基于AR和BIM的地下电缆三维数字可视化定位方法与流程

本发明属于电网输变电工程领域，涉及一种基于ar和bim的地下电缆三维数字可视化定位方法。

背景技术

随着城市化水平的不断提高，绿色城市和智慧城市建设成为当前城市化建设的重中之重，城市地下综合管廊建设是创新城市基础设施建设的重要举措。对电网企业而言，电缆入地和地下电缆建设的需求日益迫切。同时，随着输变电工程智能化水平的日益提高，输变电工程中控制电缆的数量也随之日渐增多，复杂性日益增大，这无形中为电网公司的地下电缆管理工作带来了新的挑战，也对电网公司地下电缆管理水平提出了更高的要求。

由于输变电工程电缆位于地下，在输变电工程验收、扩建、检修阶段目前还存在地下电缆定位困难的问题，需要采用掀开电缆沟盖板方式人工确认，不仅增加了工作人员的工作量，还有可能在掀开电缆沟盖板的同时对电缆造成损伤和误移动，为正常的工作带来不必要的麻烦。同时，在运维及施工过程中破坏地下电缆所造成的停电事故频发，影响供电质量，危机人们的生命财产安全，因此采取一定技术方法提高电网公司对地下电缆的管理水平是十分有必要的。

目前，电网公司对地下电缆管理方法存在如下困难和不足：

1、随着控制电缆数量的日益增多和复杂化，对各电缆的数据化管理的需求十分迫切；

2、依靠测定或参照物相对位置定位方法不可靠，受环境限制影响导致差异较大，不具备推广性；

3、输变电工程存在一些功能性建筑，对输变电工程建筑室内电缆沟内的电缆管理与定位若采用卫星定位或rtk方式得到的定位结果误差较大，且室内由于接收不到卫星信号，可能导致该种定位方式失效；

4、使用点对点定位标示器单体成本本身就比较高，同时电缆数量多，进一步增加了其投资建设成本，限制了该方法的推广应用。

因此，为了解决上述问题，即使不掀开电缆沟盖板也能实现电缆信息的可视化，提高对地下电缆的现场定位效率，本发明提出一种基于ar和bim技术的地下电缆三维数字可视化定位方法。利用本发明提出的方法，可为输变电工程设计阶段提供新的设计展示和方案讨论方式，在建设阶段提供新的技术交底方式方便施工人员理解，在竣工验收阶段提供新的智能辅助验收手段，在日常运行维护和扩建阶段方便工作人员快速定位特定的电缆及路径，减少施工队地下电缆造成的破坏所引发的各类事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于ar和bim的地下电缆三维数字可视化定位方法，依托gis地理信息系统和地下电缆三维数字化bim模型，ar智能硬件通过固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签及所包含的信息，实现对地下电缆的定位，进一步借助ar智能硬件的定位信息和方位信息等信息，实现地下电缆三维数字化实时动态ar显示。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于ar和bim的地下电缆三维数字可视化定位方法，首先，建立地下电缆三维数字化bim模型：基于gis地理信息系统和输变电工程电缆数据信息，构建地下电缆三维数字化bim模型，形成地下电缆三维数字化bim模型；其次，前端、后端实时数据信息交互与处理：将地下电缆三维数字化bim模型存储于后端服务器；前端ar智能硬件在现场与后端服务器进行信息交互；前端ar智能硬件向后端服务器传输包括地下电缆的地理位置、参数设置、数据交互需求在内的各类信息，后端服务器综合考虑前端ar智能硬件的地理位置信息、参数设置信息和数据交互需求向前端ar智能硬件实时传输所需数据；最后，地下电缆三维数字化实时动态ar显示：前端ar智能硬件根据后端服务器传输数据进行前端ar智能硬件的空间位置匹配，而后前端ar智能硬件根据读取到的固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签所包含该电缆沟盖板下方区域内地下电缆的相关属性数据及其相对于电缆沟盖板的坐标信息，利用几何算法，渲染显示出地下电缆的三维数字化模型，显示在ar智能硬件显示屏上，形成准确的ar显示效果。

