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為保證變電站系統的安全穩定運行，就要首先保證變電站中的各個基礎電氣設備是否能正常運行，所以變電站日常巡檢操作一直是變電站運行的一個重要環節。并且近年來電網規模不斷擴大，如果變電站中基礎設施出現事故會對變電站安全運行造成較大影響，所以變電站的日常巡檢操作的正確執行對變電站安全穩定運行是十分重要的。因此，必須對變電站的日常巡視工作加以重視。變電站三維漫游系統能夠更好的模擬變電站的日常巡視操作，讓操作人員能夠方便快捷的學習認知變電站日常巡檢的操作重點。本文主要致力于設計與實現變電站三維漫游系統，主要對變電站的日常巡檢操作進行模擬仿真。本文以VS2017為開發平臺，采用3DSMAX三維建模工具、Unity3D可視化游戲引擎以及數據庫技術設計開發變電站三維漫游系統。系統主要實現了變電站電氣設備、變電站周邊環境、人物三維模型的創建，以及變電站日常巡檢操作的模擬。變電站三維漫游系統的功能設計變電站三維漫游系統的設計主要分為五部分，包括三維模型的創建，人物骨骼動畫制作，漫游系統的設計，數據庫設計以及界面系統的實現。三維模型的創建主要包括變電站中一、二次設備的創建和人物模型的創建，動畫制作主要為人物骨骼動畫設計，漫游系統設計主要包括對各電氣設備巡檢及人物漫游，系統界面及數據庫的設計。變電站三維漫游系統的主要功能結構設計如圖1所示。

系統的具體設計及實現

3D建模

系統設備建模使用3DSMAX建模工具，變電站三維模型是變電站三維漫游系統最為基礎的資源，本文三維場景結構主要內容如圖2所示。使用3DSMAX三維建模軟件，其建立復雜物體時具有非常獨特的優勢，可以較精準的創建出三維模型，通過材質貼圖使模型更加精細，更加真實。使用三維建模軟件，嚴格按照變電站場景的真實尺寸進行創建。利用搜集到的資料，包括變電站設備的真實尺寸、設備設計圖、真實設備圖片等信息進行建模；用Photoshop對素材進行處理，將處理后的素材作為模型的貼圖或材質。最終導出FBX格式文件。變電站中的一、二次電氣設備外形相對復雜，特殊形狀較多，采用分塊建模的方法，使用3DSMAX軟件中的擠出、放樣等方法制作，最終把零散的模塊打組成一個完整的模型。以變壓器為例，如圖3所示。對于變電中的綜合場景模型，更偏重對模型材質的處理，以此達到更逼真的效果。例如，變電站中周邊環境樹木的建立，采用材質貼圖的方法，制作輕易且方法簡單。變電站完整模型如圖4所示。人物模型建模較為復雜，要將整個人物作為一個統一的整體，并控制建模的精度，所以選擇采用多邊形建模。建模完成后，使用Photoshop繪制貼圖，賦予人物。然后對人物模型進行骨骼動畫的設計，用來模擬人物行走等操作。主要過程如圖5所示。

漫游系統的設計與實現

變電站三維漫游功能所仿真的是變電站的基本的巡檢功能，在變電站的場景漫游中，操作人員可以從任意角度觀察變電站內的所有一次高壓設備、二次測量保護設備以及變電站的整體環境。在漫游系統中，操作人員可以自由轉換視角、操作設備并進行設備資料的學習。

漫游巡視

漫游巡視是系統交互的重要功能，Unity3D主要采用人物尋路及視角控制的方法實現人物漫游，漫游操作主要由三個參數控制，包括視點、觀察點以及向上方向。如圖6所示，視點為人的眼睛，觀察者的位置也就是視點的位置；觀察點是人眼睛所看的物體的位置；向上方式指的是頭的朝向，它決定了觀察物體的方式。變電站的巡視工作主要目的是查看設備的運行狀態、運行情況，以便及時發現設備的潛在隱患。巡視主要包括正常巡視、定期巡視、全面巡視以及特殊巡視。本文主要研究220kV變電站的正常巡視，實現其漫游功能。正常巡視內容主要包括設備是否完好無損，聲音是否正常；變壓器油，油色，油溫，油位是否正常及有無泄漏，外殼接地是否良好，各類標志是否齊全等。

