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变电站三维漫游系统设计研究

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为保证变电站系统的安全稳定运行,就要首先保证变电站中的各个基础电气设备是否能正常运行,所以变电站日常巡检操作一直是变电站运行的一个重要环节。并且近年来电网规模不断扩大,如果变电站中基础设施出现事故会对变电站安全运行造成较大影响,所以变电站的日常巡检操作的正确执行对变电站安全稳定运行是十分重要的。因此,必须对变电站的日常巡视工作加以重视。变电站三维漫游系统能够更好的模拟变电站的日常巡视操作,让操作人员能够方便快捷的学习认知变电站日常巡检的操作重点。本文主要致力于设计与实现变电站三维漫游系统,主要对变电站的日常巡检操作进行模拟仿真。本文以VS2017为开发平台,采用3DSMAX三维建模工具、Unity3D可视化游戏引擎以及数据库技术设计开发变电站三维漫游系统。系统主要实现了变电站电气设备、变电站周边环境、人物三维模型的创建,以及变电站日常巡检操作的模拟。变电站三维漫游系统的功能设计变电站三维漫游系统的设计主要分为五部分,包括三维模型的创建,人物骨骼动画制作,漫游系统的设计,数据库设计以及界面系统的实现。三维模型的创建主要包括变电站中一、二次设备的创建和人物模型的创建,动画制作主要为人物骨骼动画设计,漫游系统设计主要包括对各电气设备巡检及人物漫游,系统界面及数据库的设计。变电站三维漫游系统的主要功能结构设计如图1所示。

系统的具体设计及实现

3D建模

系统设备建模使用3DSMAX建模工具,变电站三维模型是变电站三维漫游系统最为基础的资源,本文三维场景结构主要内容如图2所示。使用3DSMAX三维建模软件,其建立复杂物体时具有非常独特的优势,可以较精准的创建出三维模型,通过材质贴图使模型更加精细,更加真实。使用三维建模软件,严格按照变电站场景的真实尺寸进行创建。利用搜集到的资料,包括变电站设备的真实尺寸、设备设计图、真实设备图片等信息进行建模;用Photoshop对素材进行处理,将处理后的素材作为模型的贴图或材质。最终导出FBX格式文件。变电站中的一、二次电气设备外形相对复杂,特殊形状较多,采用分块建模的方法,使用3DSMAX软件中的挤出、放样等方法制作,最终把零散的模块打组成一个完整的模型。以变压器为例,如图3所示。对于变电中的综合场景模型,更偏重对模型材质的处理,以此达到更逼真的效果。例如,变电站中周边环境树木的建立,采用材质贴图的方法,制作轻易且方法简单。变电站完整模型如图4所示。人物模型建模较为复杂,要将整个人物作为一个统一的整体,并控制建模的精度,所以选择采用多边形建模。建模完成后,使用Photoshop绘制贴图,赋予人物。然后对人物模型进行骨骼动画的设计,用来模拟人物行走等操作。主要过程如图5所示。

漫游系统的设计与实现

变电站三维漫游功能所仿真的是变电站的基本的巡检功能,在变电站的场景漫游中,操作人员可以从任意角度观察变电站内的所有一次高压设备、二次测量保护设备以及变电站的整体环境。在漫游系统中,操作人员可以自由转换视角、操作设备并进行设备资料的学习。

漫游巡视

漫游巡视是系统交互的重要功能,Unity3D主要采用人物寻路及视角控制的方法实现人物漫游,漫游操作主要由三个参数控制,包括视点、观察点以及向上方向。如图6所示,视点为人的眼睛,观察者的位置也就是视点的位置;观察点是人眼睛所看的物体的位置;向上方式指的是头的朝向,它决定了观察物体的方式。变电站的巡视工作主要目的是查看设备的运行状态、运行情况,以便及时发现设备的潜在隐患。巡视主要包括正常巡视、定期巡视、全面巡视以及特殊巡视。本文主要研究220kV变电站的正常巡视,实现其漫游功能。正常巡视内容主要包括设备是否完好无损,声音是否正常;变压器油,油色,油温,油位是否正常及有无泄漏,外壳接地是否良好,各类标志是否齐全等。

