CN110928419A - 一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，采用VR沉浸式虚拟现实技术，通过交互人员佩戴相关设备，利用视觉原理对计算机内数据进行处理最后输出到VR头盔设备上，利用虚拟现实技术的高沉浸感和高交互性的特点，在三维虚拟引擎Unity3D引擎的基础上，融合GIS技术，虚拟现实VR交互技术等多种技术，融合了基础地理影像及DEM数据、电力工程三维模型等数据创建三维地理环境，变电站工程施工进行三维可视化、施工交底以及施工模拟，形成施工交底的动态流程和虚拟现场环境，建立施工交底的动态模型，建立了一套全交互的动态三维变电站环境，利用三维的变电站施工场景，提高施工交底的效率、准确度和质量。

Description

一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法

技术领域

本发明属于变电站施工的技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法。

背景技术

施工交底是变电站施工流程的必要而且关键一环，一般在两种情况下进行施工交底，即在分项工程施工前，由专业技术人员，向参与施工的人员进行技术交底，以及施工管理人员向施工参与人员进行质量及安全方面的安全交底；技术交底是由施工单位组织，在管理单位专业工程师的指导下，主要介绍施工中遇到的问题，和经常性犯错误的部位，要使施工人员明白该怎么做，规范上是如何规定的等；安全交底是施工负责人在生产作业前对直接生产作业人员进行的该作业的安全操作规程和注意事项的培训，并通过书面文件方式予以确认。

在建设项目中，分部(分项)工程在施工前，项目部应按批准的施工组织设计或专项安全技术措施方案，向有关人员进行安全技术交底；安全技术交底主要包括两个方面的内容：一是在施工方案的基础上按照施工的要求，对施工方案进行细化和补充；二是要将操作者的安全注意事项讲清楚，保证作业人员的人身安全。安全技术交底工作完毕后，所有参加交底的人员必须履行签字手续，施工负责人、生产班组、现场专职安全管理人员三方各留执一份，并纪录存档安全技术交底的作用。

现行的交底形式有以下几类：

1)施工组织设计交底可通过召集会议形式进行技术交底，并应形成会议纪要归档；

2)通过施工组织设计编制、审批，将技术交底内容纳入施工组织设计中。

3)施工方案可通过召集会议形式或现场授课形式进行技术交底，交底的内容可纳入施工方案中，也可单独形成交底方案。

4)各专业技术管理人员应通过书面形式配以现场口头讲授的方式进行技术交底，技术交底的内容应单独形成交底文件。交底内容应有交底的日期，有交底人、接收人签字，并经项目总工程师审批。

现行的施工交底方式，存在以下方面的问题：交底内容为文字材料，具有高度的抽象性，对于接受培训人员的具有较高的专业知识要求；交底形式为现场宣讲，不具有直观性。对于变电站施工，有很多信息是动态三维的，采用二维平面的宣讲方式，增加了受训人员的接受难度；缺少交底成效评估。现行交底方式的成果，由现场培训人员签到来代替培训成效评估，具有一定的局限性。

发明内容

针对现行的施工交底方式现存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，利用虚拟现实技术的高沉浸感和高交互性的特点，结合变电站施工的专业流程，建立了一套全交互的动态三维变电站环境，在环境中布置了多种施工技术，安全施工方法等流程演示。

一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101，组建基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统，采用VR沉浸式虚拟现实技术，通过交互人员佩戴相关设备，利用视觉原理对计算机内数据进行处理最后输出到VR头盔设备上，并通过红外线实时定位校正设备在计算机中的正确位置与角度。

步骤102，技术交底操作引导数据录入,通过数字化手段，根据国家电网发布的一系列行业标准文件，进行分项工程设计，根据施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案等文件，拆分出所有工艺、工序、关键点和关键工序的组件，录入技术交底的信息数据，存到第三方数据服务器。

步骤103，安全交底操作引导数据录入，根据技术交底的资料，根据安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案的细化和补充等文件，拆分出所有操作规程、注意事项的组件，录入安全交底的信息数据，存到第三方数据服务器。

