基于VR的變電站智能巡檢場(chǎng)景研究分析

阮海波　鄭躍軍

摘 要：以變電站的精細(xì)化三維模型作為基礎(chǔ)，選用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使電站的智能巡檢達(dá)到人機(jī)交互、虛實(shí)結(jié)合的效果。文章深入研究了變電站內(nèi)有關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，以信息融合技術(shù)為核心手段，使數(shù)據(jù)信息可視化，提供的手段與工具更直觀、先進(jìn)，輔助業(yè)務(wù)員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而達(dá)到變電站智能巡檢的可視化。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；變電站；智能巡檢；虛實(shí)交互

隨著電網(wǎng)規(guī)模逐漸的擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)也隨之變得更加繁雜，越來(lái)越多的變電站已經(jīng)無(wú)人值守，加強(qiáng)了電網(wǎng)依賴信息系統(tǒng)的程度，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)線來(lái)建設(shè)信息系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)之間缺少了一種必然的關(guān)聯(lián)，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅缺乏顯示數(shù)據(jù)信息的有效手段，還缺少有效展示各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化方式。普通的GIS系統(tǒng)僅僅可以展示變電站的總體情況，即不能達(dá)到變電設(shè)備精細(xì)化管理的需求，也不符合業(yè)務(wù)員實(shí)際變電站巡視的應(yīng)用?；诖?，本文展開了如下研究。

1 簡(jiǎn)介虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Vinual Reality，VR）是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它可構(gòu)建出虛擬的世界，并讓人體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界相同的環(huán)境，這種模擬環(huán)境具有交互式處理的三維動(dòng)態(tài)視覺(jué)效果。在此技術(shù)中融合了多種信息技術(shù)，例如：傳感器技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的軟件工具、硬件技術(shù)，改進(jìn)軟、硬件和交互方式，使其更具有合理性，讓用戶可以使用系統(tǒng)來(lái)完成虛擬世界的形成，同時(shí)也能交互式的觀察虛擬世界。

以變電站精細(xì)化三維模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)智能巡檢場(chǎng)景，通過(guò)VR技術(shù)，在虛擬世界里的變電站，可以讓業(yè)務(wù)人員在里面隨意游玩。按照現(xiàn)場(chǎng)巡檢規(guī)范，不但需要在變電站模型內(nèi)檢查所有設(shè)備，還應(yīng)呈現(xiàn)出設(shè)備信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況，例如：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息等。

2 變電站精細(xì)化三維模型的建立

按照實(shí)際情況，把電力系統(tǒng)設(shè)備三維模型力度分成全設(shè)備級(jí)模型、重點(diǎn)部件級(jí)模型以及工程級(jí)模型?？蓮膬蓚€(gè)角度來(lái)描述著三個(gè)層級(jí)。一為精細(xì)度，二為完整性。表1為主要內(nèi)容描述。

3 智能化巡檢場(chǎng)景的研究

3.1 總體場(chǎng)景

智能巡檢場(chǎng)景主要由智能化展示的信息融合、智能化操控的虛實(shí)結(jié)合兩部分組成，利用可視化載體把這兩個(gè)部分有機(jī)結(jié)合，使可視化場(chǎng)景具有人機(jī)互動(dòng)和虛實(shí)結(jié)合的特點(diǎn)。（如圖1所示）

3.2 智能控制

在現(xiàn)實(shí)世界變電站中，引進(jìn)智能巡視機(jī)器人，同時(shí)設(shè)置一個(gè)模擬機(jī)器人在虛擬世界的變電站中，使機(jī)器人現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、仿真場(chǎng)景的相互配合。利用三維控制器下達(dá)一套相同的命令，對(duì)巡檢機(jī)器人、模擬機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行控制，通過(guò)信息通信彼此雙方實(shí)現(xiàn)傳輸定位，維持一致的位置，為信息融合的智能化顯示奠定了有利的基礎(chǔ)。

3.3 智能顯示

在雙屏顯示下完成智能化展示信息集成，展示出選件機(jī)器人與模擬機(jī)器人在檢修作業(yè)中分別采集到聽覺(jué)類設(shè)備檢測(cè)信息、虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)。利用分析、疊加處理兩種信息，使工作人員可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)變電站狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的目標(biāo)。（1）可視化場(chǎng)景訪問(wèn)的數(shù)據(jù)來(lái)源由數(shù)據(jù)源層進(jìn)行描述，其中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、EMS、氣象系統(tǒng)、GIS等。（2）數(shù)據(jù)層對(duì)不同數(shù)據(jù)源、展示平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、集成、傳遞以及凈進(jìn)行了描述?？梢暬瘓?chǎng)景主要管理與使用內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)這兩種，其中外部數(shù)據(jù)指的是來(lái)源于外界數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，而內(nèi)部數(shù)據(jù)指的是與企業(yè)有關(guān)的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)源層所提供出來(lái)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)層中被分成了四類數(shù)據(jù)，分別為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)。圖2為數(shù)據(jù)架構(gòu)。（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層從六方面來(lái)對(duì)變電站巡視員的工作進(jìn)行輔助，分別為全景查看、路線設(shè)定、報(bào)告管理、缺陷管理、任務(wù)管理、巡檢項(xiàng)目。為方便用戶在大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以快速選出所需信息數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)健康指標(biāo)體系時(shí)，將其分成變電站整體、某類變電設(shè)備、各類變電設(shè)備這三個(gè)等級(jí)，若開始展現(xiàn)信息的時(shí)候，則可以從下向上層層的獲取到每級(jí)健康情況；若出現(xiàn)定位故障，則用戶可從上向下進(jìn)行挖掘健康情況。如圖3所示。