人物視角控制

變電站三維漫游中虛擬人物的視角控制是三維仿真技術實現中的重要環節。本文主要實現了自由視角控制以及第三人稱視角控制，對于不同方式的漫游采用不同視角控制，增強了變電站三維漫游仿真的靈活性。自由視角控制和第三人稱視角控制的主要區別如表1所示。

自動尋徑

系統中的路徑探索需要快速準確計算出一條較好的自動繞過障礙物的最短路徑，使人物從A點到達B點。本文主要采用NAV導航網格尋路算法。這種算法是把地圖劃分成多個凸多邊形，基于A*算法遍歷查找最短路徑。A*路點尋路是將地圖劃分為規則的等大的區域網格，而NAV導航網格對地圖的預處理以及地圖發生變化時的處理都更加復雜，主要是將地圖上的可達區域按照一定的算法劃分成多個三角形區域，使用A*算法找到路徑經過的三角形，對已經連接好的三角形路線進行拐角點判斷，從起點開始逐個連接這些拐角點，直到連接到終點，得到最終路線。

數據庫設計

本系統使用MySQL關系型數據庫與Unity3D結合，實現系統功能。本系統中，數據庫表的設計主要包括設備信息表、漫游信息表、巡檢路徑信息表等，表與表之間是相互關聯的關系。執行漫游功能時，系統調用數據庫中的信息，顯示在相應位置，也記錄相應信息，寫入數據庫。以漫游信息表為例，如表2所示。

界面系統及功能實現

系統UI實現采用NGUI插件對系統界面進行設計與實現，NGUI插件功能完整，效率高、性能好，相對Unity3D自帶的GUI框架有很多優勢。根據系統的功能設計以及實際需求，主要完成了以下功能。系統開始界面，首先打開系統，進入的是開始界面，點擊開始按鈕進入系統，點擊退出按鈕關閉系統，如圖7所示。點擊進入按鈕進入系統加載頁面，由于變電站場景模型相對較大，加載需要一段時間，所以加載頁面用來過度進入系統場景，使該過程更加流程。加載頁面如圖8所示。進入系統后，為漫游系統的主操作界面，主操作界面主要分為四個區域，中心區域為三維仿真操作場景，兩側為輔助操作區域，左上角為設備巡檢方式按鈕，左下角為工具欄區域，右上角為小地圖顯示，實時顯示虛擬人物位置。當左上角復選框被勾選時，為路徑漫游狀態，人物從當前位置開始執行巡檢漫游任務，按照規定路線對變電站設備進行巡檢，并記錄相關信息。該場景下默認選擇第三人稱視角。如圖9所示。當左上角復選框未勾選時，為自主漫游狀態，操作人員可以根據實際情況，自由進行巡檢漫游任務。可以通過鍵盤‘W’、‘A’、‘S’、‘D’鍵控制人物移動，也可以通過鼠標左鍵，點擊地面，控制人物移動，也可以點擊界面下方標有電氣名稱的按鈕，人物即可自動尋路到相應電氣設備，人物停止后，操作人員可以通過鼠標右鍵及鼠標中鍵，在自由視角控制下，查看電氣設備狀態，并記錄相應巡檢信息。如圖10所示。自主漫游操作狀態下，操作人員雙擊場景內電氣設備，彈出設備參數對話框，該對話框包括三個部分：設備參數、設備圖片、巡檢記錄。設備信息通過數據庫讀取，巡檢記錄寫入數據庫。如圖11所示，以變壓器為例。

結束語

本文主要介紹了基于Unity3D引擎設計實現的變電站三維漫游系統，重點介紹了變電站三維漫游系統的設計思路與方法，以及所實現的功能。本文為變電站操作人員提供了一個直觀的漫游系統，未來將通過完善系統功能、增加系統數據、優化系統速度等方面，使系統得到更好的完善。

作者：陳卓 閻光偉 單位：華北電力大學控制與計算機工程學院