基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊慧 譚卓強(qiáng) 邱海鋒 余彬

摘要：當(dāng)前我國視頻監(jiān)控的相關(guān)電力設(shè)備在進(jìn)行定位的過程中，其花費(fèi)的時(shí)間較長，而且監(jiān)控效果并不能達(dá)到預(yù)期的理想狀態(tài)，因此針對(duì)這些問題，我們要設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，從而有效提高視頻監(jiān)控的效果。在進(jìn)行采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要想取得良好的監(jiān)控效果，必須要準(zhǔn)確計(jì)算監(jiān)控?cái)z像頭的旋轉(zhuǎn)角度，從而再根據(jù)計(jì)算結(jié)果旋轉(zhuǎn)真實(shí)場(chǎng)景中的最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭，從而積極準(zhǔn)確的進(jìn)行觀察當(dāng)前電力設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)。我們?cè)诠╇姽緝?nèi)部充分搭建該系統(tǒng)，一方面能夠準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，另一方面有利于實(shí)時(shí)觀察電力設(shè)備的運(yùn)行狀況。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；監(jiān)控?cái)z像頭；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）17-0273-02

當(dāng)前根據(jù)相關(guān)調(diào)查，SCADA系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中并不能夠充分實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的鑰匙功能，因此相關(guān)的監(jiān)控人員必須要借助監(jiān)控?cái)z像頭來進(jìn)行觀察電力設(shè)備的主要運(yùn)行狀況。而由SCADA系統(tǒng)進(jìn)行控制的方式，不僅僅要浪費(fèi)較多的時(shí)間來對(duì)電力設(shè)備所存在的定位進(jìn)行尋找，同時(shí)該系統(tǒng)主導(dǎo)下的監(jiān)控效果也不理想。因此，本文針對(duì)視頻監(jiān)控電力設(shè)備當(dāng)前存在的各種問題，必須要對(duì)定位時(shí)間長和監(jiān)控效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)的問題等進(jìn)一步研究，從而依托基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1特征

當(dāng)前我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有三個(gè)最基本的特征，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的"3I"特征，即immersion（沉浸）、interaction（交互）、imagination（構(gòu)想），虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所擁有的這三大特征，首先必須要排除當(dāng)前現(xiàn)實(shí)世界所產(chǎn)生的各種干擾。一方面能夠使得用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引導(dǎo)下從而快速的沉浸在其中；而另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有利于幫助用戶提供更加豐富便捷的人機(jī)交互方式，通過將相關(guān)的用戶指令，在傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的過程中，不僅僅要使得虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境提供給當(dāng)時(shí)的反饋信息，更要注重其中發(fā)揮的主要交互作用。最后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須要給予用戶相關(guān)的想象空間，一方面能夠滿足用戶對(duì)當(dāng)前虛擬環(huán)境的各種應(yīng)用需求，使其體現(xiàn)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的便捷性。

1.2基本概念

1.2.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

所謂的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，主要是指現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)場(chǎng)景，要同虛擬物體從而進(jìn)行融合在一起的主要方法，簡(jiǎn)單來講，將當(dāng)前現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體作為主體條件，借助相關(guān)的數(shù)字技術(shù)，從而使用戶能夠探索現(xiàn)實(shí)世界和之進(jìn)行交互，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主要特點(diǎn)是指一種虛實(shí)空間的一致性結(jié)合，并通過實(shí)時(shí)交互的線框，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要分支。

當(dāng)前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤定位系統(tǒng)必須要及時(shí)地檢測(cè)的觀察者在所處場(chǎng)景中的主要位置，以及所觀察的主要方向，甚至是進(jìn)一步要預(yù)測(cè)觀察者在將來不久時(shí)間段內(nèi)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)狀況，從而幫助系統(tǒng)決定索要進(jìn)行展示不同虛擬物體的不同時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)虛擬物體和現(xiàn)實(shí)世界之間的有機(jī)融合，使用戶看到虛實(shí)結(jié)合的畫面。

1.2.2混合現(xiàn)實(shí)

過個(gè)現(xiàn)實(shí)主要是結(jié)合當(dāng)前的AR和VR技術(shù)的特點(diǎn)上所發(fā)展來的一種概念技術(shù)。這是指在真實(shí)世界過程中側(cè)呈現(xiàn)的可信的虛擬事物，而所虛擬出的事物必須要完全符合現(xiàn)實(shí)世界中透視法則，甚至是必須要體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的物理規(guī)律?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)是在增橋現(xiàn)實(shí)技術(shù)上發(fā)展得來的。

