CN110765528A - 一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，该方法基于多源建模的变电站毫米级三维重构和GIS三维模型与设备属性的数据关联进行管理，通过对变电站整体进行三维扫描以获得整体结构，然后通过对GIS设备细节扫描获取三维点云数据结构和电气设备的三维形态特征，接着对设备的纹理进行影像采集，最后全景影像获取难以扫描区域设备的结构及纹理，用于后期设备结构识别，通过获得GIS设备信息进行仿真建模，并且通过系统数据接口与对应的传感器数据进行信息关联，实现在系统中选取模型即可对相应传感器信息进行可视化显示、操作，极大地方便了对于变电站等场所的设备管理工作。

Description

一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法

技术领域

本发明属于三维建模和仿真技术，涉及变电站的管理，具体涉及一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法。

背景技术

电网公司通过自动化设施对变电站GIS设备进行日常操作与监视，极大提高了变电站的安全运行管理水平，但相关系统的信息展示仍然以二维展示为主，存在信息不全面、展示不直观等问题。目前变电站三维建模的方法主要有VRML建模法、几何造型建模法、基于点云数据的建模方法等，多用于培训教育之中，但培训教育中的可视化功能和信息以操作讲解和教学示例为目的，不能满足变电站运行管理的要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提出一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，为直观可靠地完成GIS设备的在线监测工作提供基础。

技术方案：一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，包括三维建模和设备数属性数据可视化，所述三维建模为基于多源建模的变电站毫米级三维重构，所述设备属性数据可视化将GIS三维模型与设备属性数据进行关联管理，将电气设备模型构件通过系统数据接口与对应的GIS设备监测传感器数据进行信息关联，在系统中通过电气设备模型对相应传感器数据进行可视化显示。

进一步的，所述的三维建模包括整体结构扫描、设备细节扫描、设备纹理采集和全景影像采集，步骤如下：

(1)对变电站整体结构进行三维扫描，包括变电站的电气设备和站内建筑结构，得到变电站的位置及整体形态数据；

(2)选取参照点对电气设备细节扫描，获取设备细部结构点云数据，包括电气设备的传感器和可视化部件；

(3)根据三维整体模型对电气设备的局部精细化模型数据进行拍摄，包括电气设备的纹理数据和需要监控管理的仪表影像数据；

(4)全景影像采集，获取电气设备表面的所有可见区域，包括获取电气设备投影区域，及其电气设备的顶部和底部区域的结构和纹理；

(5)构建变电站的三维仿真模型，对变电站三维数据采集后，对获取的点云数据和影像数据进行高斯去噪处理，导入unity三维引擎，将整体结构数据、局部数据进行渲染合成；

(6)建立运检设备状态监测系统，包括变电站设备还原、GIS内部结构构建、传感器属性关联和故障可视化分析单元。

进一步的，步骤(2)所述电气设备包含传感器、仪表、套管和铭牌，通过FARO FocusX130静态扫描仪对设备进行静态扫描，获取设备细部结构点云数据及影像数据，选择绝缘子或电气设备的轮廓角点作为参照点，两幅重叠扫描中包含四个反射参照点。

进一步的，步骤(3)通过单反相机对设备的纹理进行影像采集，获取电气设备的三维形态特征，所述的纹理是通过数码影像转换而成，首先对采集的数码影像进行色彩调整、畸变消除、色彩均衡预处理，再采取灰度共生矩阵算法与人工干预相结合的半自动化方式来保证纹理效果的精度，从而获得带纹理模型。

进一步的，步骤(5)构建变电站的三维仿模型，对获取的点云数据和影像数据进行预处理，通过过滤算法剔除原始点云数据中的错误点和含有误差的点,并对点云数据进行识别分类和几何修正，对模型制作需要使用的点云数据、图像数据、设计图纸，以设备为单位进行匹配、调整，最后导入Unity3D三维引擎，在三维引擎中赋予模型材质与光影信息，对模型场景进行渲染合成。

进一步的，步骤(6)建立运检设备状态监测系统，通过数据接口与重构的传感器进行信息关联，通过不同设备上方浮动的可视化标签，对获取的实时数据进行可视化显示，标签可设置最优先的数据并优先显示，采用传感器数据绿色表示正常、红色表示预警的方式进行故障预警提示。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的方法应用三维建模技术将变电站各设备与属性数据建立关联，在三维场景中可以更直观、清晰的显示设备之间空间关系，可直接查看设备实时及历史信息，能更高效的表示设备工作现场，为设备的巡检、维修等提供最新信息，让工作人员快速、准确的确定故障位置以及故障现象，实现设备的智能监控。

