)行建模；用Photoshop對素材進(jìn)行處理，將處理后的素材作為模型的貼圖或材質(zhì)。最終導(dǎo)出FBX格式文件。變電站中的一、二次電氣設(shè)備外形相對復(fù)雜，特殊形狀較多，采用分塊建模的方法，使用3DSMAX軟件中的擠出、放樣等方法制作，最終把零散的模塊打組成一個(gè)完整的模型。以變壓器為例，如圖3所示。對于變電中的綜合場景模型，更偏重對模型材質(zhì)的處理，以此達(dá)到更逼真的效果。例如，變電站中周邊環(huán)境樹木的建立，采用材質(zhì)貼圖的方法，制作輕易且方法簡單。變電站完整模型如圖4所示。人物模型建模較為復(fù)雜，要將整個(gè)人物作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，并控制建模的精度，所以選擇采用多邊形建模。建模完成后，使用Photoshop繪制貼圖，賦予人物。然后對人物模型進(jìn)行骨骼動(dòng)畫的設(shè)計(jì)，用來模擬人物行走等操作。主要過程如圖5所示。

漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

變電站三維漫游功能所仿真的是變電站的基本的巡檢功能，在變電站的場景漫游中，操作人員可以從任意角度觀察變電站內(nèi)的所有一次高壓設(shè)備、二次測量保護(hù)設(shè)備以及變電站的整體環(huán)境。在漫游系統(tǒng)中，操作人員可以自由轉(zhuǎn)換視角、操作設(shè)備并進(jìn)行設(shè)備資料的學(xué)習(xí)。

漫游巡視

漫游巡視是系統(tǒng)交互的重要功能，Unity3D主要采用人物尋路及視角控制的方法實(shí)現(xiàn)人物漫游，漫游操作主要由三個(gè)參數(shù)控制，包括視點(diǎn)、觀察點(diǎn)以及向上方向。如圖6所示，視點(diǎn)為人的眼睛，觀察者的位置也就是視點(diǎn)的位置；觀察點(diǎn)是人眼睛所看的物體的位置；向上方式指的是頭的朝向，它決定了觀察物體的方式。變電站的巡視工作主要目的是查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在隱患。巡視主要包括正常巡視、定期巡視、全面巡視以及特殊巡視。本文主要研究220kV變電站的正常巡視，實(shí)現(xiàn)其漫游功能。正常巡視內(nèi)容主要包括設(shè)備是否完好無損，聲音是否正常；變壓器油，油色，油溫，油位是否正常及有無泄漏，外殼接地是否良好，各類標(biāo)志是否齊全等。

人物視角控制

變電站三維漫游中虛擬人物的視角控制是三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的重要環(huán)節(jié)。本文主要實(shí)現(xiàn)了自由視角控制以及第三人稱視角控制，對于不同方式的漫游采用不同視角控制，增強(qiáng)了變電站三維漫游仿真的靈活性。自由視角控制和第三人稱視角控制的主要區(qū)別如表1所示。

自動(dòng)尋徑

系統(tǒng)中的路徑探索需要快速準(zhǔn)確計(jì)算出一條較好的自動(dòng)繞過障礙物的最短路徑，使人物從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)。本文主要采用NAV導(dǎo)航網(wǎng)格尋路算法。這種算法是把地圖劃分成多個(gè)凸多邊形，基于A*算法遍歷查找最短路徑。A*路點(diǎn)尋路是將地圖劃分為規(guī)則的等大的區(qū)域網(wǎng)格，而NAV導(dǎo)航網(wǎng)格對地圖的預(yù)處理以及地圖發(fā)生變化時(shí)的處理都更加復(fù)雜，主要是將地圖上的可達(dá)區(qū)域按照一定的算法劃分成多個(gè)三角形區(qū)域，使用A*算法找到路徑經(jīng)過的三角形，對已經(jīng)連接好的三角形路線進(jìn)行拐角點(diǎn)判斷，從起點(diǎn)開始逐個(gè)連接這些拐角點(diǎn)，直到連接到終點(diǎn)，得到最終路線。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與Unity3D結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備信息表、漫游信息表、巡檢路徑信息表等，表與表之間是相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。執(zhí)行漫游功能時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的信息，顯示在相應(yīng)位置，也記錄相應(yīng)信息，寫入數(shù)據(jù)庫。以漫游信息表為例，如表2所示。

界面系統(tǒng)及功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)UI實(shí)現(xiàn)采用NGUI插件對系統(tǒng)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，NGUI插件功能完整，效率高、性能好，相對Unity3D自帶的GUI框架有很多優(yōu)勢。根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)以及實(shí)際需求，主要完成了以下功能。系統(tǒng)開始界面，首先打開系統(tǒng)，進(jìn)入的是開始界面，點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)入系統(tǒng)，點(diǎn)擊退出按鈕關(guān)閉系統(tǒng)，如圖7所示。點(diǎn)擊進(jìn)入按鈕進(jìn)入系統(tǒng)加載頁面，由于變電站場景模型相對較大，加載需要一段時(shí)間，所以加載頁面用來過度進(jìn)入系統(tǒng)場景，使該過程更加流程。加載頁面如圖8所示。進(jìn)入系統(tǒng)后，為漫游系統(tǒng)的主操作界面，主操作界面主要分為四個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域?yàn)槿S仿真操作場景，兩側(cè)為輔助操作區(qū)域，左上角為設(shè)備巡檢方式按鈕，左下角為工具欄區(qū)域，右上角為小地圖顯示，實(shí)時(shí)顯示虛擬人物位置。當(dāng)左上角復(fù)選框被勾選時(shí)，為路徑漫游狀態(tài)，人物從當(dāng)前位置開始執(zhí)行巡檢漫游任務(wù)，按照規(guī)定路線對變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，并記錄相關(guān)信息。該場景下默認(rèn)選擇第三人稱視角。如圖9所示。當(dāng)左上角復(fù)選框未勾選時(shí)，為自主漫游狀態(tài)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際情況，自由進(jìn)行巡檢漫游任務(wù)。可以通過鍵盤‘W’、‘A’、‘S’、‘D’鍵控制人物移動(dòng)，也可以通過鼠標(biāo)左鍵，點(diǎn)擊地面，控制人物移動(dòng)，也可以點(diǎn)擊界面下方標(biāo)有電氣名稱的按鈕，人物即可自動(dòng)尋路到相應(yīng)電氣設(shè)備，人物停止后，操作人員可以通過鼠標(biāo)右鍵及鼠標(biāo)中鍵，在自由視角控制下，查看電氣設(shè)備狀態(tài)，并記錄相應(yīng)巡檢信息。如圖10所示。自主漫游操作狀態(tài)下，操作人員雙擊場景內(nèi)電氣設(shè)備，彈出設(shè)備參數(shù)對話框，該對話框包括三個(gè)部分：設(shè)備參數(shù)、設(shè)備圖片、巡檢記錄。設(shè)備信息通過數(shù)據(jù)庫讀取，巡檢記錄寫入數(shù)據(jù)庫。如圖11所示，以變壓器為例。

結(jié)束語

本文主要介紹了基于Unity3D引擎設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的變電站三維漫游系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了變電站三維漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法，以及所實(shí)現(xiàn)的功能。本文為變電站操作人員提供了一個(gè)直觀的漫游系統(tǒng)，未來將通過完善系統(tǒng)功能、增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)、優(yōu)化系統(tǒng)速度等方面，使系統(tǒng)得到更好的完善。

作者：陳卓 閻光偉 單位：華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院