1.2.3影像現(xiàn)實(shí)

影像現(xiàn)實(shí)技術(shù)是運(yùn)用全新的顯示技術(shù)概念，它已經(jīng)打破了VR和AR技術(shù)之間的主要特點(diǎn)，通過關(guān)多產(chǎn)的棱鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而將畫面直接投射于用戶的視網(wǎng)膜上，使其與視網(wǎng)膜之間進(jìn)行交互，讓用戶感覺到高層顯示設(shè)備視野狹隘或出現(xiàn)各種眩暈的問題。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要通過變電站電氣仿真程序、監(jiān)控?cái)z像頭控制程序、變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和監(jiān)控?cái)z像頭，四個(gè)部分組合而成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中所謂的變電站，電氣仿真程序主要是利用當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從而對(duì)變電站構(gòu)建的虛擬變電站場(chǎng)景進(jìn)行模擬和仿真，從而找出當(dāng)前變電站進(jìn)行監(jiān)控的最佳位置，以后將導(dǎo)出的結(jié)果信息傳遞給監(jiān)控?cái)z像頭控制程序。監(jiān)控?cái)z像頭控制程序是監(jiān)控?cái)z像頭通過自動(dòng)控制的程序，將接收到變電站電氣仿真程序進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)以后，通過上下、左右來旋轉(zhuǎn)監(jiān)控?cái)z像頭，使得鏡頭轉(zhuǎn)向需要監(jiān)控的電力設(shè)備區(qū)域。變電站電氣仿真程序和監(jiān)控?cái)z像頭控制程序是整個(gè)系統(tǒng)地球運(yùn)行的平臺(tái)，從而要連接變電虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和監(jiān)控?cái)z像頭兩個(gè)內(nèi)容。變電站虛擬場(chǎng)景一方面是通過將變電站仿真場(chǎng)景的界面進(jìn)行顯示，從而用于顯示真實(shí)變電站內(nèi)電力設(shè)備的主要位置等。而監(jiān)控?cái)z像頭是通過彩色一體化的晝夜球形攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)鏡頭旋轉(zhuǎn)變焦，或者進(jìn)行自動(dòng)聚集等各種有效的功能。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程

當(dāng)前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)在操作的過程中主要的流程如圖2所示。第一步，必須要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行購，從而顯示當(dāng)前和真實(shí)片段場(chǎng)景相同的變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。第二步，我們必須要根據(jù)虛擬場(chǎng)景所提供的一系列功能，從而有針對(duì)性地對(duì)要進(jìn)行監(jiān)控的區(qū)域進(jìn)行選擇。第三步，必須要確定監(jiān)控?cái)z像頭的最優(yōu)位置，從而在第四步中計(jì)算攝像頭旋轉(zhuǎn)的角度，有利于得到最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)方式，并加結(jié)果傳遞給監(jiān)控?cái)z像頭的控制程序，最終將旋轉(zhuǎn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的攝像頭從而對(duì)準(zhǔn)將要進(jìn)行監(jiān)控的主要設(shè)備區(qū)域。

3.1構(gòu)造顯示變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

在構(gòu)建變電站虛擬線支持場(chǎng)景的過程中，首先必須要通過3D MAX SDK所提供的二次開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中將變電站中的變壓器或者電流互感器等一次設(shè)備，以及操作箱貨壓板等二次設(shè)備，將這些設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)出，一方面有利于搭建變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的三維設(shè)備模型。我們必須要避免在生成三維設(shè)備模型的過程中，通過提高虛擬場(chǎng)景進(jìn)行搭建的有效效率，既可以能夠成功的保存并導(dǎo)出三維設(shè)備模型，從而賽賽三維模型庫中，找出符合實(shí)際需要的主要零件，將其移動(dòng)到合適的位置，與其他的設(shè)備一起作用，從而對(duì)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)造。

在變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)造之后，而在該工作領(lǐng)域的監(jiān)控人員必須要選擇出進(jìn)行監(jiān)控的區(qū)域。但其中對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件性能具有超級(jí)高的要求，我們必須只有通過進(jìn)行大量的圖形計(jì)算之后，才能對(duì)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的顯示進(jìn)行研究。

