CN109559381B - 一种基于ar空间测量技术的变电站验收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，首先导入变电站电气设备三维数字化模型参数；接着进行变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示：利用AR增强现实技术，通过对变电站电气设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型，实现变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示，其目的是实现真实世界与BIM三维数字化模型的人机互动；最后实现交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。本发明能够达到节省大量的人工测量，保证验收质量，提高变电工程验收智能化水平等目的。

Description

一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法。

背景技术

目前，变电站验收过程中需要对实际建筑物及变电站设备进行安装尺寸及位置的测量。其中变电站验收现场的复杂性包括：

1、设备复杂性：变电站现场设备种类多、数量多；

2、空间复杂性：变电站现场空间复杂；

3、光照复杂性：变电站现场为露天场景，光照阴影复杂多变；

4、任务复杂性：变电站竣工验收任务量大且人工核实繁琐。

现行做法的缺点是：由于变电站系统设备诸多，室内外空间结构复杂，采用单一的人工测量，会耗用大量的人力和时间。人工测量过程中，需要借助各种测量工具，大多为传统接触式方式，对于尺寸较大的物体需要搭设人字梯等，带来了人员跌落风险，而且测量过程极为不易。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，使用一种AR空间测量方法，智能比较变电站实物与设计方案的差异，得出工程验收结果，达到节省大量的人工测量，保证验收质量，提高变电工程验收智能化水平等目的。

本发明采用以下方案实现：一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：导入变电站电气设备三维数字化模型参数；

步骤S2：进行变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示：利用AR增强现实技术，通过对变电站电气设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型，实现变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示，其目的是实现真实世界与BIM三维数字化模型的人机互动；

步骤S3：实现交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：借助多边形模型处理软件将变电站主要电气设备的BIM三维数字化模型转化为可编辑的多边形对象；

步骤S12：通过对该多边形对象的各子对象进行包括参数校对、特征优化、网格处理、属性赋予、外观渲染、以及杂项过滤在内的操作，完成变电站主要电气设备的标准化处理，使得AR增强现实应用引擎能够准确地访问变电站主要电气设备BIM三维数字化模型的详细参数。

进一步地，步骤S2中，所述在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型具体为让观察者在实物模型和三维数字模型之间保持视觉一致性；其中所述视觉一致性包括：运动一致性、环境一致性、以及光照一致性；

所述运动一致性具体为：当观察者在真实场景中运动时，三维数字模型中虚拟电气设备相对应于真实场景作一致的运动；

所述环境一致性具体为：无论观察者相对于实物模型静止还是运动，真实场景中真实物体和虚拟场景中虚拟物体保持透视关系一致；

所述光照一致性具体为：AR场景中变电站主要电气设备三维数字化模型的光照效果，与其所处的真实物理环境保存一致；即，三维数字化模型表面具有真实感的光照效果。

进一步地，步骤S3具体为：在AR智能移动终端上，通过一定比例的窗口叠加显示三维数字化模型，在三维数字化模型中交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，通过3D可视化图形界面的向竣工验收人员提供相应设备的包括尺寸、关键检查点在内的参考信息；此外，在AR场景中，AR增强现实应用引擎动态标记关键检查点标签，并以AR的形式和场景融合叠加，验收人员能直观地了解实物模型的关键检查点位置。

进一步地，步骤S3中还包括实现对变电站电气设备的安放位置的测量、实现对变电站电气设备的安全距离的测量、以及实现与设计方案的校对功能；

所述实现对变电站电气设备的安放位置的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安放位置的测量；

所述实现对变电站电气设备的安全距离的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安全距离的测量；其中所述安全距离为带电部位与构筑物的边沿距离；

所述实现与设计方案的校对功能具体为：借助AR智能移动终端，完成变电站主要电气设备安放位置、安全距离的测量后，通过软件将竣工验收的实测检查项与三维设计模型基准参数进行差异化评估，通过数据列表的形式将所有偏差项进行显示，AR智能终端还能将有偏差的验收项目在AR场景中标记出来，并高亮显示异常信息。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明将BIM变电站三维设计CAD模型作为工程验收基准数据，并借助基于AR(增强现实)空间测量技术的变电站验收方法，将变电站实物与变电站三维数字化设计方案融合显示，实现变电站实物与工程设计方案的自动精准核对，查找、显示偏差、误差点。达到节省大量的人工测量，保证验收质量，提高变电工程验收智能化水平等目的。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的变电站电气设备三维数字化模型参数导入流程图。

