二维码、 AR技术在变电站设计交底中的应用

二维码、 AR技术在变电站设计交底中的应用

岳毛毛 ，苑博 ，许湧平

中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001

摘要: 充分利用现有三维数字化设计成果，在电网信息模型（grid information model，GIM）的基础上采用增强现实（AR）技术，并通过二维码技术将大量的数字信息植入到虚拟世界中，实现图纸的三维可视化、信息数字化，便于设计交底过程中信息的交流理解，减少误读、信息传递错误等情况，使设计意图更加直观，施工过程更加顺畅。 关键词: AR；增强现实；GIM；二维码；可视化；

中图分类号：TM 761　　　 　文献标识码：A　　 　　

0 引言^

国家电网公司目前已全面实行输变电工程数字化三维设计，如何更好地利用三维设计成果，将信息化、数字化、现代化等技术辅助施工管理，对实现“电网一张图、业务一条线、数据一个源”的泛在电力物联网建设目标具有重大的意义。

增强现实（AR）技术是一种新兴计算机应用和人机交互技术，通过多媒体、三维建模、实时跟踪等混合技术给用户呈现一个文字、图像、模型等信息增强的现实世界与虚拟世界的混合体，可增强用户对现实世界的感知能力^[1]。二维码作为一种全新的信息存储、传递和识别技术，能够在横、纵向同时表达多种语言文字、图像、数据信息，还可以通过解码标识点获取场景信息^[2]。

早在1996年，Webster就将AR技术应用于建筑施工、检查和维修中，展示了其教学指导作用，后来也有研究应用AR技术实现图纸的三维可视化、施工模拟可视化等。本文通过分析探讨二维码技术和AR技术在变电站工程设计交底以及施工过程中的应用，汲取国外先进的AR建筑应用技术，拟立项开发移动端应用程序并在实景中叠加可以互动的3D图像，便于设计交底和施工过程中信息的交流理解，减少误读、信息传递失真等情况^[1]。

1. 二维码、增强现实技术概述

1.1 二维码含义

二维码又称QR Code，QR全称Quick Response，是近几年来移动设备上非常流行的一种编码方式，它比传统的条形码BarCode能存储更多的信息，也能表示更多的数据类型。

二维条码／二维码用某种特定的几何图形按一定规律在平面（横向、纵向两个方位）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。它能提供更多的信息，具备纠错和加密的功能，应用空间更加广泛。正是因其具备储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、备援性大、制作成本低等诸多优点，使二维码技术近些年来在各个领域得到广泛应用和迅速发展^[2]。

1.2 AR技术概述

AR可以算是“Virtual Reality(虚拟现实)”技术的一个分支。AR系统中，通过对输入图像的处理、组织，建立起实景空间，计算机生成虚拟对象按照几何一致性嵌入实景空间中，形成虚拟融合的增强现实环境，再输入到显示系统中呈献给用户，用户通过交互设备与场景环境进行互动。AR系统的关键技术主要为：三维跟踪注册技术、虚拟对象的生成技术和可视化显示交互技术。其中三维跟踪注册技术尤为关键，和可视化显示互动技术直接体现了用户对环境的感知效果。而用户的体验效果则跟虚拟对象的生成技术息息相关^[3]。

2关键流程设计和技术研究

2.1 流程设计

本文所研究的成果主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括可以把计算机所生成的虚拟物体和用户当前所处的真实环境及提示文字信息等同时进行显示的载体。软件系统则是尝试利用Unity3D开发的可以进行增强现实对象的移动、旋转、缩放、剖切、动作触发等交互功能的APP。

主要设计流程是设计人员通过三维设计软件抽取变电站工程设计图纸时自动生成特定信息的二维码标识，在移动终端扫描特定的二维码，在预览画面中将二维图纸叠加3D模型效果，移动或者旋转移动终端，3D模型与二维图纸始终保持固定的位置关系，并能实时显示模型对应的文字信息（如：设计编码、实物ID、设计属性等），以此达到增强现实的体验。

2.2 关键技术研究

2.2.1三维模型轻量化并载入到云端数据库

变电站工程三维模型原始数据庞大，对硬件设施的配置要求很高，要想使三维模型在移动端流畅显示并无卡顿操作，必须对模型进行轻量化处理。

国网公司在2018年提出的模型交互移交GIM格式是一种开放性的中间交互格式，本文充分利用数字化设计GIM成果，通过将单个设备、设施模型物理信息及属性信息导出成GIM格式，并上传到工程专用云端数据库以备展示使用。