附图说明

图1是本发明所述方法的三维建模流程示意图；

图2是实施例的效果图。

具体实施方式

为详细说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。

本发明所提供的是一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，该方法基于多源建模的变电站毫米级三维重构技术和GIS三维模型与设备属性的数据关联方法。基于虚拟仿真技术的变电站GIS设备管理方法通过三维重构技术构建三维模型，关联传感器采集的设备真实信息，从而更直观、高效地为设备巡检、维修提供详细准确信息。如图1所示，通过专业相机从变电站整体结构、设备细节、设备纹理和全景影像四个方面进行相关数据扫描采集。采用对变电站进行三维扫描还原+电气设备资料进行多源建模的方式，对变电站的一次设备进行高精度三维模型制作，通过移动扫描技术、变电站数字复原技术、模型数字优化技术的应用，并通过数据优化以及人工去除等工作来保证变电站三维场景还原的真实度，最后将模型导入三维引擎，赋予模型材质与光影信息，对模型场景完成渲染合成、特效动画等工作。

进一步的说，在三维模型基础上，通过设备资料完成对GIS设备内部结构的三维构建，对变电站关键设备通过传感器采集数据进行属性关联，在某设备发生故障时，能够从传感器数据层面及模型的状态层面直观展示、定位。本GIS设备管理方法主要有真实设备的三维模型制作和设备属性数据可视化两个部分。变电站三维数据采集工作是对变电站进行三维还原的基础工作，包含：整体结构扫描、设备细节扫描、设备纹理采集、全景影像采集四个内容。

一、三维模型制作

1.使用移动扫描设备对变电站整体进行三维扫描，包含：电气设备、建筑、围栏等，整体扫描完成后可以确定变电站设备的空间位置及整体形态。

进行整体结构扫描时，首先需要使用无人机从俯视角度对变电站进行全景信息采集，然后沿着变电站出入道路对两边设备进行影像信息、点云的发射密度值及位置信息采集。在行走采集过程中，注意保持好行进速度保持匀速30-40cm/s，初始仰角定位15°。之后需对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点，对扫描获取的图像进行人为几何纠正。得到的变电站整体点云数据。

2.设备细节扫描

变电站电气设备包含传感器、仪表、套管、铭牌等细部结构，局部细节较多，为满足设备三维可视化精细表现的需要，需要使用FARO Focus X130静态扫描仪对距离电气设备2m距离进行4个方位近距离扫描，获取设备细部结构点云数据及影像数据，保证获取的设备三维点云数据结构完整、清晰。在进行图像拼接时，选择绝缘子或电气设备的轮廓角点作为参照点，两幅重叠扫描中包含四个反射参照点。

3.设备纹理采集

通过单反相机对设备的纹理进行影像采集，按照先整体在局部精细拍摄的顺序进行影像拍摄，纹理与几何模型相匹配，尺寸为2的n次幂。在获取仪表盘、铭牌的数字影像时，需可展示表盘的档位信息和铭牌的最小字符。之后，需对采集的数码影像进行色彩调整、畸变消除、色彩均衡等预处理，再采取灰度共生矩阵算法与人工干预相结合的半自动化方式来保证纹理效果的精度，获得带纹理模型，保证三维模型的外观真实性。

4.全景影像采集

对设备中难以扫描区域的点云和纹理数据，如设备的顶部和底部形状，以及通过设计图纸信息1：1比例重构GIS设备的内部结构形状大小，并以红色、绿色、黄色进行着色及结构区分，用于后期优化电气设备故障分析和识别电气设备结构。

在完成对变电站三维数据采集后，对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点,并对点云进行识别分类和几何修正。最后，对模型制作需要使用的点云数据、图像数据、设计图纸，以设备为单位人为进行统一匹配、调整，避免不同类型数据的信息冲突等问题。最后导入Unity3D三维引擎，在三维引擎中赋予模型材质与光影信息，对模型场景进行渲染合成、特效动画如GIS设备拆解等工作，使三维模型场景的效果更佳逼真。模型整体采用多源数据建模的方式，利用不同数据的优势，满足对模型精细度毫米级的需求，同时结合数字优化技术进行可进一步优化数据大小。

