摘要：虚拟现实技术已从研究转向应用阶段，在航空航天、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益[1-2]。而虚拟现实技术目前在变电所中的应用总体来说,在应用深度上,基本上还停留在初步设计阶段,基本上还只是在特定的工程投标或者国网公司设计竞赛中采用,在日常的生产活动中基本还没有采用[3]。本文的目的是研究虚拟现实技术在变电站设计中进一步深化应用的必要性和可行性,以及如何应用等。希望通过本文的研究,寻求找出行之有效地设计新方法和产品新功能,以满足设计院在新形势下,应对竞争的需求。为提升单位的核心竞争力尽一份绵薄之力。
关键词：虚拟现实；变电设备；人工智能
1 引言
虚拟现实又被称为灵境是由英文Virtual reality翻译而来,简称VR,是一项综合集成技术。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,“虚拟”实际指用计算机生成的意思。因此,虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境,人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰[4]。
概括地说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃[5-6]。它的实时三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受,将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状,为人机交互技术开创一个全新的研究领域[7-8]。
2 虚拟现实技术在变电设备的应用
虚拟现实技术在变电所设计的应用着眼于数字变电所全生命周期应用,即包括变电所的设计、施工、采购、安装、调试、运行、培训、检修与维护、改造、停运、拆除等各个阶段的应用。针对不同的用户,有不同的总体目标针对变电所设计单位,总体目标是充分利用虚拟现实手段,借助三维工程设计软件,辅助设计人员进行变电所设计,提高设计质量和设计效率。通过开发三维设计规范库、元件库、模型库,建立三维设计模型,进行设计校审、碰撞检查、抽取二维施工图、漫游浏览、设计优化、协同设计等工作,同时提供给施工方、运行方一个基础数据齐全完整的虚拟变电站。
3 具体应用介绍
3.1 三维建模、漫游浏览
三维建模、漫游浏览,这是虚拟现实技术应用的第一阶段,也是目前虚拟现实技术在变电站设计的主要应用现状。三维建模,即把变电所中各专业设计内容的实体模型,在设计的同时,建立在一个统一的三维设计环境中。具体包括隔离开关、阻波器等配电装置及其土建基础、构架的建模,主变压器、电抗器等主变区域设备、土建建模,生产办公用房的建模,厂区道路、绿化等。然后利用这些模型,进行漫游渲染,剪辑合成,实现整个变电所的漫游浏览。这样能够在设计的初期,就将一个栩栩如生、真实直观的变电所全貌呈现在变电所投资方、施工方、审查方等各方人士面前。在设计、施工等招投标、方案审查过程中,能有效地协助设计方、施工方清晰准确地介绍设计方案、施工方案。
3.2 碰撞检查、设计优化
经过变电所三维设计及应用第一阶段的三维建模,紧接着就可以开始第二阶段碰撞检查、设计优化等应用。在各专业设计内容的实体模型建立之后,可以利用三维设计系统的碰撞检查功能,对各专业的三维模型进行专业内或专业之间的碰撞检查。如避免构架或设备支架之间的空间布置冲突、挤占道路空间,以及设备与设备之间是否发生碰撞还可以使用标准人功能在设备、通道之间检查安全距离在导线、设备之间检查由于悬垂、风偏等引起的安全距离变化等。避免设计错误,提高设计质量。通过全所的实体模型浏览,可以检查设计范围的完整性,预览布置方案的合理性,优化总体布置。在满足中国电力设计规程、规范及电气设备间安全距离的前提下,对电气设备操作空间和设备之间的安全距离进行优化对建、构筑物和道路交通的布置进行优化设计,探讨减少变电所占地面积的可能性。由于建立的模型都带有定量的属性,而且软件具有自动统计同类设备、材料的功能,因此使得多方案比较可以基于较为准确的定量的基础,更具说服力,改变传统的定性内容较多,定量数据缺乏的方案论证办法,大大提高设计水平,优化设计方案。
3.3 三维设计、两维出图
其核心是通过三维设计,在三维模型的基础上,通过三维设计软件的定制,从三维模型抽取所需的二维施工图,包括设备安装图、构架整体布置轴测图、各间隔电气断面图、设备支架图、电气总平面图以及部分建筑图等。如果能够实现这一阶段的应用,将极大地提高变电所设计的效率和质量,尤其是在推广变电所标准设计的过程中,会极大地减轻设计人员的制图工作量,使设计人员能充分利用这一个直观、形象的三维设计工具,集中精力优化设计。这一部分的功能,在火电厂的设计中,尤其是机务专业管道设计中,已经有了比较成熟的应用,但在电气专业、土建专业方面,实际的出图效率和传统的两维设计相比,其优势尚未发挥出来。
3.4 多专业配合、协同设计
变电所三维设计及应用的第四阶段,也可以说是三维设计比较理想的阶段,就是多专业配合、协同设计。在第三阶段,各专业已经开发、积累了一定的模型库、规范库,而且也能够抽取所需的二维施工图。在此基础上,变电所三维设计则可以在一个统一的平台环境下,按照设计规范的要求,与各专业计算软件、管理软件紧密结合,开展多专业配合、协同设计。通过多专业配合、协同设计,可以把各专业设计的完整的相关信息增加到同一个数据库中,为后续功能提供较完整的共享资源,为上层软件提供坚实的基础。
实现协同设计的一个非常重要的基础工作是建立完整的设备、元件编码系统,因为在协同设计情况下,每一个元件必须在模型中有唯一的识别号码,与该元件在模型中只能存在于唯一位置的特性相对应。如果不建立完整的编码系统,则无法正常运行软件包,并且由软件自动提供的资料信息可能出现不真实,提供的统计报表也不能反映真实情况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.5 数字化移交
