摘 要：牵引变电所向智能化和数字化转型的蓬勃发展，对牵引变电所辅助监控系统监测的准确性和及时性提出了更高的要求。三维可视化技术是数字化转型的一个重要方向，可进一步推动智能化技术迭代升级。通过对三维可视化技术和电力装备的视觉化应用进行研究，便于进行数据分析和辅助决策，绘制牵引变电所的三维场景，可实时监控设备信息和运行状态，结合实景画面，能直观生动地展示牵引变电所全貌，提高作业人员获取信息以及运维工作的效率。
关键词：虚幻引擎；实景建模；牵引变电所；三维可视化
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）20-0098-05
Realization of Three-dimensional Visualization of Substation Auxiliary Control System Based on Unreal Engine and Real Scene Modeling
ZHAN Yan， ZONG Qizhen， ZENG Qingxuan
（Nanjing Guodian Nanzi Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210032， China）
Abstract： The vigorous development of traction substation which transforms to be intelligent and digital puts forward higher requirements for the accuracy and timeliness of monitoring of auxiliary monitoring system of traction substation. Three-dimensional visualization technology is an important direction of digital transformation， which can further promote the iterative upgrading of intelligent technology. Through the research on the visual application of three-dimensional visualization technology and electrical equipment， it is convenient to carry out data analysis and auxiliary decision-making. It draws the three-dimensional scene of traction substation， monitors the equipment information and operation status in real time， displays the complete picture of traction substation intuitively and vividly in combination with the real picture， and improves the efficiency of operation staff to obtain information and operatijEoJOioqcktCM+lSivZgaw==on and maintenance work.
Keywords： Unreal Engine; real scene modeling; traction substation; three-dimensional visualization
0 引 言
近年来，随着社会经济的快速发展，牵引变电所规模不断扩大，拓扑结构日益复杂，先进自动化设备不断升级。作为电力系统中重要的组成部分，其运行管理对电力系统的稳定运行至关重要，对供电安全稳定的要求越来越高[1]。传统的变电所辅控系统一般采用二维平面图形展示，操作人员往往需要依靠丰富的经验来判断设备状态和运行情况。为了提高变电所设施运维和处理事故的效率，操作人员在进行设备巡检和故障诊断时需要更好的变电所场景视觉效果。三维可视化技术作为展示和表达数据的一种有效形式，对于发电企业的数据管理及智能化发展都具有极高的应用价值[2]。随着虚拟现实技术的发展，三维可视化技术与实景建模技术结合，可以为变电所运维管理带来全新的视觉体验和操作方式，提高运维效率和安全性。
1 主要技术介绍
1.1 虚幻引擎
虚幻引擎（Unreal Engine， UE）是一款由史诗游戏公司（Epic Games）开发的三维游戏引擎，常用于电子游戏制作。这款引擎具有强大的渲染和物理效果，能够创建逼真的虚拟世界，其灵活性和可扩展性使得虚幻引擎不仅可以应用于游戏开发，还可以用于模拟、建模等领域，同时在影视、广播、建筑、汽车、模拟仿真训练等行业也有广泛应用[3]。
