电力设备三维生成与展示研究.docVIP

电力设备三维生成与展示研究 【摘 要】为建立一个多业务协同设计和三维展示的云服务平台，结合逆向工程、云计算和虚拟现实展现技术，对电力设备三维模型生成和应用展示方法进行研究，并根据电力三维数字化移交需求，推导出全息设备模型获取、检索、入库、展示的方法，为多业务协同工作提供了可行方案，提出了三维模型有偿技术服务的解决思路。为今后设备运行、维护过程中三维模型进一步应用提供了理论基础。 【关键词】三维；逆向工程；数字化移交；云计算；虚拟现实 1 引言 三维技术起源于20世纪60年代，它利用计算机技术，能够再现三维世界中的物体模型，并能够承载三维物体的复杂属性信息，甚至具有虚拟交互的能力。云计算[1]是新近推出的一种工作模式，它是将原本分散的资源聚集起来，再以服务的形式提供给受众。以发挥其高可靠性、廉价性和通用特性。这两项技术的研究一直受到电力行业研究者高度关注。我国电力行业有其自身特色，依靠CAD辅助设计手段是近20年才发展起来的，三维设计也是这10年的事，而电力设备一般使用寿命都在20～50年，存在有些设备信息还停留在设计图纸上。当前行业的核心方向还是电力专业，所以无论是前端的设备三维建模还是最终的三维展示，对从事电力专业的人还过于专业化，系统且对硬件条件要求高，终端运维用户很难承受。为缓解以上矛盾，我们需要建立一套电力协同设计和展示云服务平台。 2 电力设备三维生成与展示总体架构 本文提出建立一个多业务协同的电力设备三维生成与展示平台，在该平台上以被建设对象为核心，整个电力建设、应用的产业链上的单位均可按权限维护各自范围类的属性。设计单位构建设备的概念模型和模型的连接关系；制造商创建设备的实物三维模型并加装设备特征属性；施工单位将施工图中基础设施、设备及部件赋予施工计划的属性，使电力建设对象上具有时间轴，可以模拟展示施工进度，预测设备进场、安装需求；电力业主也可根据上游服务商数字化移交的模型加载健康履历和SCADA信息，通过虚拟现实的方式操控电力设备和设施。在此平台上建设方、设计方、设备制造方、施工方、业主运维单位、检修公司可在统一协调工作。 电力设备三维生成与展示平台主要包括：1、设备三维构建；2、三维模型入库与发布；3、三维客户端动态展示。如图1系统架构图所示。 图1 系统架构图 3 电力设备三维生成方法 3.1 设备三维模型构建 三维模型建立分为两种情况。第一种：由设计单位对变电设备外部轮廓、接口部分、关键部件通过三维设计软件进行三维设计建模，初设评审通过后再输入模型的基本要素和扩展要素。这种方法也是目前最常用的，一般适用于新建电力设备。第二种：在役电力设备可以通过逆向工程中的重构方式获取。如图2三维模型重构方法示意图所示。 图2 三维模型重构方法示意图 它由电力设备生产厂家或设备运维单位利用激光扫描方法获得现有设备的外部轮廓、接口部分、关键部件三维点云数据，并将三组几何模型数据通过电网工程标识系统编码规则进行关联。这三组数据经过简单的离散型方差算法去除边界噪音即将完全独立的点、线数据剔除，再通过改进的虚拟力（VFA）算法[3]，将原算法中保留的均匀分布数据剔除，逆向保留边缘距离数据，以获取图像中各边缘的关键点、线，以减少三维重构模型的数据量。由于关键部件一般外观轮廓复杂宜采用超二次曲面法[4]求解模型。三维模型采取本地进行曲面拟合计算，再利用云计算进行平滑处理、数据分类，形成于之匹配的设备待入库三维模型。 3.2 设备三维模型入库 三维模型检查与入库过程包括：几何形态检查、装配约束条件检查、模型分类、三维数据检索四部分组成。其中，曲面特征分析和模型关键数据提取为几何形态检查提供三维数据依据；基本要素和扩展要素为三类模型提供电力应用要素，其中基本要素由设计单位在初设评审后输入的设备具体电气和空间特征数据，使三维设备模型实例化为某功能位置上具体设备个体三维模型。扩展要素由最终用户录入设备运行状态和维护相关数据，使变电设备三维对象具有与现实设备对等的准实时信息。整体工作流程：云服务器收到前端发来的三维模型分组数据，进行曲面数据分析和模型关键数据提取，云服务器根据放缩比例寻找数据库中是否存在相似的匹配，主要比对各端点据中心点距离、各边缘线长度，各面的数量匹配度。然后，对装配模型进行装配条件检查，检测装配点尺寸和位置匹配度。若模型的匹配度超过规定数值，则云服务器向建模终端返回已检索到模型的检索编号和其对应类型的标识编码。否则，云服务器将同步加载基本要素和扩展要素形成设备模型，然后将其添加到新设备三维模型检索库中，供三维发布与展示用。 4 三维发布与展示方案 4.1 电力设备三维发布 三维图像发布过程主要包括三维图像渲染、图像加密保护和时序三维影像发布。如图3 三维图像发布过程所示。 图3 三维图像发布过程 三维图像渲染的输入控制量由