步骤104，根据第三方数据服务器的各个组件的信息数据，在模型数据库建立各组件的三维模型，并结合施工交底的业务要求，通过高性能图形工作站，将第三方数据服务器的技术交底操作引导数据和安全交底操作引导数据进行关联，根据施工图纸进行各工艺、工序、关键点、关键工序的组件进行三维模型调用，按照实际施工作业流程及施工工序的动作行为和状态变化约束，形成施工方案动态流程，实现安全交底的安全操作流程及施工注意事项的模拟演示。

步骤105，在三维虚拟引擎Unity3D引擎的基础上，融合GIS技术，虚拟现实VR交互技术等多种技术，融合了基础地理影像及DEM数据、电力工程三维模型等数据创建三维地理环境，并集成了专题空间数据、属性数据等业务专业数据，变电站工程施工进行三维可视化、施工交底以及施工模拟，形成施工交底的动态流程和虚拟现场环境，建立施工交底的动态模型。

步骤106，进一步，在客户端平台上建立施工交底培训系统，通过引导式的界面，将施工的技术细节，直观地展现在受训者的眼前。

步骤107，进一步，在客户端平台上建立施工交底评估系统，在虚拟的施工交底场景中，设计模拟操作流程，通过智能比对受训人员的操作动作和预定标准动作的偏差，来评估受训人员对交底内容的掌握程度。

所述的步骤101中，基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统包括交互人员、VR交互设备、交互平台、网络控制平台和客户端平台。

所述的交互人员包括建设单位管理人员、施工单位管理人员和施工单位实施人员。

所述的VR交互设备包括VR头戴式设备、左体感手柄和右体感手柄。

所述的交互平台上设置了高性能图形工作站、交互大屏幕和安全设备，所述的高性能图形工作站连接交互大屏幕和安全设备，同时还连接VR交互设备，通过网络控制平台与客户端平台相连接。

所述的网络控制平台是通过变电站局域网，保证高性能图形工作站和客户端平台的相互数据调用和存取，包括GIS数据服务器、第三方数据服务器和模型数据服务器。

所述的客户端平台是通过客户端应用程序，将相应的数据库与客户端相绑定，用户不需要额外安装其他插件即可使用本系统软件系统客户端，客户端平台上包括施工交底培训系统和施工交底评估系统。

在交互平台上的高性能图形工作站设置了系统软件，包括施工交底数据标准体系、第三方数据接口、模型数据接口、GIS数据接口、GIS信息体系、三维引擎模块和施工交底动态模型。

所述的施工交底数据标准体系包括技术交底操作引导数据录入和安全交底操作引导数据录入，技术交底数据包括施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案，安全交底数据包括安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案细化和补充。

所述的施工交底数据标准体系通过第三方数据接口送到三维引擎模块中。

所述的模型库包括标准模型库、施工模型库、工程模型库和设计成果库，通过模型数据接口送到三维引擎模块中。

所述的GIS信息体系的数据通过GIS数据接口送到三维引擎模块中。

所述的三维引擎模块接收施工交底数据标准体系、模型库和GIS信息体系的数据，建立施工交底动态模型。

所述的施工交底动态模型包括三维可视化模块、施工交底模拟模块、施工演练模块、查询分析模块。

本发明的有益效果是：

1)利用三维的变电站施工场景，提高施工交底的准确度；

2)利用动态模拟的培训方式，提高施工交底的效率；

3)利用交底培训系统，提高施工交底的质量。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中方法步骤图；

图2为本发明具体实施方式中总体硬件架构图；

图3为本发明具体实施方式中VR设备的部署图；

图4为本发明具体实施方式中软件架构图；

图5为本发明具体实施方式中三维可视化模块的流程图；

图6为本发明具体实施方式中施工交底模拟模块的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

如图1所示，一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101，组建基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统，采用VR沉浸式虚拟现实技术，通过交互人员佩戴相关设备，利用视觉原理对计算机内数据进行处理最后输出到VR头盔设备上，并通过红外线实时定位校正设备在计算机中的正确位置与角度。

步骤102，技术交底操作引导数据录入,通过数字化手段，根据国家电网发布的一系列行业标准文件，进行分项工程设计，根据施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案等文件，拆分出所有工艺、工序、关键点和关键工序的组件，录入技术交底的信息数据，存到第三方数据服务器。

步骤103，安全交底操作引导数据录入，根据技术交底的资料，根据安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案的细化和补充等文件，拆分出所有操作规程、注意事项的组件，录入安全交底的信息数据，存到第三方数据服务器。