在本发明一实施例中，所述前端ar智能硬件根据后端服务器传输数据进行前端ar智能硬件的空间位置匹配的实现方式为：采用基于rssi三维空间四点定位算法，对ar智能硬件所处的水平位置进行定位，而后通过ar智能硬件内置的传感器的测量结果，计算得到ar智能硬件的高度和视觉方向信息，从而实现前端ar智能硬件的空间位置匹配。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：

步骤s1、建立地下电缆三维数字化bim模型

基于gis地理信息系统和输变电工程电缆数据信息，构建地下电缆三维数字化bim模型，形成地下电缆三维数字化bim模型；

步骤s2、rfid电子标签信息写入

将地下电缆相关属性数据信息和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息写入rfid电子标签上，并将其贴于对应的电缆沟盖板下方；

步骤s3、ar智能硬件空间定位

在变电站工程范围内根据精度需要配置预定数量的wifi信号发射器，此处设wifi信号发射器数量为4，基于rssi三维空间四点定位算法原理，对ar智能硬件所处的水平位置进行定位，定位方法如下：

设di＝(xi,yi,zi)为wifi信号发射器的坐标，则需定位的点与各wifi信号发射器的距离di

式中：rssi为需定位的点，即ar智能硬件的wifi信号接收模块接收到的信号强度；p0为参考点的信号强度；n为衰减指数；

而后，根据三角关系得到需定位的点的高度：

应用三角质心法求解下述方程即可得到需要定位的点在平面上的坐标

若三角质心法求解过程中由于误差得到三圆无法两两相交的情况，则忽略虚数解，仅以实数解作为定位结果；

根据精度需要，对于不同数量的wifi信号发射器，可采用相类似的方式来实现需要定位的点在平面上的坐标的计算；

步骤s4、ar智能硬件姿态确定

利用ar智能硬件内置的传感器的测量结果，计算得到ar智能硬件的高度和视觉方向信息；

步骤s5、地下电缆三维数字化实时动态ar显示

ar智能硬件根据读取到的固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签所包含的信息，确定其视觉方向内的电缆沟盖板信息，再通过rfid电子标签内所建立存储的该电缆沟盖板下方区域内地下电缆相关属性数据信息和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息等数据，利用几何算法，渲染显示出地下电缆的三维数字化模型，显示在ar智能硬件显示屏上，形成准确的ar显示效果。

在本发明一实施例中，所述步骤s1中，地下电缆三维数字化bim模型获得方式为：地下电缆的敷设路径和属性数据方面的信息在不同阶段可以分别通过输变电工程施工图设计阶段设计图纸、竣工验收设计图纸、输变电工程三维设计方案数字化移交资料等方式获得，经过处理，生成包含路径、属性信息的地下电缆三维数字化bim模型。

在本发明一实施例中，所述步骤s2中，所述地下电缆相关属性数据信息包括电缆用途、电缆编号、电缆起点、电缆终点、长度、型号及电压、芯数*截面、备用芯数、备注信息。

在本发明一实施例中，所述步骤s2中，所述地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息为各地下电缆中心线相对于电缆沟盖板其中一角点或中心点的水平方向的距离，竖直方向的深度。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种基于ar和bim技术的地下电缆三维数字化可视化定位方法，依托gis地理信息系统和地下电缆三维数字化bim模型，ar智能硬件通过固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签及所包含的信息，实现对地下电缆的定位，进一步借助ar智能硬件的定位信息和方位信息等信息，实现地下电缆三维数字化实时动态ar显示；具体来说，本发明提出方法具备如下几方面效益：

1、利用本发明提出的方法，可为输变电工程设计阶段提供新的设计展示和方案讨论方式，在建设阶段提供新的技术交底方式方便施工人员理解，在竣工验收阶段提供新的智能辅助验收手段，在日常运行维护和扩建阶段方便工作人员快速定位特定的电缆及路径，减少施工队地下电缆造成的破坏所引发的各类事故，本发明所提出技术方案可同时可运用输变电工程的全生命周期过程，具有巨大的经济效益和发展潜力；

