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基于移动平台变电设备增强现实系统
【摘 要】 结合传统的电力培训系统,基于增强现实技术的变电设备专业培训通过移动式头戴显示器将多种辅助信息显示给培训人员,能够弥补传统培训模式中培训场景费用过高、培训时间较长、培训地点多变不灵活的问题,发挥仿真培训低成本、高真实度的优势.结合增强现实仿真技术的变电设备培训将以更低的投资成本和更真实的培训环境条件帮助培训人员掌握相关的技术技能,保证电力系统和变电设备的安全和有效运行.
【关键词】 配网基建 现场作业 移动应用 风险管控
引言
近年来围绕中长期发展战略,直面创先进入深水区和攻坚期的挑战,构建先进管理体系,建设完善的电力培训系统,取得丰硕成果,但与国际先进电网企业相比,公司电力培训水平仍存在差距.由于电力系统的电力设备二十四小时都处于运行状态以维持整个系统的正常运行,所以对运行人员进行培训时,即使是合法的电器设备操作培训,也绝不可能随意的在实际运行的设备上操作.另一方面,由于电力事故影响大,损失重,电力系统运行时也是极力避免事故的发生,因此培训时决不允许故意制造事故来让运行人员进行观察和处理,所以运行人员极少有实际应对事故的经验.这与国外的虚拟培训有着一定的差距.引进增强现实培训有利于改进传统的培训方式,转变培训思维,推动电力培训新模式及变电设备培训的创新,促进公司培训发展战略的落地.
从本质上来说,电网业务繁多,未来的生产经营和管理需要稳定方便的电力培训系统,但现有一些仿真培训系统存在调整不方便,设备昂贵且巨大,无法随时更换培训内容及各设备之间没有关联等问题,这便导致企业在进行电力系统培训时的效果大打折扣,在现实生活中有着物理联系的变电设备到了虚拟世界中缺都是独立的.因此要以电网实际变电站变电设备为实际状况,运用移动式电力培训仿真系统,将各变电设备物物相连,充分显示各设备的培训信息和培训内容,增强物联网中各类变电设备的信息传感强度,实时采集任何需要培训、连接、互动的设备或培训过程等需要的信息,与培训平台形成一个巨大的培训网络,从而快速便捷地打造整套一体化、现代化、智能化的电力企业级变电设备培训平台.
一、增强现实技术的国内外研究现状
增强现实技术是近几年在虚拟现实技术的基础上逐渐发展起来的新技术.国外最早由北卡大学罗纳德阿祖玛[1] 提出的增强现实定义, 之后出现一套成熟的开发工具ARToolKit进行标志物的识别,但只能进行单视点的位置和方向跟踪,跟踪的范围也会受到标识物复杂程度的影响[2], 近年来出现几家国外研究公司给出的Vuforia 和Unity 3D 开发引擎,其标识物具有不受复杂度影响,对标识物采用特征点检测的方式,跟踪效果好.Annette Mossel 等人后来提出了两个新的直观的六自由度的操作技术3DTouch 和HOMER-S, 该技术提供六个自由度并且从屏幕的输入解耦,以克服物理的限制.[3] 如今,有多家公司提出了各种类型设备的电力系统仿真技术,如加拿大Manitoba 直流研究中心的EMTDC、加拿大哥伦比亚大学的MicroTran 和德国西门子的NETOMAC,都具有与电力系统仿真技术相似的软件功能,电力系统数字仿真主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能.[4]
国内采用该技术的研究团队或个人较少,复旦大学数字医学研究中心主任宋志坚教授及其团队于2013 年中国国际工业博览会上,展出了增强现实神经导航系统,能够引导医生实现对肿瘤的精确手术.[5] 在电力行业,部分企业提出了增强现实的电力解决方案.由于高压电气设备的操作培训是基于实物进行的,导致一定的危险性存在,且无法记录操作者的每一步操作是否都符合规范,交互式增强现实操作技术可以建立虚拟的电气设备和各种仪表,操作者可以交互地选择不同的仪表来,通过动态连线来进行各类试验,前台的虚拟仿真将操作者的连接反馈给后台的电路计算仿真,计算结果数据实时传输到前台,前台根据计算结果显示操作者的操作应该引起的结果,包括指针仪表、数字式仪表等仪表显示数据、由于电流电压过大导致的过热、电火花等现象,从而实现高压试验的实时交互式操作模拟.在其他电力行业暂无人研究.
二、变电设备增强现实系统研究内容
2.1 主要研究点
2.1.1 变电站关键设备建模
虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、行为模型的建立由跨平台的综合型Unity 3D 引擎完成,该引擎采用光映射和模型组建效果,可以向虚拟设备中添加太阳光、雾效、水、油、等物理材质和环境音效以及动画视频,更真实的展现关键变电设备的真实性,与现实的变电设备的关键外部特征相吻合.