图3为本发明实施例的AR交互式地标记关键检查点示意图(选取主变为例)。

图4为本发明实施例的对变电站电气设备的安放位置的测量示意图(选取主变为例)。

图5为本发明实施例的实现对变电站电气设备的安全距离的测量示意图(选取主变为例)。

图6为本发明实施例的与设计方案的验收结果及异常项高亮显示示意图(选取主变为例)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：导入变电站电气设备三维数字化模型参数；

步骤S2：进行变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示：利用AR增强现实技术，通过对变电站电气设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型，实现变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示，其目的是实现真实世界与BIM三维数字化模型的人机互动；

步骤S3：实现交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。

在本实施例中，步骤S1中，BIM三维数字化模型参数承担基准信息数据库的重要作用，需要最大程度保留原BIM模型的参数完整，杜绝重复建模。BIM三维设计平台与AR增强现实应用引擎属于不同的系统平台，彼此平台间的数据传导必须借助标准化的三维数据。因此BIM三维数字化模型导入AR增强现实应用引擎导入前，必须完成数据的标准化处理。

如图2所示，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：借助Maya等多边形模型处理软件将变电站主要电气设备的BIM三维数字化模型转化为可编辑的多边形对象；

步骤S12：通过对该多边形对象的各子对象进行包括参数校对、特征优化、网格处理、属性赋予、外观渲染、以及杂项过滤在内的操作，完成变电站主要电气设备的标准化处理，使得AR增强现实应用引擎能够准确地访问变电站主要电气设备BIM三维数字化模型的详细参数。

其中，对于变电站电气设备的可编辑多边形对象，它包含了Vertex(节点)、Edge(边界)、Border(边界环)、Polygon(多边形面)、Element(元素)5种子对象模式，与可编辑网格相比，可编辑多边形显示了更大的优越性，即变电站电气设备的多边形对象的面不只可以是三角形面和四边形面，而且可以是具有任何多个节点的多边形面。这个过程，实现了BIM三维数字化模型向标准Polygon模型转换。

完成了变电站电气设备三维数字化模型标准化转换后，BIM三维数字化模型和AR增强现实应用引擎间的数据链已打通。AR增强现实应用引擎可以准确地访问变电站主要电气设备BIM三维数字化模型的详细参数，为后续AR技术工程验收探索相关运用的功能实现打下数据基础。

在本实施例中，步骤S2中，所述在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型具体为让观察者在实物模型和三维数字模型之间保持视觉一致性；其中所述视觉一致性包括：运动一致性、环境一致性、以及光照一致性；

所述运动一致性具体为：当观察者在真实场景中运动时，三维数字模型中虚拟电气设备相对应于真实场景作一致的运动；运动跟踪本质上就是相机姿态估计，涉及到的技术包括：特征识别(图像分割、模版匹配、色彩过滤、顶点提取、直线拟合、边缘检测、区域提取、图案识别)，标志注册(相机标定、标志的三维注册)，跟踪定位(观察位置和方向的传感和处理、虚实配准)等。

所述环境一致性具体为：无论观察者相对于实物模型静止还是运动，真实场景中真实物体和虚拟场景中虚拟物体保持透视关系一致；通过水平面检测，对环境进行感知，解决AR的环境一致性问题。至于平面检测，就是在获得一定数量的3D特征点后，尝试在这些点中安装一些平面，然后根据尺度、方向和位置找出最匹配的平面，AR增强现实应用引擎会不断分析3D特征点并在代码中报告找到的平面。

所述光照一致性具体为：AR场景中变电站主要电气设备三维数字化模型的光照效果，与其所处的真实物理环境保存一致；即，三维数字化模型表面具有真实感的光照效果。当光照射到三维数字化模型表面时，三维数字化模型对光会发生反射(镜面反射和漫反射)、透射、吸收、衍射、折射和干涉等一系列作用。光照一致性要求真实光源对三维数字化模型表面产生了明暗阴影、反射高光、遮挡景深等光照效果。光照一致性涉及到的技术途径有：真实光照检测、真实场景事先建模、光照预计估计、虚拟场景二次光照处理等。在实际应用开发中，常常简化光照模型，设置虚拟灯光(环境光、点光源)来模拟实际场景灯光，通过降低计算复杂性完成虚拟场景的实时渲染，从而实现阴影、高光、遮挡等光照效果。通过对环境光源感知，解决了AR的光照一致性问题。

交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点功能的实现，必须建立在电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示的基础上。解决了AR运动一致性、环境一致性、光照一致性后，变电站主要电气设备实物模型与三维数字化模型之间建立了人机交互基础。通过AR增强现实应用引擎，实现3D标签的动态定位和显示。