人物视角控制

变电站三维漫游中虚拟人物的视角控制是三维仿真技术实现中的重要环节。本文主要实现了自由视角控制以及第三人称视角控制,对于不同方式的漫游采用不同视角控制,增强了变电站三维漫游仿真的灵活性。自由视角控制和第三人称视角控制的主要区别如表1所示。

自动寻径

系统中的路径探索需要快速准确计算出一条较好的自动绕过障碍物的最短路径,使人物从A点到达B点。本文主要采用NAV导航网格寻路算法。这种算法是把地图划分成多个凸多边形,基于A*算法遍历查找最短路径。A*路点寻路是将地图划分为规则的等大的区域网格,而NAV导航网格对地图的预处理以及地图发生变化时的处理都更加复杂,主要是将地图上的可达区域按照一定的算法划分成多个三角形区域,使用A*算法找到路径经过的三角形,对已经连接好的三角形路线进行拐角点判断,从起点开始逐个连接这些拐角点,直到连接到终点,得到最终路线。

数据库设计

本系统使用MySQL关系型数据库与Unity3D结合,实现系统功能。本系统中,数据库表的设计主要包括设备信息表、漫游信息表、巡检路径信息表等,表与表之间是相互关联的关系。执行漫游功能时,系统调用数据库中的信息,显示在相应位置,也记录相应信息,写入数据库。以漫游信息表为例,如表2所示。

界面系统及功能实现

系统UI实现采用NGUI插件对系统界面进行设计与实现,NGUI插件功能完整,效率高、性能好,相对Unity3D自带的GUI框架有很多优势。根据系统的功能设计以及实际需求,主要完成了以下功能。系统开始界面,首先打开系统,进入的是开始界面,点击开始按钮进入系统,点击退出按钮关闭系统,如图7所示。点击进入按钮进入系统加载页面,由于变电站场景模型相对较大,加载需要一段时间,所以加载页面用来过度进入系统场景,使该过程更加流程。加载页面如图8所示。进入系统后,为漫游系统的主操作界面,主操作界面主要分为四个区域,中心区域为三维仿真操作场景,两侧为辅助操作区域,左上角为设备巡检方式按钮,左下角为工具栏区域,右上角为小地图显示,实时显示虚拟人物位置。当左上角复选框被勾选时,为路径漫游状态,人物从当前位置开始执行巡检漫游任务,按照规定路线对变电站设备进行巡检,并记录相关信息。该场景下默认选择第三人称视角。如图9所示。当左上角复选框未勾选时,为自主漫游状态,操作人员可以根据实际情况,自由进行巡检漫游任务。可以通过键盘‘W’、‘A’、‘S’、‘D’键控制人物移动,也可以通过鼠标左键,点击地面,控制人物移动,也可以点击界面下方标有电气名称的按钮,人物即可自动寻路到相应电气设备,人物停止后,操作人员可以通过鼠标右键及鼠标中键,在自由视角控制下,查看电气设备状态,并记录相应巡检信息。如图10所示。自主漫游操作状态下,操作人员双击场景内电气设备,弹出设备参数对话框,该对话框包括三个部分:设备参数、设备图片、巡检记录。设备信息通过数据库读取,巡检记录写入数据库。如图11所示,以变压器为例。

结束语

本文主要介绍了基于Unity3D引擎设计实现的变电站三维漫游系统,重点介绍了变电站三维漫游系统的设计思路与方法,以及所实现的功能。本文为变电站操作人员提供了一个直观的漫游系统,未来将通过完善系统功能、增加系统数据、优化系统速度等方面,使系统得到更好的完善。

作者:陈卓 阎光伟 单位:华北电力大学控制与计算机工程学院

变电站三维漫游系统设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次