2.1.2 变电AR 培训APP 的设计与开发
变电站关键设备模型将通过增强现实技术利用APP 应用呈现在标签之上.移动设备通过输入数据流模块、数据库数据流模块、追踪定位匹配数据流模块、渲染数据流模块,获取当前现实世界的真实场景中的每一帧图像,然后通过像素格式转换,实时与应用程序相对应数据库里面的标识物进行匹配,一旦完成匹配,就在真实场景中叠加一个事先设定好的虚拟对象,如变电站关键设备的模型,学员则可以通过简单的旋转放大缩小等操作浏览和学习该模型.
2.2 技术路线
复杂的模型依赖于现实世界中的具体物体,其电设备的模型会比较复杂,这与工业上的模型相类似,该APP 将对拍摄的物体进行模型的生成,在拍摄物体下叠加了三个虚拟按钮,通过点击不同的按钮可以分别了解到对应的消息,将搭建的模型通过AR 计算程序得到物体在真实场景中的坐标位置,该物体就以真实场景的实际位置为中心做旋转运动.同时在自动导览的实时处理过程中,移动终端对标识物的检测效果与两个因素有关：真实环境下的光照条件和标识物的遮挡情况,光照条件越好,增强现实的特性就越佳,标识物越清晰,越没有遮挡的情况,模型对应真实物体的位置就会越准确,这种方法对光照变化和遮挡都具有良好的鲁棒性,使用灵活,在移动设备连续移动的过程中依然可以快速切换增强现实效果.
在Unity3D 中最重要的就是GameObject,类似于一个容器的东西,该容器可以为空也可以容纳不同的东西,这些容器最主要用来组成一个带有光照贴图的3D 物体或者虚拟场景,这就就被称之为组建,每个组建都是一个物体的行为和核心,类似于每个物体的功能模块,代表了这个物体功能模块能做什么.根据用户所创建的物体的不同,可以添加不同的组建到场景中.同时,相机可以捕获并为用户显示世界的设备.通过设置和操纵相机,可以真实反映应用的场景.同时在一个场景中可以有无限多个相机,他们又可以被设置为任意的渲染顺序、任意的渲染位置或者其他的一些特定的场景.该APP 应用场景搭建的具体流程是,在Hierarchy 面板中添加一个增强现实相机ARCamera,然后将标识物和3D 模型导入进来,在Scene 面板中调整其位置和视角,确保都在ARCamera 的视角下.然后利用虚拟相机将现实世界和虚拟物体进行叠加,并根据适当需要调整模型在三维空间的角度.
2.3 功能模块设计
该系统以在移动端展现变电设备增强现实功能为主,此外外还包含许多其他功能设计,本文仅阐明增强现实功能模块.
三维变电设备模型需要以图纸设定构筑为基准,前往变电站现场调查变电设备实际的大小尺寸,现场设备均有铭牌显示该设备的型号、出厂时间、使用情况等信息.变电设备模型在构建过程中按照模型设计和建造的流程进行,在基础模型架构的基础上进行二次的渲染和调色以期符合实际情况.
变电设备增强现实模块主要提供包括设备标识识别、设备模型展示以及设备相关信息的功能.设备标识识别,通过移动端摄像头扫描识别在沙盘上的设备专用标识,扫描后进行识别得出数据库中对应的变电设备.设备模型展示,在识别完设备标识后展示出对应的设备模型,该模型可以旋转放大伸缩.
三、应用效果
基于移动平台变电设备增强现实系统紧紧围绕着培训人员及授课人员的职责进行建设,通过增强现实技术手段还原变电站现场变电设备,节省大量的硬件成本和场景场地建设成本,解决培训过程中各种环境条件的限制和要求,将以往单一的现场培训模式向多样化、多角度、多层次培训模式转变,通过三维模型的形式吸引培训人员的兴趣,实现培训人员随时随地借助移动端设备学习变电设备的安全实际操作,提高培训的实际效果和培训人员的安全防范意识,为电网正常运行提供保障,使得现场作业规范进行,提升施工质量与效率,满足社会的用电需求.
四、 结语
增强现实技术将虚拟世界与现实世界结合起来,为电力行业的培训提供了更丰富的呈现方式,增强了学习的交互性与参与感,使知识、信息能够更有效地被培训人员接受和吸收,正在成为信息技术电力培训应用新的热点.本系统结合变电站现场的变电设备实际情况进行设计和开发,减少了培训人员的学习难度,提高了学习兴趣和效率,为电网安全运行提供了有效的保证,最终达到提升企业形象,助力电网业务造福百姓的目的.
参 考 文 献
[1]Azuma R T. A survey of augmented reality[M]. MIT Press, 1997.
[2] 李泽朋. 基于ARToolKit 的增强现实应用平台的研究与实现[D]. 中国海洋大学, 2013.
[3] 罗永东, 张淑军. 一种基于Unity3D 的移动增强现实自动导览方法[J]. 计算机与数字工程,2015(11):2024-2028.
[4] 汤涌. 电力系统数字仿真技术的现状与发展[J]. 电力系统自动化, 2002, 26(17):66-70.
[5] 李舫, 宋志坚. HMD 式光学穿透技术在医学增强现实中的研究进展[J]. 中国数字医学,2012, 07(1):14-20.
增强现实论文范文结:
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