2、将rfid电子标签固定于电缆沟盖板下部，无需对每根地下电缆都贴电子标签，大大地减少了rfid电子标签的使用数量，节约了大量的成本；

3、本发明所提出的方法采用的是基于rssi三维空间四点定位算法对对ar智能硬件的空间位置进行定位，有效解决了输变电工程室内定位卫星定位和rtk方式的问题。

附图说明

图1为本发明方法系统及原理示意图。

图2为基于rssi三维空间四点定位算法原理图。

图3为本发明方法rfid电子标签识别与地下电缆信息识别示意图。

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种基于ar和bim的地下电缆三维数字可视化定位方法，首先，建立地下电缆三维数字化bim模型：基于gis地理信息系统和输变电工程电缆数据信息，构建地下电缆三维数字化bim模型，形成地下电缆三维数字化bim模型；其次，前端、后端实时数据信息交互与处理：将地下电缆三维数字化bim模型存储于后端服务器；前端ar智能硬件在现场与后端服务器进行信息交互；前端ar智能硬件向后端服务器传输包括地下电缆的地理位置、参数设置、数据交互需求在内的各类信息，后端服务器综合考虑前端ar智能硬件的地理位置信息、参数设置信息和数据交互需求向前端ar智能硬件实时传输所需数据；最后，地下电缆三维数字化实时动态ar显示：前端ar智能硬件根据后端服务器传输数据进行前端ar智能硬件的空间位置匹配，而后前端ar智能硬件根据读取到的固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签所包含该电缆沟盖板下方区域内地下电缆的相关属性数据及其相对于电缆沟盖板的坐标信息，利用几何算法，渲染显示出地下电缆的三维数字化模型，显示在ar智能硬件显示屏上，形成准确的ar显示效果。所述前端ar智能硬件根据后端服务器传输数据进行前端ar智能硬件的空间位置匹配的实现方式为：采用基于rssi三维空间四点定位算法，对ar智能硬件所处的水平位置进行定位，而后通过ar智能硬件内置的传感器的测量结果，计算得到ar智能硬件的高度和视觉方向信息，从而实现前端ar智能硬件的空间位置匹配。

本发明基于ar和bim的地下电缆三维数字可视化定位方法具体实现如下：

步骤s1、建立地下电缆三维数字化bim模型

基于gis地理信息系统和输变电工程电缆数据信息，构建地下电缆三维数字化bim模型，形成地下电缆三维数字化bim模型；

步骤s2、rfid电子标签信息写入

将地下电缆相关属性数据信息和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息写入rfid电子标签上，并将其贴于对应的电缆沟盖板下方；

步骤s3、ar智能硬件空间定位

在变电站工程范围内根据精度需要配置预定数量的wifi信号发射器，此处设wifi信号发射器数量为4，基于rssi三维空间四点定位算法原理，对ar智能硬件所处的水平位置进行定位，定位方法如下：

设di＝(xi,yi,zi)为wifi信号发射器的坐标，则需定位的点与各wifi信号发射器的距离di

式中：rssi为需定位的点，即ar智能硬件的wifi信号接收模块接收到的信号强度；p0为参考点的信号强度；n为衰减指数；

而后，根据三角关系得到需定位的点的高度：

应用三角质心法求解下述方程即可得到需要定位的点在平面上的坐标

若三角质心法求解过程中由于误差得到三圆无法两两相交的情况，则忽略虚数解，仅以实数解作为定位结果；

根据精度需要，对于不同数量的wifi信号发射器，可采用相类似的方式来实现需要定位的点在平面上的坐标的计算；

步骤s4、ar智能硬件姿态确定

利用ar智能硬件内置的传感器的测量结果，计算得到ar智能硬件的高度和视觉方向信息；

步骤s5、地下电缆三维数字化实时动态ar显示

ar智能硬件根据读取到的固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签所包含的信息，确定其视觉方向内的电缆沟盖板信息，再通过rfid电子标签内所建立存储的该电缆沟盖板下方区域内地下电缆相关属性数据信息和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息等数据，利用几何算法，渲染显示出地下电缆的三维数字化模型，显示在ar智能硬件显示屏上，形成准确的ar显示效果。

