基于VR的變電站智能巡檢場景研究與設(shè)計

魏 焱

(廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，無人值守的變電站數(shù)量越來越多，電網(wǎng)對信息系統(tǒng)的依賴程度越來越強(qiáng)。而與此同時，各種信息系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)線進(jìn)行建設(shè)，系統(tǒng)之間缺乏必要的聯(lián)系。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)缺少直觀有效的方式顯示海量、復(fù)雜的信息，缺少有效的可視化手段對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的展示[1]。而一般的二維GIS系統(tǒng)只能對變電站總體狀態(tài)進(jìn)行展示，既無法滿足變電站設(shè)備級的精細(xì)化管理要求，又不符合業(yè)務(wù)人員巡檢變電站的實(shí)際應(yīng)用。

基于以上考慮，本文以變電站智能巡檢場景為切入點(diǎn)，在變電站精細(xì)化三維建模的基礎(chǔ)上，依靠虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，給出了將三維模型漫游與現(xiàn)場機(jī)器人巡檢結(jié)合的應(yīng)用場景設(shè)計方案，即在三維模型中實(shí)時動態(tài)地顯示機(jī)器人的現(xiàn)場位置、真實(shí)視頻、設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等視聽覺類監(jiān)測信息，并通過三維控制器實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的同步操作，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互的效果。在信息展示方面，打破以往巡檢時業(yè)務(wù)人員查詢多個信息系統(tǒng)的模式，而是以設(shè)備為單位，將與該設(shè)備有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)集中起來[2-5]，統(tǒng)一進(jìn)行展示，再結(jié)合機(jī)器人現(xiàn)場采集的信息，通過雙屏互動等可視化載體進(jìn)行呈現(xiàn)，達(dá)到了優(yōu)于現(xiàn)場巡檢的用戶體驗(yàn)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Vinual Reality，VR）技術(shù)是一種使人沉浸于一個由計算機(jī)生成或以計算機(jī)為中介的可交互虛擬環(huán)境中的顯示和控制技術(shù)，它采用計算機(jī)發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實(shí)世界一樣的感覺，它融合了數(shù)字圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是要利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。[6-8]

變電站智能巡檢場景設(shè)計就是依托變電站精細(xì)化三維建模，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使業(yè)務(wù)人員能夠在虛擬變電站中進(jìn)行漫游，遵照現(xiàn)場巡檢的習(xí)慣，在變電站模型中對每個設(shè)備進(jìn)行查看，同時將與該設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息實(shí)時動態(tài)的呈現(xiàn)出來，輔助巡檢人員發(fā)現(xiàn)缺陷、定位故障，提供可視化的信息支撐。

2 變電站精細(xì)化三維建模

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對電網(wǎng)設(shè)備精細(xì)化程度的需求，可將電網(wǎng)設(shè)備三維模型的粒度由粗到細(xì)劃分為三級，分別是工程級模型、重點(diǎn)部件級模型、全設(shè)備級模型。三種級別可從完整性、精細(xì)度兩方面進(jìn)行描述，具體內(nèi)容如表1所示。

3 智能巡檢場景的研究與設(shè)計

3.1 場景總體設(shè)計

變電站智能巡檢場景主要分為兩部分，包括虛實(shí)結(jié)合的智能操控和信息融合的智能展示。變電站智能巡檢場景則是通過可視化載體，將智能操控和智能展示兩部分綜合起來，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)互動的可視化場景[9-10]（如圖 1）。

表1 三維建模精細(xì)化等級描述

3.2 智能操控設(shè)計

虛實(shí)結(jié)合的智能操控是研究變電站機(jī)器人智能巡檢與仿真技術(shù)的融合協(xié)同，即在現(xiàn)實(shí)變電站中引入巡視機(jī)器人，并在高精度的變電站三維仿真場景中置入模擬機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人仿真環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境的完全協(xié)同。如圖2所示，通過三維控制器發(fā)出同一套通訊指令同時控制模擬機(jī)器人與巡檢機(jī)器人，雙方通過信息通信傳輸定位信息，時刻保持位置一致，為虛擬場景的集成信息與現(xiàn)場環(huán)境的采集信息融合展示、疊加分析等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3.3 智能展示設(shè)計

信息集成的智能展示是在雙屏顯示模式下，將模擬機(jī)器人在仿真環(huán)境中巡檢時集成的設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測、事件信息、環(huán)境信息、臺帳信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，同時也展示巡視機(jī)器人捕捉到的真實(shí)視頻，現(xiàn)場采集到的設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等視聽覺類監(jiān)測信息。通過兩種信息的疊加處理與分析，使業(yè)務(wù)人員能夠更加精準(zhǔn)、實(shí)時、真實(shí)、沉浸式的監(jiān)測變電站狀態(tài)，達(dá)到協(xié)同工作的目的。

圖1 變電站智能巡檢場景

圖2 智能操控功能圖

1）數(shù)據(jù)源層描述了可視化場景所需要訪問的數(shù)據(jù)來源，主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)、EMS、在線監(jiān)測系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等。