如图3所示，在本实施例中，步骤S3具体为：在AR智能移动终端上，通过一定比例的窗口叠加显示三维数字化模型，在三维数字化模型中交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，通过3D可视化图形界面的向竣工验收人员提供相应设备的包括尺寸、关键检查点在内的参考信息；此外，在AR场景中，AR增强现实应用引擎动态标记关键检查点标签，并以AR的形式和场景融合叠加，验收人员能直观地了解实物模型的关键检查点位置。其中操作人员能够在AR智能移动终端上的软件内对三维数字化模型进行简便的缩放、旋转等操作。

特别的，在本实施例中，关于变电站主要电气设备工程验收技术算法研究如下。

选取变电站主要电气设备中的一种为例，研究相应算法，实现对变电站电气设备的安放位置、安全距离等的测量，实现与设计方案的校对功能。

变电站主要电气设备实物模型的尺寸计算都是基于空间两点间的距离构造出来的，利用AR增强现实应用引擎获取实物模型的测量点坐标，利用坐标可求出空间中两点间的距离，再通过几何构造实现实物模型尺寸(安放位置、安全距离)的计算。空间直角坐标系中，测点距离的计算方法如下：

设A(x1,y1,z1)和B(x2,y2,z2)是空间两点，过A和B各作三个分别垂直于坐标轴的平面，这六个平面围成一个以AB为对角线的长方体，它的三条棱长分别是|x₂-x₁|,|y₂-y₁|,|z₂-z₁|，由于A和B之间的距离d就是该长方体对角线AB的长度，且ΔANB和ΔAPN都是直角三角形，故由勾股定理得：

这就是空间两点间的距离公式。

特殊的，空间的点M(x，y，z)与原点O(0，0，0)之间的距离为：

在本实施例中，步骤S3中还包括实现对变电站电气设备的安放位置的测量、实现对变电站电气设备的安全距离的测量、以及实现与设计方案的校对功能；

所述实现对变电站电气设备的安放位置的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安放位置的测量；如图4所示，选取变电站主变实物模型为例，使用AR智能移动终端，对主变实物模型安放位置的关键点进行AR测量。系统会对用户进行实时指导，以帮助其完成主变实物模型的数学几何关系构建工作。AR移动终端快速获取图中C1/C2/C3/C4(主变冷却器地脚构成的平面)和D1/D2/D3/D4(主变冷却器房间地脚构成的地面)几何点坐标后，自动完成相关部件安放位置的计算。最后以AR交互的形式显示，并将测量结果存档。

所述实现对变电站电气设备的安全距离的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安全距离的测量；其中所述安全距离为带电部位与构筑物的边沿距离；如图5所示，选取变电站主变实物模型为例，使用AR智能移动终端，对主变实物模型带电部位的关键点进行AR测量。系统会对用户进行实时指导，以帮助其完成主变实物模型的数学几何关系构建工作。AR移动终端快速获取图中C1/C2(主变高压套管连线)和F1/F2/F3/F4(离主变高压套管连线最近的构筑物边沿所在平面)几何点坐标后，自动完成相关带电部件位置的计算。最后以AR交互的形式显示，并将测量结果存档。

所述实现与设计方案的校对功能具体为：借助AR智能移动终端，完成变电站主要电气设备安放位置、安全距离的测量后，通过软件将竣工验收的实测检查项与三维设计模型基准参数进行差异化评估，通过数据列表的形式将所有偏差项进行显示，AR智能终端还能将有偏差的验收项目在AR场景中标记出来，并高亮显示异常信息，如图6所示。

特别的，本实施例还提供了一种基于上文技术内容所涉及的移动终端APP开发。

登录界面的设计为：打开AR验收软件，用户可根据权限进行登录。

AR测量具体为：BIM三维设计模型显示在左上小视窗显示内(可点击缩放，视窗内的虚拟3D模型也可以旋转和缩放)，AR交互式的检查，协助验收工作。AR验收软件进行实物模型测量，并可自动将测量数据与标准数据作比较。若测量数据在标准范围内，用绿字表示；若数据不在标准范围内，则用红字表示。数据上传，测量后弹出窗口“是否上传数据？”，点击“否”不上传，点击“是”则上传当前测量数据到后台专家平台，上传成功后当前此检查点完成检查。

AR对照具体为：通过AR交互可将设计模型与现场设备叠加融合显示。不同颜色标签显示该设备各个检查项目的检查结果。显示详细的检查信息，如：检查项名称、测量人员、测量时间、标准数据、实测数据等。

数据存储：将变电站施工验收的详细数据及日志信息如：检查项名称、测量人员、测量时间、标准数据、实测数据等。记录在数据库中，方便数据管理及归档。

综上，本实施例包括以下特点：

1、本实施例包括变电站电气设备三维数字化模型参数导入。

BIM三维数字化模型参数承担基准信息数据库的重要作用，需要最大程度保留原BIM模型的参数完整，杜绝重复建模。实现了BIM三维数字化模型向标准Polygon模型转换。完成BIM三维数字化模型导入AR增强现实应用引擎。