所述步骤s1中，地下电缆三维数字化bim模型获得方式为：地下电缆的敷设路径和属性数据方面的信息在不同阶段可以分别通过输变电工程施工图设计阶段设计图纸、竣工验收设计图纸、输变电工程三维设计方案数字化移交资料等方式获得，经过处理，生成包含路径、属性信息的地下电缆三维数字化bim模型。

所述步骤s2中，所述地下电缆相关属性数据信息包括电缆用途、电缆编号、电缆起点、电缆终点、长度、型号及电压、芯数*截面、备用芯数、备注信息。所述步骤s2中，所述地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息为各地下电缆中心线相对于电缆沟盖板其中一角点或中心点的水平方向的距离，竖直方向的深度。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，综合现有的技术方案并对其归纳分析，本发明提出一种基于ar和bim技术的地下电缆三维数字化可视化定位方法，依托gis地理信息系统和地下电缆三维数字化bim模型，ar智能硬件通过固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签及所包含的信息，实现对地下电缆的定位，进一步借助ar智能硬件的定位信息和方位信息等信息，实现地下电缆三维数字化实时动态ar显示。

具体步骤如下：

1)建立地下电缆三维数字化bim模型

基于gis地理信息系统和输变电工程电缆数据信息，构建地下电缆三维数字化bim模型，形成地下电缆三维数字化bim模型。

地下电缆的敷设路径和属性数据方面的信息在不同阶段可以分别通过输变电工程施工图设计阶段设计图纸、竣工验收设计图纸、输变电工程三维设计方案数字化移交资料等方式获得，经过处理，生成上述包含路径、属性信息的地下电缆三维数字化bim模型。

2)rfid电子标签信息写入

将地下电缆相关属性数据信息(电缆用途、电缆编号、电缆起点、电缆终点、长度、型号及电压、芯数*截面、备用芯数、备注等)和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息(如各电缆中心线相对于电缆沟盖板某一角点或中心点的水平方向的距离，竖直方向的深度等)写入特定的rfid电子标签上，并将其贴于对应的电缆沟盖板下方。

3)ar智能硬件空间定位

在变电站工程范围内根据精度需要布置一定数量无线路由器，基于rssi三维空间四点定位算法原理，对ar智能终端进行定位，具体定位方法如下：

di＝(xi,yi,zi)为wifi信号发射器的坐标，图2中间的点为需要定位的点(wifi信号接收模块)。

式中：rssi为需定位的点，即手持智能终端的wifi信号接收模块接收到的信号强度；p0为参考点的信号强度；n为衰减指数。

由图2可推导得到需要定位的点的高度：

应用三角质心法求解下述方程即可得到需要定位的点在平面上的坐标

若三角质心法求解过程中由于误差得到三圆无法两两相交的情况，则忽略虚数解，仅以实数解作为定位结果。

4)ar智能硬件姿态确定

利用ar智能硬件内置的传感器(重力传感器、加速度传感器、磁场传感器和陀螺仪等)的测量结果，计算得到ar智能硬件的高度和视觉方向信息；

5)地下电缆三维数字化实时动态ar显示

如图3、4所示，ar智能硬件根据读取到的固定于电缆沟盖板下部的rfid电子标签所包含的信息，确定其视觉方向内的电缆沟盖板信息，再通过rfid电子标签内所建立存储的该电缆沟盖板下方区域内地下电缆相关属性数据信息和地下电缆相对于电缆沟盖板的坐标位置信息等数据，利用几何算法，渲染显示出地下电缆的三维数字化模型，显示在ar智能硬件显示屏上，形成准确的ar显示效果。

需要说明的是，本算例分析仅作为本发明提出方法的例证及实际应用效果展示，本发明所提出的方法的应用范围不受算例限制和约束。应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，针对本发明所做的各种变化及其在不同的实施方法上的应用，皆不脱离本发明的保护范围。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。