摘 要：本文基于AR（增强现实）空间测量方法，通过对现实世界真实物体图像信息进行实时计算，虚拟构造三维空间系统，完成非接触式空间尺寸测量。并在现实世界真实场景适当的位置叠加显示适当的虚拟信息，将数字标尺信息与周围的环境融合。这种AR（增强现实）空间测量方法，不需要接触物体即可测量物体的空间位置，并与三维设计BIM数据进行实时比较，将误差点实时反馈给竣工验收人员。达到节省大量的人工测量，保证验收质量，提高变电工程验收智能化水平的目的。
关键词：增强现实；空间测量；变电工程；竣工验收
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2018）12-0190-03
Research on Completion Acceptance of Substation Engineering Based on
AR Space Measurement Technology
LIN Ruizong，PENG Chuanxiang，GAO Xian，LI Zhenglin
（State Grid Fujian Electric Power Company Limited Economic and Technological Research Institute，Fuzhou 350000，China）
Abstract：Based on an AR （augmented reality） space measurement method，the real-time calculation of real-world object image information，virtual construction of three-dimensional space system，the completion of non-contact space size measurement. And in the real world scene appropriate location overlay display appropriate virtual information，the digital ruler information and the surrounding environment integration. This AR space measurement method can measure the spatial position of the object without touching the object. Compared with the 3D design BIM data，the error points are fed back to the completion acceptance personnel in real time. It can save a lot of manual measurement，ensure the quality of acceptance，and improve the intelligent level of acceptance of substation engineering.
Keywords：augmented reality；space measurement；substation engineering；completion acceptance
0 引 言
增强现实（Augmented Reality，简称AR）[1]，是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让虚拟世界与现实世界进行互动的技术。增强现实的三大特点：三维注册、实时交互和虚实融合。
建筑信息化模型简称BIM，是一个完备的信息模型，通过三维技术对变电站工程进行设计[2]，BIM设计的意图，在变电工程建造完成后需要在进行逐项核查。将BIM变电站BIM三维模型作为工程验收基准数据，并借助AR空间测量技术将变电站实物与变电站三维设计方案融合，实现变电站实物与工程设计方案的精准核对，提高变电工程验收智能化水平。
1 背景介绍
变电站施工建造，分为阶段性验收和整体工程验收。验收过程中需对实际建筑物及变电站设备进行安装尺寸及位置的测量。由于变电站系统设备多，室内外空间结构复杂，人工测量耗人力。而且，人工测量，需借助各种测量工具，对于尺寸较大的设备需要搭设人字梯或通过其他方式辅助测量，存在跌落风险。变电工程竣工验收的复杂性给目前AR硬件实现变电站实物与工程设计方案的精准核对、误差点分析带来诸多挑战。
2 技术框架
本文提出的一种基于AR空间测量技术的变电站验收方法，技术框架如下：
2.1 变电设备三维数字化模型参数导入
BIM三维数字化模型需最大程度保留原BIM模型参数的完整。通过BIM三维数字化模型向通用模型转换。将BIM模型导入AR应用引擎。
2.2 变电设备三维数字化模型与实物模型融合显示
利用AR技术，通过对变电站设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加三维数字化模型，实现变电站设备三维数字化模型与实物模型的融合显示。
2.3 工程验收技术算法
通过AR应用引擎，实现竣工验收尺寸的动态显示、标记及计算。根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位[3]，以AR形式完成设备的尺寸测量。借助AR智能移动终端，将竣工验收实测项与三维模型基准进行一致性评估。
2.4 基于AR空间测量技术实现APP功能
