基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧文濤

【摘 要】變電站設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)是保證變電站設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，現(xiàn)存的檢測(cè)系統(tǒng)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、顯示效果差、智能化程度低等缺點(diǎn)。鑒于此，基于紅外在線測(cè)溫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，本文提出了一套智能化的變電站溫度虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由紅外在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、變電站監(jiān)控客戶端等三部分組成，它通過(guò)紅外圖像對(duì)三維模型的紋理映射，將溫度數(shù)據(jù)形象地映射到客戶端三維虛擬場(chǎng)景的設(shè)備中，來(lái)實(shí)時(shí)地檢測(cè)變電站設(shè)備溫度情況。同時(shí)，它還可以在設(shè)備的三維模型上精確定位故障點(diǎn)，來(lái)指導(dǎo)電力設(shè)備的檢修工作。

【關(guān)鍵詞】變電站 虛擬現(xiàn)實(shí) 溫度監(jiān)控 紋理映射

1引言

變電站是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其可靠運(yùn)行對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的意義。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，變電站設(shè)備中的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、母線連接處等部位，在過(guò)載、絕緣老化、接觸不良等情況下，會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱的現(xiàn)象，這也是誘發(fā)大面積停電的主要原因。因此，對(duì)變電站設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)是保證變電站設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

目前，監(jiān)測(cè)變電站設(shè)備溫度情況主要通過(guò)三種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一、人工使用便攜式紅外熱成像儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，該方法成本較低且易于實(shí)施，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能連續(xù)的存儲(chǔ)和記錄數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備診斷的實(shí)時(shí)性較差；二、采用紅外在線測(cè)溫技術(shù)對(duì)設(shè)備溫度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[1-3]，該方法通過(guò)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的紅外熱圖像監(jiān)控，溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及分析等方式，做到對(duì)電力設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；三、采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站設(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[4-6]，該方法采用無(wú)線通信模式，避免了復(fù)雜的布線，可以監(jiān)測(cè)到內(nèi)部設(shè)備的溫度情況。以上三種方法都可以一定程度上對(duì)變電站設(shè)備的溫度情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是他們對(duì)檢測(cè)結(jié)果的表現(xiàn)形式不夠形象具體，顯示效果較差，同時(shí)，智能化程度低，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化、智能化監(jiān)測(cè)。

本文以紅外在線測(cè)溫技術(shù)作為根基，提出了一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)采集紅外在線測(cè)溫設(shè)備的紅外圖像數(shù)據(jù)，傳輸?shù)娇蛻舳巳S虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，并將采集的紅外圖像數(shù)據(jù)以紋理映射方式顯示在變電站的相應(yīng)部位，不僅可以讓監(jiān)控人員在這個(gè)逼真的虛擬變電站系統(tǒng)中查看各個(gè)部位的溫度變化情況，還可以精確定位故障點(diǎn)，指導(dǎo)電力設(shè)備檢修工作。因此，該系統(tǒng)不僅可以給用戶提供沉浸式的虛擬場(chǎng)景接口，還可以進(jìn)行故障定位、提示參數(shù)配置等智能化功能。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由紅外在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、變電站監(jiān)控客戶端等三部分組成，如圖1。紅外在線監(jiān)測(cè)設(shè)備將紅外熱像儀采集的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、圖像處理等手段，得到熱圖像、溫度等數(shù)據(jù)，并傳入到前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上。變電站監(jiān)控客戶端從前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上獲取相應(yīng)的熱圖像、溫度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)紋理投射算法實(shí)現(xiàn)變電站三維溫度場(chǎng)的還原并反映在虛擬場(chǎng)景中，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前變電站設(shè)備的溫度變化。同時(shí)，客戶端為用戶提供一個(gè)沉浸式的交互界面，監(jiān)控人員可以通過(guò)拖拉、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式調(diào)整觀察的位置或角度，方便監(jiān)控人員查看查看變電站設(shè)備的參數(shù)信息以及溫度狀態(tài)。同時(shí)，三維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)始終處于不斷更新中，能夠及時(shí)定位故障點(diǎn)，形象具體，簡(jiǎn)單方便。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是客戶端的沉浸式交互界面的開(kāi)發(fā)，它使用的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于新興的unity3D引擎，可以嵌套多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，同時(shí)也可以跨平臺(tái)的應(yīng)用。

3.1 三維虛擬場(chǎng)景的建模

基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)，通過(guò)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖片等形式，以1：1真實(shí)比例構(gòu)建變電站模型與三維虛擬場(chǎng)景，為后面準(zhǔn)確地在三維模型上定位故障點(diǎn)打下基礎(chǔ)。同時(shí)，為增強(qiáng)系統(tǒng)逼真的效果，該系統(tǒng)對(duì)虛擬模型進(jìn)行了真實(shí)感貼圖處理。最后，將整個(gè)場(chǎng)景導(dǎo)入到unity3D工程中，為后面的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)。變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

3.2 紋理投射算法

為了將溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而形象地反映到虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，該系統(tǒng)需要將采集的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型的紋理，并準(zhǔn)確地貼到模型的相應(yīng)部位，其中關(guān)鍵技術(shù)本是紋理投射算法，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。

3.2.1模型的分割

在虛擬場(chǎng)景中，由于視角的限制，不同視角只能觀察到對(duì)應(yīng)物體的一部分，所獲得的溫度信息也對(duì)應(yīng)著這個(gè)部分。同一個(gè)物體，不同視角觀察到的部位不同，將被分割成不同的部分，每個(gè)部分的紋理就是該部分對(duì)應(yīng)視角所獲得的溫度圖片。在unity3D中，模型是以三角面片的形式存在的。要實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的分割就會(huì)涉及到對(duì)三角面片的剖分。

