特高压钢管塔施工技术虚拟现实仿真系统集成与标准化研究

丁宝民李继征单军

（山东送变电工程公司山东济南250118）

摘要：特高压线路输送容量大，在电网中占有极其重要的地位，其安全稳定性直接关系到整个电网的安全。文章对此虚拟现实仿真系统的建设、集成系统的开发，将标准化集成到虚拟仿真系统中进行了分析与研究，从而实现虚拟施工演练和标准工艺培训，为工程施工方案选择和控制提供数据和直观形象支持，引导输变电工程施工培训的发展方向。

关键词：特高压钢管塔；施工技术；虚拟现实仿真系统；标准化

中图分类号：TM726.1文献标识码：

1前言

虚拟现实仿真系统将3D仿真技术与虚拟技术相结合，可以将人员置身于模拟场景中，进一步加深人员对各类操作直观印象。将虚拟现实仿真系统引入到特高压钢管塔组立及架线施工培训中，增强受训人员对标准工艺、安全技术措施等的掌握程度，提高培训效果非常必要且意义重大[1-2]。

2技术研究

2.1系统框架

特高压钢管塔施工技术虚拟现实仿真系统将施工工艺设计、技术考核、仿真试验和仿真数据擦剂、分析及处理集于一体，设置演练考核和仿真培训模板，设置系统集成模块，将标准工艺集成到仿真系统中，将抽象的概念、复杂的技术、重要的措施、规范的行为用3D虚拟仿真技术进行模拟，直观的展示给施工人员[3]。特高压钢管塔及架线施工技术虚拟现实仿真系统框架如图1所示。通过自主虚拟漫游对施工过程进行全方位、多角度观察，便于受训人员全方位掌控施工过程机具的各个部分的状态，增强掌控施工全局的能力[4]。

2.2虚拟场景设计

虚拟景观的模型设计采用分形算法，实现场景自然景观及模型的优化。在分析场景、三维地形数据等大规模数据的基础上，将单个地形以基于四叉树的金字塔层次结构形分块式，充分发挥图形处理器的性能，提高绘制效率。基于四叉树结构的三角网剖分算法，消除不同分辨率节点邻接处的裂缝，动态实现了一系列地形分块与多级L00相结合的地形实时绘制，充分利用图形处理器的计算能力，大幅度降低了在显存和内存之问传输的地形数据量，有效地改善了中央处理器和图形处理器之间的并行处理能力，增加了每秒可绘制的三角形总数，提高了渲染效率。大数据场景建模技术是基于分形几何学理论的分形算法，主要包括切变位移法、逆傅立叶变换法、重线性细分法、随机中点迭代法等。物模型构建算法有：L一系统、迭代函数系统、受限扩散凝聚模型和粒子系统，L一系统可快捷生成植物图形且数据量小。在确保地形真实感的前提下，以上关键技术的应用可以提高三维地形显示的画面质量和显示帧速率。同时，设置三种常见的虚拟场景，平地、丘陵和山地，对其三种虚拟场景的钢管塔组装集成到虚拟系统中，这样就可以现成标准化的培训，大家可以对这种常见三种虚拟场景中钢管塔的组装有着直接的了解，提高培训的效果。

2.3模拟技术

在特高压钢管塔组立和架线施工中，要模拟抱杆起立、塔材吊装、牵张引机布置、张力机放线、弧垂计算等工序及其运行状态，并且将这些常规的模拟技术集成到现实虚拟系统中，随时可以调出来，对其进行相关的培训工作，其模拟技术应该做好如下工作：