其中步骤102和步骤103，属于数据入库工作，由专业数据处理人员进行，主要由实施单位负责。

步骤104，根据第三方数据服务器的各个组件的信息数据，在模型数据库建立各组件的三维模型，并结合施工交底的业务要求，通过高性能图形工作站，将第三方数据服务器的技术交底操作引导数据和安全交底操作引导数据进行关联，根据施工图纸进行各工艺、工序、关键点、关键工序的组件进行三维模型调用，按照实际施工作业流程及施工工序的动作行为和状态变化约束，形成施工方案动态流程，实现安全交底的安全操作流程及施工注意事项的模拟演示。

步骤105，在三维虚拟引擎Unity3D引擎的基础上，融合GIS技术，虚拟现实VR交互技术等多种技术，融合了基础地理影像及DEM数据、电力工程三维模型等数据创建三维地理环境，并集成了专题空间数据、属性数据等业务专业数据，变电站工程施工进行三维可视化、施工交底以及施工模拟，形成施工交底的动态流程和虚拟现场环境，建立施工交底的动态模型。

步骤106，进一步，在客户端平台上建立施工交底培训系统，通过引导式的界面，将施工的技术细节，直观地展现在受训者的眼前。

步骤107，进一步，在客户端平台上建立施工交底评估系统，在虚拟的施工交底场景中，设计模拟操作流程，通过智能比对受训人员的操作动作和预定标准动作的偏差，来评估受训人员对交底内容的掌握程度。

所述的步骤101中，基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统的硬件架构图，如图2所示，包括交互人员、VR交互设备、交互平台、网络控制平台和客户端平台。

所述的交互人员包括建设单位管理人员、施工单位管理人员和施工单位实施人员。

所述的VR交互设备包括VR头戴式设备、左体感手柄和右体感手柄。VR头戴式设备在3～5平方米的空间内，通过体感手柄，进行真实的交互操作，实现电力工程的漫游，查询，模拟，交互等多种业务应用，VR交互设备主要表现在基于虚拟现实技术的系统需要一定的活动范围空间，该空间主要是由于VR设备部署所用，VR设备是佩戴在使用人员头上，并划定一定的活动范围。

进一步的，如图3，VR交互设备部署步骤一般如下：

1)以设备安装位置为中心划定3～5平方米的空间范围；

2)布置VR传感器设备于空间范围边缘；

3)设定VR设备的基准高度、空间指标等；

4)测试效果完成部署。

通过VR交互设备，采用VR沉浸式虚拟现实技术，研究多通道图形校正、输出、融合、同步和立体投影技术，修正各投影屏幕间图像几何畸变和色彩、亮度、比例尺差异，构建浑然一体的虚拟视觉环境，实现了电网运行场景从微观到宏观的全尺度三维立体沉浸式展现和交互操作。

所述的交互平台上设置了高性能图形工作站、交互大屏幕和安全设备，所述的高性能图形工作站连接交互大屏幕和安全设备，同时还连接VR交互设备，通过网络控制平台与客户端平台相连接。

所述的高性能图形工作站完成工作站与VR设备之间相关的部署工作。

所述的显示设备是用来将高性能图形工作站中系统显示画面放大映射出来，这样可使外界人员实时了解系统的运行情况，并可对VR设备使用者进行安全保护，其一般部署在VR设备活动范围空间边缘，减少其对VR空间的影响。

所述的安全设备是针对VR设备活动范围空间内可能存在安全隐患的部分通过安装设备进行排除。一般包括对活动空间护栏安装、空间内棱角部分保护等。

所述的网络控制平台是通过变电站局域网，保证高性能图形工作站和客户端平台的相互数据调用和存取，包括GIS数据服务器、第三方数据服务器和模型数据服务器。

所述的客户端平台是通过客户端应用程序，将相应的数据库与客户端相绑定，用户不需要额外安装其他插件即可使用本系统软件系统客户端，客户端平台上包括施工交底培训系统和施工交底评估系统。

本发明的硬件架构图中，主要以高性能图形工作站为核心，在高性能图形工作站中设置了系统软件，如图4所示，包括施工交底数据标准体系、第三方数据接口、模型数据接口、GIS数据接口、GIS信息体系、三维引擎模块和施工交底动态模型。