传统的工程建设期设计、施工、采购、调试阶段信息大多以纸介质为载体,以图纸和文档的文件形式向运行单位移交。各类信息分散在不同的图档中。运行阶段故障处理时常因费时寻找正确的文件和准确信息而延迟。而且,由于信息之间没有关联、无法相互校验。同一信息在不同数据源中重复出现,相互矛盾的情况也时有发生。工程设计数字化移交在提交传统设计成品图档的同时,提交完整的变电站数字化工程设计信息管理平台包含工程设计各阶段的三维模型、数据库、电子化图纸和文档。各类信息间以工程设施为对象,编码为线索自动相互关联,相互校验,并可通过模型直接查看。数字化网络平台的应用为信息的查询和检索提供了极大的便利。在任何一台计算机终端,轻弹几下鼠标,就可以在屏幕上立刻显现一切资料,包括逼真的三维立体设计模型、设计资料,以及设计文件。随着数字化内容的扩展,还将包括工程建设过程中的管理资料,项目投产后的运行记录资料,对于管理和运行提供即时有效的决策参考资料和依据。
3.6 施工管理、进度模拟
以上五个部分中的前四个部分主要指针对电力设计单位内部使用的三维设计部分的应用,第五个部分贯穿整个工程的各个环节。下面讨论如果在设计院能够提供一个完整的变电所三维模型的基础上,施工单位如何充分利用该三维模型,进行深入的应用。
对于变电所的施工单位来说,如变电工程项目部,由于通过多专业配合、协同设计得到的变电所三维模型成品包含了完整的工程建设全过程所需的基础资料数据库,因此很容易在此三维模型基础上利用三维设计系统软件提供的功能,进行很多后续的工作,如随时提取任意规定范围的设备、材料详表和汇总表,为设备材料分批订货、施工备料管理提供依据和手段进行施工进度模拟,可以集成或结合工程计划管理软件,实现工程进度和计划的可视化管理,使传统的两维图表上的计划管理提高到根据不同要求提取出三维实物模型的直观管理水平,并可随即提供该模型所需的各种设备、材料清单,准确地确定工程量,便于科学合理的安排施工力量的投入,更加有效地组织施工可以模拟重要施工工序,优化施工方案,避免施工中可能出现的方案失误利用三维设计软件系统中的上层软件实现多工程或本单位承担的全部工程的数据库管理,利用远程浏览软件和国际互联网向不同用户发布需要的信息。
基于工程完整的基础数据库,实现对工程造价的实时动态跟踪控制,同时可以动态分析不同阶段的费用风险,实现具有实际意义的工程造价跟踪控制根据工程进度计划,利用基础数据库,制定出工程资金投入计划表、现金流控制表,为工程合理分批投入资金提供科学依据,最大限度地降低建设期利息,降低工程造价施工管理动态化,由于三维模型便于整体工程动态管理,因此在施工阶段不断积累、完善三维模型,项目竣工时就可以在提交一个完好的物理变电所的同时,提供一个资料完整、准确的数字变电所。为后续的生产运行部门提供完整的管理基础数据。
4 结论与展望
随着电力体制改革的深入,主辅分离已正进入实质性阶段,电力设计市场将逐步放开,在这样的新形势下,如何在此时抓住机会、赢得竞争,并打开国际市场是各个设计院面临的问题。本文通过研究发现在变电站设计中深化应用虚拟现实技术是提升设计院核心竞争力的有效手段。在变电站设计中采用虚拟现实技术具有以下意义.
（1）虚拟现实技术在变电站设计中的应用可以提高劳动效率
（2）虚拟现实技术在变电站设计中的应用可以提高产品质量
（3）虚拟现实技术在变电站设计中的应用可以下增加产品功能、提高产品附加值
（4）虚拟现实技术在变电站设计中的应用可以满足国网信息化建设的需求
（5）虚拟现实技术在变电站设计中的应用可以遵循“现代工厂设计”的理念为用户提供面向全寿命周期的最优设计。
参考文献：
[1].张拯. 基于虚拟现实技术和智能机器人的变电站巡检功能研究[J]. 电脑编程技巧与维护, 2016(16):81-82.
[2].顾文涛. 基于虚拟现实技术的变电站温度监测系统设计[J]. 中国科技纵横, 2016(9).
[3].郑雄飞, 王俊杰. 基于虚拟现实技术的变电站运行仿真研究[J]. 科技信息, 2013(4):463-463.
[4].李甲宇, 孙忠文, 张思义. 基于虚拟现实技术的变电站运维培训系统[J]. 科技经济导刊, 2016(21).
[5].Li J F, Xiong S, Gao F. Application and Research of Kinect Motion Sensing Technology on Substation Simulation Training System[J]. Open Cybernetics & Systemics Journal, 2014, 8: 667-675.
[6].Barata P N A, Ribeiro Filho M, Nunes M V A. Consolidating Learning in Power Systems: Virtual Reality Applied to the Study of the Operation of Electric Power Transformers[J]. IEEE Transactions on Education, 2015, 58(4): 255-261.
[7].Chen Y. Industrial information integration—A literature review 2006–2015[J]. Journal of Industrial Information Integration, 2016, 2: 30-64.
[8].Justo J J, Mwasilu F, Lee J, et al. AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24: 387-405.
论文作者:李永成,彭彦军,赵小林
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/18
标签：虚拟现实论文; 变电所论文; 变电站论文; 模型论文; 技术论文; 设备论文; 三维设计论文; 《电力设备》2017年第17期论文;