Datasmith插件是一个转换插件[4]，可以将SketchUp、3ds Max、ZBrush等建模软件中变电所项目相关的场景模型链接到虚幻引擎的数据接口中。它同时支持DCC、CAD、BIM、GIM等各种格式的高分辨率转换，最终集成了多种专业软件模型。
蓝图系统是虚幻引擎中的一种Visul Script工具，可以让开发人员在不编写代码的情况下创建游戏逻辑和行为。开发人员可以通过可视化编程的方式拖放节点来连接不同的功能，并实时预览效果。虚幻引擎蓝图脚本与C++结合的编程方法可以简洁快速地实现业务层面人机交互功能的开发，大大减少了编写底层逻辑代码的工作量，如变电所内电气设备业务数据展示、视频流接入、模拟巡视等功能。并且，其编译速度快，便于开发测试和修改，为三维牵引变电所的效果展示提供了多样的选择与高度的可编辑性。
1.2 实景建模
在变电所三维建模应用方面，目前已建设的三维数字孪生体基本还处于效果展示阶段，仅实现了一些初级应用[5]。目前，运维人员一般在PC端开展巡检工作，系统通常展示变电所简易二维平面图，缺少全景三维智能交互功能，这使得运维人员很难把握现场全貌、提升体验感。
实景建模技术是一种将真实场景或物体转化为虚拟模型的技术，它基于摄像机或扫描仪获取的真实场景的数据，建立一个最大程度还原设备设施、建筑环境的三维场景，以达到身临其境的效果。在碰撞检查方面，三维模型有着许多优势，如定位的坐标精确，能够自动检查机械安装的准确性和合理性，还可以检查带电体和接地体之间的绝缘规范标准[6]。
从实现手段出发，三维建模技术可以分为测绘建模和图样参数建模两大类。测绘建模技术即同步定位与建图（Simultaneous Localization And Mapping， SLAM），是一种针对实体、基于倾斜摄影、近景摄影和三维激光扫描获取数据生成对应三维模型的方法。SLAM方法通过将传感器信息（如相机、激光雷达数据等）与机器人位姿信息相结合，实现对环境的建模和自身定位。其核心思想是在估计机器人当前的位姿和地图的同时，优化这两者之间的关系，从而建立起一幅完整的三维地图。基于SLAM方法的测绘建模三维模型能反映变电所内建筑设备的外观和位置，真实描绘外观，但不能反映设备内部部件之间装配接口、电气连接等逻辑关系[7]。图样参数化建模是将二维的图样或参数转化为三维的模型。这种方法可以直观反映模型的参数、装配和电气接线等逻辑关系，但外观不能完全反映设备和建筑的真实形态。三维牵引变电所中的数字化设备应做到外观识别度高，各部件细节肉眼可见，能实时获取并显示现场设备的运行状态，如刀闸的开闭、球机预置位等。这对设备的三维建模提出了层次化、结构化的要求。
1.3 PBR流程三维重建
PBR（Physical Based Rendering）技术是一种基于物理真实原理的渲染方法，旨在模拟真实世界材质的光学特性，包括反射、折射和散射等。PBR技术通过使用不同的纹理贴图（如漫反射贴图、金属度贴图、粗糙度贴图等）来描述材质的外观和光学特性，从而实现更加逼真的渲染效果。
PBR三维建模流程如下：
1）选择合适的三维建模软件（如Blender、Maya、3ds Max等）创建模型，确保模型拓扑结构和UV映射合理，以便后续的loSvTWJ2um0d2/ESST2gxl9Jh5tsbdjizOUAAa3kecY=纹理贴图制作和设置。
2）制作漫反射贴图、金属度贴图和粗糙度贴图等纹理贴图。在制作过程中，可以使用照片纹理、手绘纹理或PBR材质库等资源，确保纹理贴图的质量和分辨率足够高以获得更好的渲染效果。
3）将创建好的纹理贴图应用到模型的材质上，并根据需要调整纹理贴图的参数，如颜色、对比度、亮度等，确保各个纹理贴图在视觉上协调一致。
4）在渲染引擎中设置光源，调整光源的位置、颜色和强度以达到理想的照明效果，通过调整环境光、阴影和反射等参数，进一步提升渲染质量和逼真度。
借助PBR技术，设计师可以轻松地创建逼真的材质效果，如金属质感、皮革质感、玻璃质感等。通过合理的纹理贴图制作和调整，结合精确的光照设置，可以呈现出极具真实感的渲染效果。
2 系统设计与实现
2.1 三维建模
为提高可视化效果，满足牵引变电所智能运维要求，三维模型的建立过程应将测绘建模和参数建模结合起来，建模流程如图1所示。对于建成的变电所，采用激光雷达现场扫描，配合使用计算机视觉标记技术，构建所内全局激光点云，达到厘米级的三维重建准确度。点云是由大量离散点组成的三维空间数据集合，其原始数据以XYZ坐标形式存在，每个点还可能包含RGB颜色、强度等信息，通过对点云数据进行去噪、滤波、配准等预处理操作，提高数据质量和准确性。基于PointNet、PointNet++、Poisson重建等深度学习的点云处理和三维重建方法构建变电所建筑、设备模型，采用PBR流程在3ds Max软件中完成高准确度的三维建模，其中变压器单体建模部分UV展开如图2所示。
2.2 场景搭建