所述的施工交底数据标准体系包括技术交底操作引导数据录入和安全交底操作引导数据录入，技术交底数据包括施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案，安全交底数据包括安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案细化和补充。

所述的施工交底数据标准体系通过第三方数据接口送到三维引擎模块中。

所述的模型库包括标准模型库、施工模型库、工程模型库和设计成果库，通过模型数据接口送到三维引擎模块中。

所述的GIS信息体系的数据通过GIS数据接口送到三维引擎模块中。

所述的三维引擎模块接收施工交底数据标准体系、模型库和GIS信息体系的数据，建立施工交底动态模型。

所述的施工交底动态模型包括三维可视化模块、施工交底模拟模块、施工演练模块、查询分析模块。

所述的三维可视化模块是电力工程系统的主要和基础部分，它主要是通过三维引擎以及场景中可视化参数数据，将从数据库中获取地形数据、影像数据、场地模型数据、机械模型数据、建筑模型数据以及工程模型数据等数据，构建工程方案相关环境并进行优化出来后进行仿真模拟，将数据以三维可视化方式呈现出来。三维可视化模块中，通过漫游功能(支持瞬移、自由行走、轨迹跟踪等多种方式)，能自由地在场景中进行行走和浏览。

所述的三维可视化模块的流程图，如图5所示，根据变电站设计成果要求，进行数据解析，把可视化参数传输给设计模型库(GIM),根据施工交底数据录入，判断场地情况，根据变电站设计成果中的施工图纸，对施工场地进行定向定位定高，形成场地范围和场地轴线，构建场地，从标准素材库(本体内)和设计模型库(GIM)调入三维模型，形成施工方案三维可视化动态环境。

所述的施工交底模拟模块主要是对变电工程中某些重要或者关键的施工方案进行施工的动态效果模拟。系统软件将对需要进行施工模拟的方案，以一种分步骤的方式进行展示，软件使用人员通过VR设备可以在近处对施工全过程进行观察，并可控制整个模拟过程的进度，使其对目标施工方案的整体工序、关键点、自身职责都充分理解。通过直观化、沉浸式的表达，提高施工交底的科学性，避免过度依靠个人经验，直接进行定性的判断，显著减少试错的成本。

所述的施工交底模拟模块的流程图，如图6所示，根据施工交底中施工方案的施工过程，从工程模型库(安装单元)调入相应的安装单元的三维模型，按照施工工序、施工工艺摆放到施工场地中，经过碰撞分析，形成分析结果，如果发生碰撞，需要调整分项施工机械布置，从施工模型(机械单元)调入相应的机械单元的三维模型，重新摆放、碰撞分析，直到分析结果是合理后，进行动态模拟施工进度，完成施工交底动态效果模拟。

所述的施工演练模块是利用虚拟现实交互技术，实现用户对施工方案进行动态的交互响应。一般来说，施工演练是针对某一重要施工方案，用户可以通过选择程序提供的施工方案的零部件，自己模拟施工。整个过程的信息数据在用户、交互设备(VR设备)以及软件系统三者中传输完成，该过程用户通过VR设备沉浸式体验施工过程，培训用户对目标施工方案的工序流程、作业难度了解。全面培养和提高施工人员的技术水平和业务能力。

所述的查询分析模块提供用户对虚拟现实场景的信息进行查询与分析。该模块支持用户对场景中目标对象(设备、建筑等)进行交互性属性查询、距离量测、长度量测、快速定位等，查询功能通过用户对目标对象进行拾取相关响应获取该对象的查询信息；快速定位通过用户选择目标位置进行快速移动实现；量测功能通过用户使用VR交互设备获取量测信息计算得到。

本发明在施工交底过程中，可使用多种交互方式，多角度全方位地观察施工任务。不断地评估和验证其对操作的掌握程度，从而提高施工交底的科学性，避免过度依靠个人经验，直接进行定性的判断，显著减少试错的成本。

通过直观化、沉浸式的表达，避免了不同工序、不同人员对文字规定的差异化理解，使不同专业背景、不同学历水平的施工参与人员都能充分理解，并贯彻项目管理者的意图，了解施工的全过程和自身职责，各司其职、分工协作。

