基于Unity3D的施工方...平台在特高压工程的应用研究_徐畅.pdf

62http:/电 力 勘 测 设 计第1期DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.01.011基于 Unity3D 的施工方案模拟平台在特高压工程的应用研究徐 畅，朱百一，林晓春，周振兴，张卓敏(国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410000)摘要：三维施工方案仿真模拟平台旨在充分发挥已有三维设计成果的效用，将三维成果价值延伸至施工阶段，辅助开展重大风险作业施工方案的模拟推演和评审交底，加强工艺质量管控，提升风险防范意识。平台基于Unity3D 引擎开发，采用相似性算法对 GIM 模型进行了轻量化处理，借助高清渲染管线实现了对全工作流的支持，通过 TaskCore 实现了对高自由度任务流程的管理。平台采用模块化设计，已实现对 7 类施工方案的模拟，并在雅中江西 800 kV 直流输电工程进行了应用，通过工艺、工序管理等功能，满足了现场对培训、演练、考核等场景的应用需求。平台的应用有效提升了施工作业人员的专业技能和安全意识，对于进一步探索如何借助信息化手段提升电网工程建设管理水平具有积极意义。关键词：特高压；电网工程；仿真模拟；施工方案中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)01-62-06Application and Research of Construction Scheme Simulation Platform Based on Unity3D in the UHV ProjectXU Chang,ZHU Baiyi,LIN Xiaochun,ZHOU Zhenxing,ZHANG Zhuomin(State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Changsha 410000,China)Abstract:The 3D construction scheme simulation platform aims to give full play to the effectiveness of the existing 3D design results and extend the value of 3D results to the construction stage,it can assist in carrying out simulation exercises and review clarifications for construction scheme with significant risk,strengthen process quality control and enhance risk prevention awareness.The platform is developed based on Unity3D engine,the GIM is simplified by similarity algorithm.It supports the full workflow with the help of high-definition rendering pipeline,and the task processes management is realized through TaskCore.The platform adopts modular design,7 types of construction schemes have been realized,and it has been applied in Yazhong-Jiangxi 800 kV DC transmission project.It meets the application requirements of scenes such as training,exercise,and assessment.The application of the platform has effectively improved the professional skills and safety awareness of construction operators,and it will be of positive significance to further explore how to improve the management level of power grid engineering construction by means of informatization.Keywords:UHV;power grid engineering;simulation;construction scheme*收稿日期：2021-08-30 第一作者简介：徐畅(1978)，男，高级工程师，主要研究方向为特高压工程建设及电网基建信息化研究。63基于Unity3D的施工方案模拟平台在特高压工程的应用研究http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 0 引言以华中环网 1 000 kV 交流工程和雅中-江西 800 kV 直流工程为代表的“两交一直”特高压工程对于促进湖南特高压网架建设和主网架构完善、弥补电力缺口，进一步提升全省电力供应保障能力具有重要意义，是新时代背景下建设“坚强智能电网”的具体实践。按照特高压工程建设“高起点定位，高标准要求，高效率推进”的总体要求，创新管理，示范引领，工程建设管理手段必须结合新时代工作要求和最新前沿技术应用，不断探索提升基建管控水平，推动电网工程科学化组织和精细化管控。“两交一直”特高压工程输送距离长，作业面多，施工任务繁重，参建人员众多，施工作业安全风险加大，对进场人员技术水平以及安全意识要求更高，进场人员的培训及考核工作难度大大增加。