通过Datasmith插件将设备、线缆、建筑等三维模型导入UE5.0编辑器中，按照牵引变电所的CAD施工图和实拍图进行场景搭建，确保二维图纸与三维模型精准对应，旨在达到故障处理、运行操作可视化的目的，提高变电所运行维护效率[8]。在场景效果优化方面，将模型中的光照效果、颜色显示、纹理渲染细节等使用虚幻引擎的渲染机制对变电所场景进行渲染调整，以获得最真实的效果。牵引变电所三维场景分为室外场景和室内场景，模型组织结构如图3所示。室外场景主要包括一次设备模型、建筑和地面道路，室内场景分为高压室场景、控制室场景等。其中，高压室场景主要为真空断路器、隔离开关、互感器等设备模型；控制室场景主要包括主变测控屏、馈线保护测控屏等二次设备模型[9]。最终搭建效果如图4所示。
2.3 交互功能开发
2.3.1 全景信息展示
采集变电所的外观、位置与隶属关系等信息，以及主要监控设备的外观与位置信息，生成信息列表[10]。通过TCP/IP协议实现与辅助监控数据采集系统的网络通信，实时读取设备的动态信息，并在场景中相应设备上方进行实时展示，使牵引变电所内主要设备的工作状态一目了然，方便运维人员进行全景信息监视，提高工作效率。调用的关键蓝图函数如图5所示。
2.3.2 视频监控场景关联
根据牵引变电所CAD施工图纸，将视频监控模型点对点地布局在三维场景中，解决以往视频画面显示与实地场景位置关联性不高的问题，形成视频监控在时间、空间维度上的展示，辅助现场视频监控的部署与调试。
2.3.3 OpenCV视频流纹理转换
OpenCV提供了VideoCapture类来支持各种格式的视频流，通过传入变电所内摄像机的RTSP URL实现对摄像机的访问，并逐帧处理视频数据获取视频流的帧率、分辨率等信息，将获取的图像帧数据转换为OpenCV的Mat类型，并利用OpenGL的纹理对象将图像数据传递给GPU进行渲染，在UI界面上进行更新播放，通过多线程实现视频打开和关闭的全异步化，并接入SDK实现实时监控与远程控制、预置位和巡航功能、智能分析与自动追踪等扩展功能。部分关键代码如图6所示。
2.3.4 运行时编辑与配置
基于虚幻引擎中UI的拖放操作和配置文件读取系统，通过变电所三维场景中模型的动态加载、编辑与配置功能，实现了变电所三维场景的动态化搭建。通过配置文件保存场景中主要监控设备的固定配置信息，如名称和访问URL；通过SaveGame文件保存数组实现场景中主要监控设备运行时配置数据的持久化本地存储。数组元素的数据结构如图7所示，将设备ID与本地数据按图8所示进行一一映射，帮助运维人员更好地组织与管理场景数据，提高了系统的复用性、灵活度和自由度。
3 系统测试和应用
系统整体设计实现完成后，以已建成的220 kV凉帽牵引变电所为例在PC端进行全功能测试，运行界面如图9所示。
测试结果显示，系统的各个业务功能均已实现正常且达到使用要求，但系统画面在运行过程中出现了卡顿现象，同时打开视频流时也存在缓慢与卡顿的问题。针对这些问题，以下为分析与优化方案：
1）UE5.0可以使用高模进行场景制作，并且高模可以提供更多的细节和精度。但是，高面数的模型会增加场景的渲染负担，导致场景运行卡顿。因此，在建模过程中，要对三维模型进行减面操作，删除模型的费点、费面、费线。适当删除不必要的结构，如设备间的连线、螺丝、螺母以及由一层层陶瓷组成的避雷器、绝缘子等结构。同时，通过细节贴图等技术来提高模型的细节和精度。优化后的低面数三维模型可以更好地适应不同的屏幕尺寸和设备性能，确保场景在各种环境下都能够流畅运行，使CPU占用率稳定在10%左右，满足系统使用要求。
2）当一路监控视频进入NVR后，NVR可以编码提供两种码流：主码流和子码流。主码流一般码流较大，清晰度高，占用带宽高。子码流在主码流的图像环境下降低了图像格式，清晰度较主码流要低，占用带宽低。访问摄像机获取视频流数据时将RTSP URL改为子码流格式，有效解决了视频打开缓慢卡顿的问题，同时保证了视频的清晰度，满足系统使用要求。
4 结 论
在可视化分析方面，通过三维建模技术，工程师可以直观地查看牵引变电所的结构和布局，从而更好地理解其运行原理和故障排查机制。在规划设计优化方面，三维建模可以帮助工程师更好地布局设备、优化结构，提高系统的效率和可靠性。在运行维护管理方面，利用三维建模技术，运维人员可以实现对设备状态的实时监测，快速定位问题并进行维护，提高系统的可靠性和安全性。基于虚幻引擎强大的渲染效果，结合实景建模技术所搭建的三维可视化牵引变电所场景，不仅实现了牵引变电所全景全息可视化展示，还提供了业务层面的交互功能，提高了牵引变电所的运维质量，缩短了获取全景信息的时间，为变电所运维管理提供了新形式和新思路，具有很大的实用意义。
参考文献：
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[8] 刘文辉，郑波，董依培.已建水电站逆向三维建模方法、装置、存储介质及设备：CN110473287A [P].2019-11-19.
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[10] 刘云根，郭锦超，罗李毅，等.三维场景下基于GIS技术的变电设备管理及数据展示模型 [J].电力信息与通信技术，2021，19（7）：90-97.
作者简介：詹妍（1999—），女，汉族，浙江义乌人，开发设计师，本科，研究方向：轨道交通信号与控制。