Claims (3)

1.一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101，组建基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统，采用VR沉浸式虚拟现实技术，通过交互人员佩戴相关设备，利用视觉原理对计算机内数据进行处理最后输出到VR头盔设备上，并通过红外线实时定位校正设备在计算机中的正确位置与角度；

步骤102，技术交底操作引导数据录入,通过数字化手段，根据国家电网发布的一系列行业标准文件，进行分项工程设计，根据施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案等文件，拆分出所有工艺、工序、关键点和关键工序的组件，录入技术交底的信息数据，存到第三方数据服务器；

步骤103，安全交底操作引导数据录入，根据技术交底的资料，根据安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案的细化和补充等文件，拆分出所有操作规程、注意事项的组件，录入安全交底的信息数据，存到第三方数据服务器；

步骤104，根据第三方数据服务器的各个组件的信息数据，在模型数据库建立各组件的三维模型，并结合施工交底的业务要求，通过高性能图形工作站，将第三方数据服务器的技术交底操作引导数据和安全交底操作引导数据进行关联，根据施工图纸进行各工艺、工序、关键点、关键工序的组件进行三维模型调用，按照实际施工作业流程及施工工序的动作行为和状态变化约束，形成施工方案动态流程，实现安全交底的安全操作流程及施工注意事项的模拟演示；

步骤105，在三维虚拟引擎Unity3D引擎的基础上，融合GIS技术，虚拟现实VR交互技术等多种技术，融合了基础地理影像及DEM数据、电力工程三维模型等数据创建三维地理环境，并集成了专题空间数据、属性数据等业务专业数据，变电站工程施工进行三维可视化、施工交底以及施工模拟，形成施工交底的动态流程和虚拟现场环境，建立施工交底的动态模型；

步骤106，进一步，在客户端平台上建立施工交底培训系统，通过引导式的界面，将施工的技术细节，直观地展现在受训者的眼前；

步骤107，进一步，在客户端平台上建立施工交底评估系统，在虚拟的施工交底场景中，设计模拟操作流程，通过智能比对受训人员的操作动作和预定标准动作的偏差，来评估受训人员对交底内容的掌握程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，其特征在于，步骤101中，基于虚拟现实技术的变电站施工交底系统包括交互人员、VR交互设备、交互平台、网络控制平台和客户端平台；

所述的交互人员包括建设单位管理人员、施工单位管理人员和施工单位实施人员；

所述的VR交互设备包括VR头戴式设备、左体感手柄和右体感手柄；

所述的交互平台上设置了高性能图形工作站、交互大屏幕和安全设备，所述的高性能图形工作站连接交互大屏幕和安全设备，同时还连接VR交互设备，通过网络控制平台与客户端平台相连接；

所述的网络控制平台是通过变电站局域网，保证高性能图形工作站和客户端平台的相互数据调用和存取，包括GIS数据服务器、第三方数据服务器和模型数据服务器；

所述的客户端平台是通过客户端应用程序，将相应的数据库与客户端相绑定，用户不需要额外安装其他插件即可使用本系统软件系统客户端，客户端平台上包括施工交底培训系统和施工交底评估系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的变电站施工交底方法，其特征在于，所述的高性能图形工作站设置了系统软件，包括施工交底数据标准体系、第三方数据接口、模型数据接口、GIS数据接口、GIS信息体系、三维引擎模块和施工交底动态模型；

所述的施工交底数据标准体系包括技术交底操作引导数据录入和安全交底操作引导数据录入，技术交底数据包括施工图纸、施工组织设计文件、施工工艺和施工专项方案，安全交底数据包括安全文明施工方案、安全操作规程、施工注意事项和施工专项方案细化和补充。

所述的施工交底数据标准体系通过第三方数据接口送到三维引擎模块中；

所述的模型库包括标准模型库、施工模型库、工程模型库和设计成果库，通过模型数据接口送到三维引擎模块中；

所述的GIS信息体系的数据通过GIS数据接口送到三维引擎模块中；

所述的三维引擎模块接收施工交底数据标准体系、模型库和GIS信息体系的数据，建立施工交底动态模型；

所述的施工交底动态模型包括三维可视化模块、施工交底模拟模块、施工演练模块、查询分析模块。

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