Research on Tracking Technology Based on 3D Markers in Substation Equipment Training System
洪梓铭① HONG Zi-ming；龙梓杰② LONG Zi-jie
（①广州供电局有限公司，广州 510000；②广州科腾信息技术有限公司，广州 510000）
（①Guangzhou Power Supply Company Limited，Guangzhou 510000，China；
②Guangzhou Keteng Information Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）
摘要：任何时候电力系统停运都会导致损失巨大，无法通过实地模拟事故来的方式让工作人员演练进行培训，所以工作人员几乎没有应对事故的应变能力。国外，基于三维标识物的跟踪技术，制造虚拟场景培训工作人员在应对事故的能力，通过多次观察和演练培养出高素质运行人员，引进先进的变电设备培训系统，适应新的培训思维，推动变电设备培训的改革创新，以配套公司的综合发展战略。
Abstract: At any time, the power system outage will result in huge losses. It is impossible to train the staff to conduct training through field simulation of accidents, so the staff has almost no ability to respond to the accident. Abroad, based on the 3D marker tracking technology, virtual scene is made to train staff's ability to respond to accidents. High-quality operation personnel is cultivated through observation and exercise. The advanced substation equipment training system is introduced to help staff adapt to new training thinking, promote the reform and innovation of substation equipment training to support the company's comprehensive development strategy.
关键词：变电设备培训；虚拟场景；三维标识物的跟踪技术
Key words: substation equipment training；virtual scene；3D marker tracking technology
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）35-0275-02
0 引言
随着时代的发展，电网业务越来越多，变电设备更新换代，现有的仿真培训的确存在很多问题，改革创新一套符合现代水平的电力培训系统迫在眉睫。
1 研究目标
鉴于昂贵的变电设备不利于用于现有仿真培训，每当公司更新换代新变电设备，更急于直接上岗使用，几乎没有机会给运行人员充分的仿真学习，运行人员接触新型设备机会不多，依旧采用旧型号仿真培训导致公司进行电力系统培训时的效果极差，在虚拟环境下设备相互独立，与现实中有强烈物理关系的变电设备不同，依据变电设备的实际情况，通过升级电力培训仿真系统功能，增加变电设备的关联性，通过“万物互联”的物联网概念[1]，添加变电设备的详细数据和信息，增强变电设备之间信息传感强度，实时显示和采集在培训、连接、互动的设备的重要数据和信息，建立一套完整的培训网络，打造符合时代特征的智能化变电设备培训平台。本项目旨在利用增强现实技术[2]，助力广州供电局信息中心实现变电设备专业培训移动式系统的设计，建立基于真实环境中虚拟变电设备培训的电力培训平台，全面提升变电设备与其他设备、变电设备与培训人员等电力培训平台的效果，促进公司长期发展战略落地。
2 国内外研究现状
虚拟现实技术是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。基于虚拟现实技术增强现实技术，在南方电网公司没有人员在变电设备培训系统方向进行研究。