3.2監(jiān)控區(qū)域的選擇

在監(jiān)控區(qū)域選擇的過程中，一方面我們是要對(duì)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的場(chǎng)景漫游功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，另一方面，監(jiān)控人員必須也要加強(qiáng)鼠標(biāo)、鍵盤等各種設(shè)備的充分利用，從而可以對(duì)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行第一人稱視角的平移和旋轉(zhuǎn)。同時(shí)還可以通過選中的電力設(shè)備，進(jìn)行前后左右上下自由的漫游，從而幫助監(jiān)控人員對(duì)需要的監(jiān)控電力設(shè)備進(jìn)行尋找。除此之外，工作人員也要對(duì)監(jiān)控的電力設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，避免出現(xiàn)失誤的狀況，監(jiān)控工作人員對(duì)設(shè)備列表中需要快速定位的電力設(shè)備，只有不斷地進(jìn)行場(chǎng)景漫游才能夠利用最大的效果選擇監(jiān)控設(shè)備的主要區(qū)域。

3.3最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭的選擇

在變電站內(nèi)如果選擇將攝像頭安裝在位置較高，或者是視野相對(duì)開闊的位置，那么攝像頭的監(jiān)控范圍必然能夠不斷擴(kuò)大，從而對(duì)變電站內(nèi)部的電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。一般情況下，監(jiān)控?cái)z像頭距離監(jiān)控區(qū)域越近那么其監(jiān)控的效果便會(huì)越好。在此過程中，我們常常通過對(duì)每個(gè)攝像頭中心點(diǎn)和監(jiān)控區(qū)域中心點(diǎn)之間的距離進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算，從而把距離監(jiān)控區(qū)域內(nèi)最近的監(jiān)控?cái)z像頭選擇出來，將其作為該區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭。但是這樣進(jìn)行選擇最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭，并不能排除可能出現(xiàn)視線阻擋的狀況，因此，我們?cè)谶x擇完監(jiān)控?cái)z像頭之后，也要通過相關(guān)的方法，對(duì)于監(jiān)控?cái)z像頭選擇進(jìn)行相對(duì)的驗(yàn)證。

3.4監(jiān)控?cái)z像頭旋轉(zhuǎn)角度的確定

在變電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，我們通過相關(guān)的計(jì)算方法，有利于快速選擇出最優(yōu)的監(jiān)控?cái)z像頭，然而對(duì)于需要計(jì)算該監(jiān)控?cái)z像頭的旋轉(zhuǎn)角度，也是非常重要的一步，有利于將其傳送給監(jiān)控?cái)z像頭的主要控制程序通過進(jìn)行旋轉(zhuǎn)真實(shí)場(chǎng)景中的監(jiān)控?cái)z像頭來達(dá)到監(jiān)控的目標(biāo)。而監(jiān)控?cái)z像頭一方面能夠從一個(gè)位置不停地旋轉(zhuǎn)可以到另一個(gè)位置，其存在多種運(yùn)動(dòng)方式，但是其歸根到底都是水平運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)的目的，只有不斷地計(jì)算監(jiān)控?cái)z像頭，水平方向和垂直方向所顯示出的旋轉(zhuǎn)角度，才能夠?qū)⒈O(jiān)控?cái)z像頭對(duì)準(zhǔn)需要監(jiān)控的主要位置，實(shí)現(xiàn)最佳的監(jiān)控效果。

3.5系統(tǒng)運(yùn)行

我們通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不斷進(jìn)行開發(fā)的流程研究可以采用OPEN GL與VC++來編寫變電站電氣仿真程序和攝像頭進(jìn)行自動(dòng)控制的相關(guān)程序，在程序進(jìn)行編寫，完成后從而在HPZ820的圖形工作站上進(jìn)行運(yùn)行。通過相關(guān)的運(yùn)行結(jié)果顯示得出，系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中能夠及時(shí)地觀察電力設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，準(zhǔn)確的確定攝像頭做監(jiān)控的主要位置，保證實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)行設(shè)備的主要功能。

4 結(jié)語

當(dāng)前，隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種較為新型的技術(shù)，主要被用于電力仿真領(lǐng)域。因此我們必須要在電力仿真領(lǐng)域，通過努力構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)要在電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建完成后，選擇相關(guān)的監(jiān)控區(qū)域，找出最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭的位置計(jì)算監(jiān)控?cái)z像頭最優(yōu)選轉(zhuǎn)角度，按照相同的方式，對(duì)真實(shí)場(chǎng)景中的最優(yōu)監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行研究，從而保證電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，有利于幫助電力運(yùn)行設(shè)備的遙感功能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。在電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究和開發(fā)的過程中，我們必須要加強(qiáng)其與 SCADA系統(tǒng)之間的有效融合，通過接收SCADA系統(tǒng)中各電力設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，保證虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中模擬各種電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這是該系統(tǒng)在未來發(fā)展中的主要改進(jìn)內(nèi)容。

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