假設(shè)一個(gè)物體在建模的時(shí)候被建成一個(gè)整體，導(dǎo)入到unity3D后，其頂點(diǎn)信息（包括頂點(diǎn)坐標(biāo)、法線、切線等信息）也是作為一個(gè)整體儲(chǔ)存在內(nèi)存中的。將模型分成能被不同位置攝像頭觀察到的不同部分的實(shí)質(zhì)就是頂點(diǎn)信息的添加與重組，其工作流程如圖3所示。其中分割線與三角面片的相交有三種情況，如圖4所示。第一種情況，如圖4（a），分割線不經(jīng)過(guò)三角面片的頂點(diǎn)。設(shè)分割線與三角面片的兩個(gè)交點(diǎn)分別為P1、P2，根據(jù)空間幾何的知識(shí)可以求出P1、P2的坐標(biāo)。P1、P2點(diǎn)可與A、B、C三點(diǎn)重新組成①、②、③三個(gè)三角面片。第二種情況，如圖4（b），分割線經(jīng)過(guò)三角面片的一個(gè)頂點(diǎn)。設(shè)分割線經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)A并與三角面片交于點(diǎn)P，可以求出P點(diǎn)的坐標(biāo)。P點(diǎn)可與A、B、C三點(diǎn)重新組成①、②兩個(gè)三角面片。第三種情況，如圖4（c），分割線過(guò)三角面片的一條邊，三角面片不會(huì)被分割線分割成兩部分。

圖3 分割模型的流程圖

圖4 分割線與面片相交的情況

3.2.2紋理映射

基于Direct3D和OpenGL的紋理映射[7]都要先建立物體空間坐標(biāo)（x， y， z）和紋理空間坐標(biāo)（u， v）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣模型的每個(gè)頂點(diǎn)就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的uv值，二維圖像才能成功地映射到三維物體的表面上。

在建立物體空間坐標(biāo)和紋理空間坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，需要借助屏幕坐標(biāo)系。根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形透視投影技術(shù)[8]，可以找出物體空間坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同樣，我們可以建立紋理空間坐標(biāo)（u， v）與屏幕坐標(biāo)（xs， ys-）之間的關(guān)系。

為了保證紋理在輸出時(shí)不產(chǎn)生失真的現(xiàn)象，在定義屏幕和紋理大小的時(shí)，必須保證屏幕和紋理圖片的高度與寬度的比例相同。作了這樣的規(guī)定之后，紋理空間坐標(biāo)（u， v）與屏幕坐標(biāo)（xs， ys?）之間的關(guān)系就轉(zhuǎn)變成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的等比例變換。

其中，a為比例因子。

在分別找到物體空間坐標(biāo)、紋理空間坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，就可以建立物體空間坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)之間的關(guān)系，也就可以將紋理貼到指定的部分。

3.3 客戶端與服務(wù)器之間的通信

該系統(tǒng)中，客戶端需要從服務(wù)器讀取設(shè)備的熱圖像、溫度等大量數(shù)據(jù)，需要通過(guò)一種高效而便捷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具體實(shí)現(xiàn)方式為：基于TCP/IP協(xié)議，在客戶端和服務(wù)器之間建立網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路，使用ServerSocket創(chuàng)建TCP服務(wù)器端，在客戶端使用Socket的構(gòu)造器來(lái)連接服務(wù)器；服務(wù)器端開(kāi)始時(shí)處于等待狀態(tài)，等待客戶端的連接，當(dāng)客戶端和服務(wù)器之間的連接建立后，服務(wù)器端就可以接受和處理來(lái)自客戶端的請(qǐng)求，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。

4結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景，逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，這也是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。該系統(tǒng)，基于紅外在線測(cè)溫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在客戶端虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)時(shí)在線監(jiān)控變電站各設(shè)備的運(yùn)行情況和溫度信息，并且能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，直觀地指導(dǎo)電力設(shè)備檢修工作。該系統(tǒng)可用于無(wú)人值守的變電站中，改善變電站監(jiān)控耗費(fèi)大量人力和時(shí)間的問(wèn)題，提高系統(tǒng)安全保障，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要的意義。另外，該系統(tǒng)具有虛擬的設(shè)備場(chǎng)景，在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、技能培訓(xùn)等方面也具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洪濤.紅外在線測(cè)溫技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2012，40（6）：44-46.

[2]夏賓，夏照國(guó).智能型紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú)人值守變電站中的應(yīng)用[J].供用電，2013，30（4）：63-67.

[3]Zhao Zhen-Bing， Gao Qiang， Yuan Jin-Sha， et al. Novel method of temperature on-line monitoring for power equipment in substation[J]. High Voltage Engineering， 2008， 34（8）： 1605-1609.

[4]陳靜， 鄧強(qiáng)強(qiáng)， 馮雁聲. 智能化變電站溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2013，（8）：65-72.

[5]Li， Xiao-Bo； Huang， Xin-Bo； Chen， Shao-Ying； ZigBee network-based intelligent substation temperature monitoring system[J]. High Voltage Apparatus， 2011， 47（8）：18-21.

[6]Yang， Jing； Xiu， Yang； Shi， Yan， Ting； Zhao， Long， Tao； Tan， Xiao， Yan. Substation equipment temperature monitoring system based on heterogeneous wireless sensor network[J].Applied Mechanics and Materials， 2014， 511-512： 165-168.

[7]孫家廣，胡事民.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.145-147.

[8]王淵，龍華，邵玉斌，李靈玥.一種圖形透視投影矩陣的推導(dǎo)及編程實(shí)現(xiàn)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（4）：127-129.