4 實(shí)現(xiàn)變電站智能巡檢場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和虛實(shí)交互的研究

需要多級(jí)處理才能完成仿真技術(shù)、智能巡檢兩者間的交互，利信息交互建模，可以采集、評(píng)估以及整理信息，打通所有環(huán)節(jié)的信息通信。在變電站智能巡檢作業(yè)中應(yīng)用交互融合算法，進(jìn)而與用戶操作相互呼應(yīng)，體驗(yàn)到虛實(shí)結(jié)合。此外，設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制利用生產(chǎn)的預(yù)測(cè)圖像來(lái)表示，為確保系統(tǒng)能夠顯示出穩(wěn)定的畫面，需將圖像幀數(shù)設(shè)定為恒定值。

4.2 多信息的融合及同步研究

數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)采集是多信息的融合及同步研究的關(guān)鍵。設(shè)備狀態(tài)采集有效性驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)原始信號(hào)。而數(shù)據(jù)處理的作用是達(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的變換，收集反應(yīng)出生產(chǎn)狀態(tài)的有關(guān)性能的指標(biāo)。同時(shí)，選用同步技術(shù)來(lái)完成實(shí)時(shí)同步、數(shù)據(jù)收集計(jì)劃的制定，選用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理機(jī)制，集成中心數(shù)據(jù)庫(kù)，定期與其它的業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)開展交互數(shù)據(jù)信息。達(dá)成展現(xiàn)、同步控制虛擬與現(xiàn)實(shí)信息，進(jìn)而讓變電站智能巡檢的實(shí)時(shí)空間分析、模擬預(yù)演實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能更加智能化，保證巡視員全方位無(wú)死角的檢測(cè)設(shè)備狀況。

4.3 可視化技術(shù)研究

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)變電站智能巡檢的基礎(chǔ)上，對(duì)可視化技術(shù)做出了大量的研究，使場(chǎng)景顯示界面更加美觀和科學(xué)，智能巡檢更加有效和靈活，選擇雙屏互動(dòng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)智能巡檢場(chǎng)景，硬件方面選擇納米觸控膜技術(shù)、霧化玻璃全息衍射兩者有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，使生產(chǎn)運(yùn)行具有更好的空間實(shí)時(shí)分析、模擬預(yù)演實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，利用現(xiàn)實(shí)信息與虛擬信息的碰撞，達(dá)到同步控制、展現(xiàn)的目的。保證巡視員全面位無(wú)死角的檢測(cè)設(shè)備。變電站檢測(cè)的精準(zhǔn)性、巡檢自動(dòng)化水平使傳統(tǒng)型可視化技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新型，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠的提高有著重要作用。

4.4 關(guān)于輔助決策問(wèn)題的智能分析研究

關(guān)于智能分析的根本性質(zhì)為將虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)疊加處理、分析，其分析核心點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示。虛擬環(huán)境中對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行定位的時(shí)候，此設(shè)備的真實(shí)信息數(shù)據(jù)均可在對(duì)應(yīng)的虛擬式設(shè)備上顯示出來(lái)。例如事件信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、臺(tái)帳信息、環(huán)境信息等。（2）圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)視頻顯示紅外熱像儀、可見攝像機(jī)，并與自動(dòng)巡視功能和遙控功能相互配合，達(dá)成了操作員的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及后臺(tái)巡視。（3）機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集疊加分析和反饋。反饋機(jī)器人運(yùn)行時(shí)所需要的任務(wù)管理信息、電子地圖信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)信息、工作系統(tǒng)信息。另外，還需要記錄下機(jī)器人運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的巡視與日志，以便于更好的分析、查詢。（4）設(shè)備的高級(jí)分析。把機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)獲取的傳感器、真實(shí)視頻進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，高級(jí)分析和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)信心。

5 結(jié)束語(yǔ)

此研究的價(jià)值是應(yīng)用化融合通信技術(shù)和信息融合技術(shù)，使技術(shù)為電力應(yīng)用提供更好的服務(wù)，可將機(jī)器人單向巡檢存在的不足之處彌補(bǔ)上，使生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)空間分析、模擬預(yù)演實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能更加智能化，保證巡視員全方位無(wú)死角的檢測(cè)設(shè)備狀況，給變電站今后發(fā)展向著網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化奠定了有利基礎(chǔ)，對(duì)電網(wǎng)可靠運(yùn)行的提高具有舉足輕重的作用。

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