2.2.2三维设计图纸抽取时二维码自动生成

变电站工程采用三维设计后，大部分二维图纸要求直接从三维模型直接抽取生成。要想在设计图纸中加入二维码标志有两种方式，一种是图纸生成后重新编辑图纸手动将标记加在图面合适的位置，另一种是在图纸抽取时选择需要加入二维码标记的设备、设施，根据一定的图面排布规则（如：二维码打印在右下角）将二维码标志自动打印在图面上。

本文拟考虑将二维码生成器集成到三维设计软件中，在每个设备、设施属性录入时加入云端链接信息，图纸生成时可选择按照单个设备、设施打印二维码或者按照区域间隔打印二维码，这两种方式将会影响后期的AR展示效果。

2.2.3二维码识别并增强现实展示

该技术主要是指使用移动端“扫一扫”功能，扫描二维码，如信息匹配，移动端则会自动定位到该模型，并且展示该模型的属性和关联文件等信息。

但由于我们前期上传到云端的为GIM格式的模型，所以在扫描后必须在移动端安装特定的APP，用于解析GIM格式并用增强现实技术将其展示出来，供用户查看、旋转、缩放等各种交互操作。

（1）解析GIM

根据GIM文件的组成结构，F4System设备级cbm文件引用的dev文件为物理模型文件，引用的fam文件，其内包括“电网工程标识系统编码”、“实物ID”、“期次”、“相位”等主设备的工程属性。dev物理模型文件引用的fam文件，其内包含“名称”、“型号”等设备的特征属性。

图1 GIM文件引用关系图

此次GIM解析的原理为：根据GIM文件的引用关系（如图3所示），将底层mod文件中的模型用Unity3D中提前预制的基本图元模型（如图1所示）按照空间坐标关系进行快速重组，呈现原模型的模样，同时按照phm文件进行部件划分，并将相应属性信息从fam文件读取出来^[4]。

（2）可视化展示

增强现实客户端的开发工具选用Unity 3D，它是一个虚拟现实、跨平台应用程序开发引擎，支持C#高级编程语言进行脚本编写。

本文拟采用Vuforia SDK插件与二维码扫描结合的方式实现AR扫描。主要操作流程如下：

1）新建Unity 3D工程，导入Vuforia数据包和从云数据库下载的包含识别图的目标包。

2）删除Main Camera,添加AR Camera和Image Target到场景中（如图4所示），添加一个empty object对象（用来显示后期解析成功的GIM模型）到Image Target下,利用UI功能在界面中添加一个Label（用来显示模型的属性信息）。

3）设置AR Camera参数。

4）设置Image Target参数。

5) 调整Label的参数。

6）编写脚本为empty object添加GIM解析事件以及交互操作事件。

可视化的APP支持多人扫描同一张图纸，在各自便携式设备屏幕同时查看浏览三维模型，开展可视乎技术讨论。

3 结论或结语

在移动端应用AR技术实现扫描二维码展示变电站设计模型信息的功能，设计人员在现场即可进行设计图纸技术交底，使得施工现场的工作沟通高效便捷，同时有效利用了变电工程三维设计成果，为国网公司泛在物联网建设中的数据共享提供了实施参考。同时引入VR/AR、二维码等新技术将使得三维可视化的程度更加丰富，增加了虚拟施工的真实性。所以，后期将这些技术具体应用到实际工程施工建设过程将会形成更多的指导性建议和方法^[5]。

参考文献：

[1]黄涛娟.AR技术在建筑施工领域的开发与应用[J] .建筑施工，40（10）：1831-1837.

[2]舒宝林，岳春阳. 二维码识别技术在设备材料管理中的应用[J] .工程建设与设计，2017，z1：103-106.

[3] 顾长海.增强现实(AR)技术应用与发展趋势[J] .中国安防，2018, （8）：81-85.

[4]Q-GDW 11809-2018输变电工程三维设计模型交互规范[S]．北京：国家电网有限公司，2018．

[5]李 钰，吕建国.基于BIM 和VR/AR 技术的地铁施工信息化安全管理体系[J] . 工 程 管 理 学 报，2017，31（4）：111

^作者简介 ：岳毛毛(1984—)，女，硕士研究生，高级工程师，主要从事工作为三维数字化设计。

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