国际方面，北卡大学罗纳德阿祖玛最早提出了增强现实定义，以此为基础开发一ARToolKit应用程序进行对标识物的识别，仅可对单视点跟踪，标识物越复杂跟踪难度越大，由Unity Technologies公司研究Unity 3D开发引擎，不受标识物复杂程度影响，大大提高了对标识物的跟踪效果。Annette Mossel等人又提出了新操作技术3DTouch和HOMER-S，该技术突破了物理限制。如今，有多家公司提出了各种类型设备的电力系统仿真技术，如加拿大Manitoba直流研究中心的EMTDC、加拿大哥伦比亚大学的MicroTran和德国西门子的NETOMAC，都具有与电力系统仿真技术相似的软件功能[3]。同时谷歌公司起草Project Tango项目，设置四个摄像头、传感器和芯片的移动设备可以实时根据周围的环境进行3D建模，该技术现在已经在实际应用中体现，购车可以体验虚拟车辆，为客户提供全新的数字化体验方式。
国内方面，复旦大学宋志坚教授团队于2013在中国国际工业博览会上，通过增强现实技术引导医生完成肿瘤手术。电力行业与医学行业相类似的是，电力设备和临床病人同样在很难找到实际操作环境，可以通过增强现实技术进行高危操作，其展览会展示的项目其对电力行业极具有借鉴意义[4]。
3 研究内容
3.1 研究要点
①模型设计和三维场景搭建技术的研究。
在虚拟环境下的物理模型、几何模型、行为模型和三维场景生成是基于direct3d与opengl等技术，利用光学映射和模型构建效果，可以在虚拟场景绘画中添加物理材料和声音效果，如太阳、雾、水、油等。同时，可以实时浏览、测试、编辑三维场景，搭建所需培训场景。
②增强现实模型搭建技术的研究。
Vuforia和其他计算机视觉技术被用于实时识别并捕捉平面图像或简单的三维对象，通过摄像机取景器放置虚拟对象，对镜头前调整对象的位置在固体背景上。
③模型位置跟踪检测技术的研究。
移动装置可经由输入数据流模块、数据库数据流模块、跟踪对准匹配数据流模块跟踪、渲染数据流模块，对实际情况的取得实际场景中的图像的各帧进行像素转换。与实时应用程序对应的数据库中的ID匹配。匹配完成后，它会在实际场景中覆盖如3D模型、动画等虚拟对象，也可以与这些虚拟对象进行替换，呈现在移动终端[5]。
3.2 技术难点
①模型搭建和场景建设难点。
复杂的变电站构造，绘制时要依据现实世界基础制图的图纸为基础。同时，各种各样的类型，地域，制造厂产品种类繁多。虽然具有统一的标准，但是由于需要根据各装置的特性设计不同的模型，所以有较大的工作量。
②位置跟踪技术难点。
若在不稳定的情况下对图像每一帧抓取，会造成图像有缺陷而与实际情况不符，会导致对虚拟现实与实际位置有所偏移，影响虚拟培训。
4 技术方案
该项目将采用无人机实景建模技术、增强现实技术、VR全景技术等先进技术，变电站现实空间作为模型设计和开发。通过对三维扫描点云处理技术的无人机实景建模完成变电站沙盘模型，做出变电站实体沙盘模型；采用VR全景浏览以及增强现实技术进行变电设备的专业培训。
①模型设计和三维场景搭建。
在Unity3D中最重要的就是GameObject，场景里填纳3D物体，整体称之为组建，将不同物体安置在不同场景，组建中每个物体行为是核心，充当物体的功能模块。通过使用相机，可更真实反映应用场景。
②增强现实模型搭建。
模型取自现实中物体，变电设备的模型较为复杂，生成模型时，其下方有三个虚拟按键，每个按键分别显示不同信息，模型通过AR计算，算出物体与真实场景的实际位置，以该位置进行旋转。在自动导览时，实际光照环境和标志物是否被遮挡影响检测效果，使用移动设备更可增强呈现效果。
③型位置跟踪检测。
Vuforia可以检测和跟踪目标的图像，图像目标可以使彩色的不规则区域。Vuforia使用复杂的算法来检测图像自然特征，与资源数据库图像作比较。
5 基于三维标识物的跟踪技术达成的目的
①改善变电设备培训方式，将以往单一的现场培训方式转向虚拟培训方式，建立三维模型吸引学员学习乐趣，提升培训的作用[6]。
②变电站沙盘模型还原变电站真实情况，变电站内的设备信息距离非常符合原场景，学员可以不用去现场就可以感受现场变电设备的工作氛围。
③通过对变电站设备目标标签的存储、识别和显示功能，快速掌握设备的具体信息，通过多次观察分析，安全高效的学会变电站设备的使用。
④学员可以通过VR全景方式了解变电站设备之间距离和摆放位置，直观的了解整个变电站。
6 结束语
为了提高变电设备运行人员的技术水平，通过对国内外现状的分析，借鉴了医学行业的增强现实技术的应用，提出了基于三维标识物的跟踪技术且符合电力行业的培训系统，通过对原有培训系统的改革创新，调动学员对变电设备的兴趣，降低了培训难度，提高了培训效果，对提高公司整体员工技术水平有积极作用。
参考文献：
[1]吴义纯，周磊，房雪雷，等.变电站开关设备检修虚拟仿真培训系统开发与应用[J].电工技术，2018（5）.
[2]王顺浦.500kV变电站设备3D全景监控及培训系统研究[D].山东：山东大学，2017.
[3]李新芳，李新叶.基于虚拟技术的变电设备检修培训系统的设计[J].黑龙江科技信息，2014（35）.
[4]曹瑜，孙鹏，张红.基于三维虚拟技术的变电设备培训系统[J].电子测试，2013（5）.
[5]蔡伟，李龙华.水电站机电设备运行检修 3D 仿真培训界面设计.2011.
[6]钱玉春，袁敬忠，等.唐山郭家屯 220KV 数字化变电站工程实践[D].2009. |