2、本实施例包括变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示。

利用AR增强现实技术，通过对变电站电气设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型，实现变电站电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示，其目的是实现真实世界与BIM三维数字化模型的人机互动。

3、本实施例实现交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。

在电气设备三维数字化模型与实物模型的融合显示的基础上。解决了AR运动一致性、环境一致性、光照一致性后，变电站主要电气设备实物模型与三维数字化模型之间建立了人机交互基础。通过AR增强现实应用引擎，实现3D标签的动态显示、标记及计算。

4、本实施例实现对变电站电气设备的安放位置的测量。

在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位。通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安放位置的测量。

5、本实施例实现对变电站电气设备的安全距离的测量。

在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造模型关注点的几何方位。通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备的安全距离(以带电部位与构筑物的边沿距离)的测量。

6、本实施例实现与设计方案的校对功能。

借助AR智能移动终端，完成变电站主要电气设备安放位置、安全距离的测量后，软件会将竣工验收的实测检查项与三维设计模型基准参数进行一致性评估，通过数据列表显示所有偏差项，AR智能终端还将在AR场景中标记出不一致的验收项目，并高亮显示偏差信息。

本实施例基于一种AR(增强现实)空间测量方法，通过对现实世界采集到的真实物体图像信息进行实时计算，虚拟构造出准确的三维空间系统，可以快速准确地测量物体的空间位置、尺寸信息、周边距离等。此外，还能在现实世界真实场景适当的位置叠加显示适当的虚拟信息，将数字标尺信息与周围的环境融合，将应用程序超越屏幕，释放它们以全新的方式与现实世界进行交互。AR(增强现实)空间测量APP把相机、动作传感器以及图形处理器等硬件特性与深度感应、人造光渲染等精密算法结合在了一起。

本实施例这种AR(增强现实)空间测量方法，不需要接触物体即可测量物体的空间位置，可快速、准确地完成变电站工程实物的测量，该AR(增强现实)空间测量APP与三维设计BIM数据进行实时比较，实时分析出差异点反馈给现场验收人员。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：导入变电站电气设备三维数字化模型参数；

步骤S2：进行变电站电气设备三维数字化模型与变电站电气设备实物模型的融合显示：利用AR增强现实技术，通过对变电站电气设备实物模型进行实时计算，在变电站电气设备实物模型适当的位置叠加显示适当的变电站电气设备三维数字化模型，实现变电站电气设备三维数字化模型与变电站电气设备实物模型的融合显示；

步骤S2中，在变电站电气设备实物模型适当的位置叠加显示适当的变电站电气设备三维数字化模型具体为让变电站电气设备实物模型和变电站电气设备三维数字化模型之间保持视觉一致性；

步骤S3：实现交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息；

步骤S3具体为：在AR智能移动终端上，通过一定比例的窗口叠加显示变电站电气设备三维数字化模型，在变电站电气设备三维数字化模型中交互式地标记变电站电气设备三维数字化模型的关键检查点，通过3D可视化图形界面向竣工验收人员提供相应设备的参考信息，参考信息包括尺寸、关键检查点；在AR场景中，AR增强现实应用引擎动态标记关键检查点标签，并以AR的形式和场景叠加，使竣工验收人员了解变电站电气设备实物模型的关键检查点位置；

步骤S3中还包括实现对变电站电气设备实物模型的安放位置的测量、实现对变电站电气设备实物模型的安全距离的测量、以及实现与设计方案的校对功能；

所述实现对变电站电气设备实物模型的安放位置的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备实物模型的安放位置的测量；

所述实现对变电站电气设备实物模型的安全距离的测量具体为：在AR增强现实应用引擎中，根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位；通过开发相应的运算程序，以AR交互的形式完成对变电站电气设备实物模型的安全距离的测量；其中所述安全距离为带电部位与构筑物的边沿距离；

所述实现与设计方案的校对功能具体为：借助AR智能移动终端，完成变电站主要电气设备实物模型安放位置、安全距离的测量后，通过软件将竣工验收的实测检查项与三维设计模型基准参数进行差异化评估，通过数据列表的形式将所有偏差项进行显示，AR智能移动终端还将有偏差的验收项目在AR场景中标记出来，并高亮显示异常信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：借助多边形模型处理软件将变电站主要电气设备的BIM三维数字化模型转化为可编辑的多边形对象；

步骤S12：通过对该多边形对象的各子对象进行操作，操作包括参数校对、特征优化、网格处理、属性赋予、外观渲染、以及杂项过滤，完成变电站主要电气设备的BIM三维数字化模型标准化处理。

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