二、设备状态监测系统

设备状态监测系统利用精细的变电站三维模型关联变电站的监测数据，在三维模型上进行设备的状态展示与故障预警分析，从而实现变电站的状态监控，对故障问题结合三维模型进行远距离精准分析。

将电气设备模型构件，通过系统数据接口与对应的传感器数据进行信息关联，实现在系统中选取模型即可对相应传感器信息进行可视化显示作。系统通过不同设备上方浮动的可视化标签，对获取的实时数据进行可视化显示，标签可设置最优先的数据并优先显示。对设备的预警则采用绿色正常、红色预警的方式进行故障预警提示。主要监测内容有局部放电监控、SF6气体密度监测、断路器动作复原和GIS设备拆解，具体有如下几种管理方式：

(1)局部放电监控，构建局部放电监控标签，根据局部放电监测模型监测设备状态，在正常状态时标签为绿色，发生放电故障时颜色变为红色。

(2)SF6气体密度监测，将虚构的气压监测传感设备关联数据库中的SF6气体压力采集数据，实时展示GIS设备内的SF6气体压力，设定阈值，在低于阈值时进行设备变红预警。

(3)断路器动作复原，在断路器开关工作出现故障时，可通过虚拟断路器模型模仿断路器的故障动作，还原故障场景，辅助专业人员问题分析。

(4)GIS设备内部结构拆解，对GIS设置拆解功能，实现对GIS内部部件结构及形状大小的展示，并可选择内部部件进行拖动、旋转，为GIS设备故障分析提供直观参考。

Claims (6)

1.一种基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：包括三维建模和设备数属性数据可视化，所述三维建模为基于多源建模的变电站毫米级三维重构，所述设备属性数据可视化将GIS三维模型与设备属性数据进行关联管理，将电气设备模型构件通过系统数据接口与对应的GIS设备监测传感器数据进行信息关联，在系统中通过电气设备模型对相应传感器数据进行可视化显示。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：所述的三维建模包括整体结构扫描、设备细节扫描、设备纹理采集和全景影像采集，步骤如下：

(1)对变电站整体结构进行三维扫描，包括变电站的电气设备和站内建筑结构，得到变电站的位置及整体形态数据；

(2)选取参照点对电气设备细节扫描，获取设备细部结构点云数据，包括电气设备的传感器和可视化部件；

(3)根据三维整体模型对电气设备的局部精细化模型数据进行拍摄，包括电气设备的纹理数据和需要监控管理的仪表影像数据；

(4)全景影像采集，获取电气设备表面的所有可见区域，包括获取电气设备投影区域，及其电气设备的顶部和底部区域的结构和纹理；

(5)构建变电站的三维仿真模型，对变电站三维数据采集后，对获取的点云数据和影像数据进行高斯去噪处理，导入unity三维引擎，将整体结构数据、局部数据进行渲染合成；

(6)建立运检设备状态监测系统，包括变电站设备还原、GIS内部结构构建、传感器属性关联和故障可视化分析单元。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：步骤(2)所述电气设备包含传感器、仪表、套管和铭牌，通过FARO Focus X130静态扫描仪对设备进行静态扫描，获取设备细部结构点云数据及影像数据，选择绝缘子或电气设备的轮廓角点作为参照点，两幅重叠扫描中包含四个反射参照点。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：步骤(3)通过单反相机对设备的纹理进行影像采集，获取电气设备的三维形态特征，所述的纹理是通过数码影像转换而成，首先对采集的数码影像进行色彩调整、畸变消除、色彩均衡预处理，再采取灰度共生矩阵算法与人工干预相结合的半自动化方式来保证纹理效果的精度，从而获得带纹理模型。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：步骤(5)构建变电站的三维仿模型，对获取的点云数据和影像数据进行预处理，通过过滤算法剔除原始点云数据中的错误点和含有误差的点,并对点云数据进行识别分类和几何修正，对模型制作需要使用的点云数据、图像数据、设计图纸，以设备为单位进行匹配、调整，最后导入Unity3D三维引擎，在三维引擎中赋予模型材质与光影信息，对模型场景进行渲染合成。

6.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真技术的三维重构变电站实现方法，其特征在于：步骤(6)建立运检设备状态监测系统，通过数据接口与重构的传感器进行信息关联，通过不同设备上方浮动的可视化标签，对获取的实时数据进行可视化显示，标签可设置最优先的数据并优先显示，采用传感器数据绿色表示正常、红色表示预警的方式进行故障预警提示。

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