（1）建立抱杆、吊车、塔机、牵引机、张力机、绞磨等工器具的数学模型，并为每个数学模型设置反应器，通过信息传递通道，接收信息并作出反应。

（2）每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统最终能稳定输出结果。

（3）建立数学模型容错机制，防止出现不连续空间，保证模拟系统平滑、稳定运行。

（4）反应器的精度应是可调的，且在可调范围内都连续且收敛的，保证模拟结果的精细程度和系统运行速度平衡协调。

（5）当出现容错机制无法处理时，如出现计算发散、离散等情况，系统必须能够立即停止模拟。

（6）借助人工智能神经网络技术处理各节点的运算关系，提升模拟计算的效率和稳定性。

（7）系统需优化运算速度以保证虚拟场景模拟操作的平稳可视化输出。

通过模拟运行技术，实现钢管塔组立及架线施工中运动参数信息、物体受力计算、运动方式变化等施工过程的可视化仿真，观察在不同情况下设备或物体的运动轨迹及受力状态，为机具的选择提供指导。

3研发成果

（1）特高压钢管塔施工虚拟现实仿真系统集成与开发

深化内悬浮外拉线抱杆分解组塔模块、双平臂上顶升落地抱杆分解组塔模块、双平臂下顶升落地抱杆分解组塔模块，单动臂落地抱杆分解组塔模块等组塔方式仿真系统。

1）基于标准化铁塔组立施工导则、规范规程，细化施工工艺过程，强调施工难点、关键点和风险点，以三维模型展示现场中可能出现的错误、违规操作，对比展示标准化施工和违规施工过程，强化安全意识，贴近实际，高效指导施工[9]。

2）基于虚拟施工场景中多样的地形、气候和环境因素，结合人物模型，模拟现有的事故风险因素成因和风险后果，增强安全意识，强化安全施工。

（2）特高压钢管塔施工技术虚拟现实仿真标准化、规范化研究

钢管塔施工中工器具配置标准化、人员配置标准化、安全、质量管控标准化及施工措施标准化研究，集成到虚拟仿真系统。

1）根据实测和图纸数据，创建高精度三维工器具模型，建立工器具模型库，模型关联配置标准化工器具使用规则、注意事项和验收标准，实现施工机具的标准化使用[10]。

2）完善特高压铁塔施工过程，实现铁塔施工准备准备阶段至验收阶段全过程培训。强化铁塔组立过程及最终验收标准，通过数据、模型展示现行的验收准则和要求，更高效开展培训，指导施工，系统配置开放接口，增强系统扩展性。

3）规范人员配置，建立岗位标准化配置图，给出最低标准化配置岗位，关联岗位职责，推进施工规范化管理和控制，使施工人员快速掌握管理体系和责任划分。

4系统应用

所开发的特高压钢管塔施工技术虚拟现实仿真系统，以及标准化和规范化模式，在该工程施工交底中推广使用，对全线25个施工标段、6个监理标段、4个业主项目部的全体人员开展了1000余人次的培训，并通过各施工项目部对全线组塔及架线的全体施工人员开展了20000余人次的现场培训。受训人员普遍反映所开发的系统直观、形象、易理解，培训教室全面展示了整个施工流程中安全、质量、技术、工艺要求，实现了施工过程的内容全覆盖，彻底改变了传统文本、ppt讲解等知识灌输型的培训模式。

5结论

（1）开发了特高压钢管塔施工技术虚拟现实仿真系统集成与标准化建设，通过培训教室、培训考核模块，全面展示了施工过程的工艺细节、安全要求、质量措施等内容，使受训人员迅速掌握交底信息，缩短受训人员从入门级到专业水准的时间，搭建了受训人员快速成长的通道。

（2）虚拟现实仿真系统标准化实现了施工机具的标准化使用，培训的高效进行，优化了人员结构，明确了各自的职责，为特高压钢管塔的顺利竣工奠定了基础。

参考文献：

[1]朱红亮.虚拟现实技术在电力培训中的应用[D].浙江大学，2012.

[2]刘建锋.悬浮抱杆组塔全程监控系统的研究与实现[D].南京理工大学，2013.

[3]王海宁.750kV双回路钢管塔分解组立施工[J].价值工程，2012（23）：133-135.