基于虛擬成像技術的變電站運維系統(tǒng)設計

肖東裕，謝旭琛，王慧豪，朱 筠，王軍玉

（廣東電網(wǎng)有限公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

0 引 言

由于社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電力需求的日益增長，且變電站是電力傳輸網(wǎng)的關鍵節(jié)點，所以變電站的建設也隨之跟進提速。變電站作為電網(wǎng)中最為昂貴、復雜的廠站，其設備運維檢修工作量與日俱增，工作難度及技術難度也同步提高。由于變電站建設技術的提高和變電站用地的征用困難等，新建變電站一次設備大量采用HGIS、GIS及導線構(gòu)架式多層掛接等技術，如圖1和圖2所示。此類技術的應用使變電站增加了在垂直空間上的利用率，減少了對土地面積的需求，但同時也增加了變電站檢修維護的難度。

圖1 GIS設備

圖2 多層導線構(gòu)架

目前，變電站運維工作均由駐站運行人員或者所轄中心站的運行人員管理，對人員素質(zhì)要求極為嚴格。相關人員都是經(jīng)過長期電力專業(yè)知識的學習、培訓，才能勝任復雜的變電站運維工作。但變電站現(xiàn)場運維工作使用紙質(zhì)操作指引、平面的設備圖紙及平面告示板等二維平面圖紙資料來開展。此類資料不直觀、難懂且容易脫落，往往不能保證操作、安全交底及新員工培訓相關業(yè)務的順利開展。特別是停電檢修作業(yè)時，初次進入變電站的施工人員及新員工實習生就成為了作業(yè)中的風險點。因此，本文設計的系統(tǒng)主要用于解決變電站平面圖紙資料不直觀的缺點，滿足變電站運維培訓、施工作業(yè)安全交底可視化、直觀化的需求。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)要將變電站設備運維信息直觀可視化，最直接的做法是將資料圖從二維空間升至人眼所觀察的三維空間。系統(tǒng)對比了現(xiàn)今AR、VR及全息投影等虛擬成像技術，綜合考慮變電站現(xiàn)場、成本實施難度等要素后，在系統(tǒng)原理上選用全息投影技術。

全息投影技術（3D front-projected holographic display）也稱虛擬成像技術，主要利用了光的干涉和衍射原理，將已經(jīng)獲取的三維影像信息的投影對象，利用發(fā)光裝置“映射”到指定的位置，再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術[1]。但目前該技術在實際應用上還不太成熟，對于投影對象的細節(jié)或者成本方面都不適合本系統(tǒng)，所以系統(tǒng)采用在技術應用上更成熟的偽全息投影技術。偽全息技術實際是通過將光直射或反射到一種透明介質(zhì)，給觀察者一種物體憑空出現(xiàn)在透明介質(zhì)上的視覺假象，從而達到與3D效果。偽全息投影技術的分類方式表1所示[2]。

表1 偽全息投影技術分類

2 系統(tǒng)整體設計

根據(jù)系統(tǒng)主要需求，整體設計構(gòu)架如圖3所示。系統(tǒng)通過運維人員在計算機終端播放視頻源，計算機內(nèi)包含多視頻播放器，以輸出四路視頻信號，視頻信號通過多屏顯卡以及VGA接口連接到投影機（投影儀或顯示器），然后投影機從4個相互垂直的方向上對虛擬成像展示柜進行映射，從而在展示柜中展示虛擬成像的變電站設備，以供變電站人員使用到運維工作中。

圖3 系統(tǒng)整體構(gòu)架

2.1 硬件設計

2.1.1 全息展柜

本系統(tǒng)的硬件設計中，根據(jù)所在場地變電站培訓室，選擇了四面貼全息膜的金字塔展柜，展柜選用材質(zhì)較輕的亞克力板，并在板面粘貼全息薄膜。薄膜選用幻影成像膜，是一種高性能雙面顯示投影膜。膜層主要成分是一種感光材料，可讓觀察者對出現(xiàn)在膜上的虛擬影像產(chǎn)生很好的立體縱深感。

2.1.2 投影儀

投影方式選擇正面投影。因為考慮培訓室光線度較亮，對投影設備流明度要求較高，所以選擇了投影儀作為全息圖像投影設備，投影儀要求流明度在3 000以上，共4臺在4個方向上進行對展柜進行投影。

2.1.3 計算機及相應配件

系統(tǒng)需要一臺計算機對視頻源進行存儲播放，要求該電腦具備i3以上處理器、4G以上內(nèi)存、500G以上硬盤及商用多屏顯卡（6屏）。該計算機通過VGA數(shù)據(jù)傳輸接口對四臺投影儀進行視頻信號輸出。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)視頻源需要的3D圖像素材，采用3D-MAX軟件制作模型獲取，模型包括需要細節(jié)精致的主變等設備模型及可制作得相對粗糙的各電壓等級場地模型。此外，4個投影儀還需要一個與顯卡相匹配的多影像播放管理軟件（AZ PLAYER NEO）。

3 系統(tǒng)成效

系統(tǒng)的建立對變電站內(nèi)的各項運維工作起到了很好的輔助作用。對于培訓方面，日常工作中平面的設備圖紙不直觀、部分設備帶電運行無法就近觀察等難以憑空形容講述的對象，可以通過虛擬成像系統(tǒng)直觀、立體、清晰地對新員工等受陪人員展示，大大提高了培訓效率。同時，3D模型還可以用于設備分析、缺陷分析等。對于安全管理，系統(tǒng)可以用于各個電壓等級區(qū)域的安全交底，利用各個場地的模擬沙盤模型，讓施工隊在進入場地施工前，從三維空間上認清帶電區(qū)域以及作用的安全空間，特別是對吊車、升降平臺及登高等需要在垂直空間上移動的作業(yè)，提供多一層可視化的安全保障。系統(tǒng)建立的模型也可以遷移到日后AR、VR等其他變電站運維設備。

4 結(jié) 論

基于虛擬成像技術的變電站運維系統(tǒng)改進了以往變電站只限于二維的培訓、安全管理等運維模式。通過對偽全息成像技術系統(tǒng)的研發(fā)設計，利用三維虛擬成像的模型，提高了培訓效果，實現(xiàn)了設備場地安全管理的全面可視化、直觀化[3]。因此，本系統(tǒng)的設計應用能幫助運維人員提高運維效率，并利用新技術保障電網(wǎng)運行安全。