传统入场前的培训及考核主要以书面文字材料学习及线下考试为主，入场人员无法通过简单文字描述对施工方案中的具体作业内容形成清晰直观的认知，也难以对施工安全防范工作产生深刻的理解。为进一步加强特高压施工作业人员培训考核管理工作，项目过程中搭建了三维施工方案仿真模拟平台，平台以“两交一直”特高压线路及变电站施工重大风险作业防控为目标，可以充分发挥三维设计成果的效用，将三维设计的价值传导到施工阶段，实现基于电网信息模型(Grid Information Model，GIM)的线路设计、施工和管理的全流程贯通，线路部分三维仿真模拟主要以工程三跨、索道施工等四级及以上风险为重点，变电站部分三维仿真模拟，主要以长沙站场平、基建以及电气安装等阶段的重要施工工艺为重点，基于高精度三维仿真平台，开展重大风险施工作业模拟推演和评审交底，辅助特殊工艺和代表性风险施工预警。近年来，随着三维可视化以及虚拟现实技术的快速发展，三维仿真模拟技术已经广泛应用于包括采矿、能源、教育、航天、建筑以及电力等各个领域中，在电力行业，三维仿真模拟技术在智慧工地1、三维数字化移交2-3、电气校验4、设备拆装模拟5、设备温度场模拟6、空间校验7、受力分析8、路径规划9-10以及施工方案推演11-12等众多领域都得到了很多卓有成效的运用，并发挥了至关重要的作用。三维施工方案仿真模拟平台采用 Unity 引擎进行开发制作，开发语言采用 C#.Net。业务流程数据使用 MySQL 数据库，目前已经完成雅江工程部分典型场景的施工工艺仿真模拟场景的设计开发和建设工作，具体场景包括：深基坑挖孔施工方案仿真模拟、桩基础施工方案仿真模拟、索道架设施工方案仿真模拟、抱杆组塔施工方案仿真模拟、吊车组塔施工方案仿真模拟、跨越电力线架线施工方案仿真模拟以及高边坡施工方案仿真模拟等。1 关键技术1.1 高精度三维数字化建模三维数字化建模技术是指利用相关三维数字化设计软件，根据设计图纸，开展电网设备及设施的三维数字化建模。电网设施三维模型是指变电站(含电气设备、主要建构筑物及其他附属设施)和输电线路(铁塔、金具、绝缘子串、间隔棒及交叉跨越等)依据设计图纸按 1:1 比例尺建模的三维精细化模型数据。此外，还可以通过参数化建模的方式通过指定特定的模型参数来进行自动化建模。1.2 基于相似性算法的GIM模型轻量化平台三维场景中所涉及的模型和动画均在Maya 中进行建模、模拟及渲染。通过建模、贴图、场景塌陷、展 UV 坐标、灯光渲染、场景烘焙等一系列操作，最终以 FBX 格式将 GIM成果导入至 Unity3D 平台中。同时，为了实现在不显著降低用户体验的前提下降低了计算机的渲染计算量，还需要对模型进行轻量化处理。首先通过模型减面工具对模型进行初步的简化处理，降低三维几何数据的数据量。对单体模型数据实现简化后，进一步采用相似性算法，对场景中相似的模型构件进行合并，仅保留一个构件的数据，其他相似构件只记录空间坐标，通过引用方式进行加载。通过这种方式可以有效减少构件数据量，达到模型轻量化的目的。64http:/电 力 勘 测 设 计第1期1.3 可配置的高自由度任务流程管理平台实现了全场景的高自由度操作，无任何线性操作限制，允许使用者在全图漫游以及进行交互操作。交互方式(包括拖拽、碰撞、放置以及触发等)全部基于物理效果实现，使得操作感更加真实、流畅，同时，物理效果的加入也使得用户在使用不同类别工机具时，实际操作体验会有所区别，带来更好的操作体验。同时，平台通过数据库实现任务流程配置及场景配置管理，借助通用性的 TaskCore 核心任务管理模块进行系统任务流程管理，使得任务流程管理更加灵活、易用。1.4 基于高清渲染管线的全工作流支持在 Unity 2018.1 中，Unity 引入了可编程渲染管线(scriptable render pipeline，SRP)，它能让使用者根据项目需求创建自定义渲染管线。可编程渲染管线 SRP 包含二个可直接使用的渲染管线，即轻量级渲染管线(lightweight render pipeline，LWRP)和 高 清 晰 渲 染 管 线(high-definition render pipeline，HDRP)。其中高清晰渲染管线 HDRP 旨在提供高级视觉保真度，适用于装备了高性能显卡的 PC 和主机平台等设备。本平台采用 HDRP，平台采用 5 000 m 5 000 m 的大地形场景，场景中所涉及的所有工机具、人物以及环境要素均采用 HDRP 标准进行制作。1.5 可复用的模块化开发模式在基础平台搭建过程中，由于涉及多种施工方案场景，平台采用模块化方式进行设计开发，可极大加快新场景的研发速度。包括可以复用的相机、可复用的任务管理模块、可复用的场景配置模块以及可复用的全局 UI 模块。对于通用的基础模块进行统一管理，任务管理模块通过数据库自动生成，可以灵活配置，不同工序环节的技术要点、先后顺序、权重分数以及提示信息等均可通过数据库进行管理，对于任意新增场景，均可通过模块化的开发方式迅速进行框架的搭建，而只需要针对定制化的部分进行建模和业务逻辑的开发。2 系统架构三维施工方案仿真模拟平台充分考虑系统的可扩充性、数据兼容性及三维可视化展示性能，采用 C/S 架构，主要包括数据服务层、功能逻辑层、业务逻辑层和业务应用层。其总体架构如图 1 所示。图1 三维施工方案仿真模拟平台系统架构数据服务层涵盖了所需的各类基础地理数据、三维模型、施工方案工序等内容，通过数据管理规范进行科学组织构建成数据库。通过数据库管理系统进行统一集中管理，为上层提供数据支撑。功能逻辑层是将所有功能进行了逻辑划分，按照不同类型划分为三维可视化组件以及数据管理与可视化组件。不同组件中包含了实现相同逻辑的功能。三维可视化组件包括：三维基本操作、碰撞检测、对象拾取与查询、显示控65基于Unity3D的施工方案模拟平台在特高压工程的应用研究http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 制等；数据管理与可视化组件包括：数据分层以及数据加载等，根据系统数据可视化的需要按照不同的逻辑将同类型的