开发移动终端APP实现上述涉及到的算法及功能。
基于AR空间测量技术的变电站验收技术，整体技术框架如图1所示。
3 技术实现方式
本文提出的基于AR空间测量技术的变电站验收方法的具体实施方式如下。
3.1 变电站主要设备关键检查点信息处理方法
选取变电站一种设备为例，首先导入三维数字化模型参数，再通过设备三维数字化模型与实物模型的融合显示，实现交互式地标记设备三维数字化模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。
（1）变电站设备三维数字化模型参数导入。BIM三维数字化模型参数承担着基准信息数据库的重要作用，需要最大程度保留原BIM模型的参数完整，杜绝重复建模。BIM三维设计平台与AR增强现实应用引擎属于不同的系统平台，彼此平台间的数据传导必须借助标准化的三维数据。因此BIM三维数字化模型导入AR增强现实应用引擎导入前，必须完成数据的标准化处理。
首先借助Maya等多边形模型处理软件将BIM三维数字化模型转化为可编辑的多边形对象，然后通过对该多边形对象的各子对像进行参数校对、特征优化、网格处理、属性赋予、外观渲染、以及杂项过滤等操作，完成变电站主要设备的标准化处理，实现BIM三维数字化模型向标准Polygon模型的转换，实现AR应用引擎准确地访问变电站主要设备BIM三维数字化模型的详细参数，如图2所示。
（2）设备三维模型与实物模型的融合显示。利用AR技术，通过对设备实物模型进行实时计算，在实物模型适当的位置叠加显示适当的三维数字化模型，实现变电站设备数字模型与实物模型的融合显示，完成真实世界与BIM三维数字化模型的人机互动。
AR技术核心问题是让观察者在实物模型和三维数字模型之间保持视觉一致性。视觉一致性包含运动一致性、环境一致性、光照一致性等多个方面。
运动一致性：当观察者在真实场景中运动时，三维数字模型中虚拟设备相对应于真实场景作一致的运动。通过相机姿态估计，跟踪定位观察位置和方向的传感和处理。
环境一致性：真实场景中真实物体和虚拟场景中虚拟物体保持透视关系一致。通过水平面检测，对环境进行感知，解决AR的环境一致性问题。在获得一定数量的3D特征点后，根据尺度、方向和位置找出最匹配的平面。AR增强现实应用引擎不断分析3D特征点并绘制平面实例，如图3所示。
光照一致性：AR场景中设备三维模型的光照效果，与其真实物理环境保存一致；即，三维模型表面具有真实的光照效果。当光照射到三维模型表面时，对光会发生反射、透射、吸收、衍射、折射和干涉等一系列作用。
（3）交互式地标记变电站三维模型的关键检查点，标记、计算并显示关键检查点之间的位置信息。在AR智能移动终端上交互式地标记变电站设备三维模型的关键检查点，并能使三维模型对简便地实现缩放、旋转等操作，通过3D图形界面向竣工验收人员设备的尺寸、关键检查点等参考信息。验收人员能直观地了解实物模型的关键检查点位置。
3.2 变电站主要设备工程验收技术算法
研究相应算法，实现变电站设备的安放位置、安全距离等的测量。设备实物模型的尺寸计算是基于空间两点间距离构造的，利用AR增强现实应用引擎获取实物模型的测量点坐标，利用坐标可求出空间中两点间的距离，再通过几何构造实现实物尺寸的计算。空间直角坐标系中，测点距离的计算方法如下：
设A（x1，y1，z1）和B（x2，y2，z2）是空间两点，过A和B各作三个分别垂直于坐标轴的平面，这六个平面围成一个以AB为对角线的长方体，它的三条棱长分别是│x2-x1│，│y2-y1│，│z2-z1│，由于A和B之间的距离d就是该长方体对角线AB的长度，且△ANB和△APN都是直角三角形，得：
空间两点间的距离特殊地，空间的点M（x，y，z）与原点O（0，0，0）之间的距离为：
（1）变电站设备几何位置的测量。根据实物模型的数学几何关系，构造实物模型的几何方位。以AR交互的形式完成对变电站设备的安放位置、安全距离测量。选取变电站主变实物模型为例，使用AR智能移动终端，对主变实物模型安放位置、安全距离的关键点进行AR测量。系统会对用户进行实时指导，以帮助完成数学几何关系构建。AR移动终端自动完成相关部件安放位置、安全距离的计算。
（2）设计方案校对。借助AR智能移动终端，完成变电站主要设备尺寸测量后，将竣工验收的实测检查项与三维设计模型基准参数进行差异化评估，通过数据列表的形式将所有偏差项进行显示，AR智能终端将有偏差的验收项目在AR场景中标记出来，并高亮显示异常信息，如图4所示。
5 结 论
本文提出一种基于AR空间测量技术的变电工程竣工验收技术，实现变电站竣工验收过程中：交互式标记三维模型关键检查点，计算并显示关键检查点之间位置信息；通过变电站实物与三维模型轮廓融合显示，实现安放位置、安全距离等的测量和校对；本软件系统响应迅速，操作界面友好，操作符合人机交互要求。最终这套系统为保证提高变电站竣工验收管理信息化水平，提高工作效率提供了有效的手段。
参考文献：
[1] Ronald T. Azuma. A Survey of Augmented Reality [J]. Presence： Teleoperators Virtual Environments，1997，6（4）： 355-385.
[2] 毕振波，王慧琴，潘文彦，等.云计算模式下BIM的应用研究 [J].建筑技术，2013，44（10）：917-919.
[3] 杨辞源，吴诗中.目标识别与追踪技术在AR设备上的应用及发展研究 [J].工业设计，2018（6）：13-15.
作者简介：林瑞宗（1966-），男，汉族，福建莆田人，变电室主任，研究员级高级工程师，硕士。研究方向：电力规划设计、电力技术经济分析和电力市场等。