2）數(shù)據(jù)層描述了展示平臺與不同數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、凈化和集成機(jī)制?？梢暬瘓鼍八枰褂煤凸芾淼臄?shù)據(jù)，包括內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)兩類。其中，內(nèi)部數(shù)據(jù)是指直接取自公司相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具體包括臺帳數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。外部數(shù)據(jù)是指取自外部數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，例如微氣象等。數(shù)據(jù)源層提供的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層分成了關(guān)系型數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共四類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 變電站智能巡檢數(shù)據(jù)架構(gòu)

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層從“全景查看”、“任務(wù)管理”、“路線設(shè)定”、“巡檢項(xiàng)目”、“缺陷管理”、“報告管理”六個方面輔助變電站巡視人員工作。在健康狀況指標(biāo)體系設(shè)計方面，為了便于用戶從海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取關(guān)鍵的信息，我們按照層次關(guān)系將指標(biāo)體系分成了三級，分別是變電站整體健康狀況、各類變電設(shè)備健康狀況和某類變電設(shè)備詳細(xì)健康狀況。當(dāng)展現(xiàn)信息時，每一級健康狀況都是從下向上層層抽取得到，當(dāng)定位故障時，用戶又可以從上向下層層進(jìn)行挖掘，如圖4所示。

4）可視化展現(xiàn)層描述了對展示內(nèi)容、展示方式和展示形式的控制和管理。應(yīng)用展現(xiàn)層主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用內(nèi)容用適當(dāng)?shù)恼宫F(xiàn)方式通過不同的展示媒介呈獻(xiàn)給用戶。表2列出了不同終端下的展示方案。

圖4 健康狀況指標(biāo)體系設(shè)計

表2 可視化場景終端展示方案

4 實(shí)現(xiàn)智能巡檢場景所需的關(guān)鍵技術(shù)

通過智能巡檢場景的設(shè)計，本文還給出了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，最終達(dá)到從輔助巡檢業(yè)務(wù)向輔助狀態(tài)評估的高級應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

4.1 真虛實(shí)時交互及運(yùn)動控制技術(shù)的研究

變電站機(jī)器人智能巡檢與仿真技術(shù)的交互需要進(jìn)行多級處理，通過建立信息交互模型，能有效地將信息采集、整理、評估、分發(fā)各個環(huán)節(jié)的信息通信打通。此外，還需要研究并驗(yàn)證運(yùn)算速度和精度、前續(xù)預(yù)處理系統(tǒng)和后續(xù)信息識別系統(tǒng)的接口性能、不同技術(shù)和方法的協(xié)調(diào)能力、以及對信息樣本的智能識別等技術(shù)點(diǎn)。并將交互控制融合算法應(yīng)用于變電站智能巡檢，從而響應(yīng)用戶的操作，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的體驗(yàn)。同時為了提高虛擬場景的“沉浸”特征和“交互”特征，通過控制預(yù)測圖象的生成來表現(xiàn)對設(shè)備的運(yùn)動控制，預(yù)測圖象間的過渡畫面的幀數(shù)在系統(tǒng)初始化中被設(shè)置成恒定的值，來保證系統(tǒng)顯示畫面的穩(wěn)定性。

4.2 多種信息實(shí)時同步和融合的研究

研究的關(guān)鍵在于狀態(tài)采集和數(shù)據(jù)處理。狀態(tài)采集完成機(jī)器人現(xiàn)場原始信號（溫度、壓力、流量、電壓、電流、振動等）采集、數(shù)字化和有效性驗(yàn)證。數(shù)據(jù)處理的主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的變換、綜合，提取能夠反應(yīng)生產(chǎn)過程狀態(tài)的性能指標(biāo)。同時，通過采用業(yè)界最先進(jìn)的同步技術(shù)，制定數(shù)據(jù)采集與實(shí)時同步方案，采取數(shù)據(jù)錯誤檢查處理機(jī)制，支持多種中心數(shù)據(jù)庫的集成，并定期的與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)信息的同步控制與展現(xiàn)，從而為變電站智能巡檢提供更智能化的實(shí)時監(jiān)測模擬預(yù)演，提高空間實(shí)時分析的能力，確保工作人員對設(shè)備全方位無視差的監(jiān)測。

4.3 可視化展示技術(shù)研究

可視化技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行安全狀態(tài)顯示和同步控制等方面做了大量研究，研究基于VR變電站智能巡檢的可視化展現(xiàn)技術(shù)，可以打破數(shù)據(jù)原始表示及列表表示的局限，形成更科學(xué)、直觀、美化的場景展示界面，更加靈活、有效的支持智能巡檢。變電站智能巡檢場景的設(shè)計采用雙屏互動的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在硬件上采用霧化玻璃全息衍射與納米觸控膜技術(shù)相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，能夠給生產(chǎn)運(yùn)行提供更智能化的實(shí)時監(jiān)測模擬預(yù)演以及空間實(shí)時分析的能力。通過雙屏虛實(shí)信息相互碰撞同步控制與展現(xiàn)，確保巡視員對設(shè)備進(jìn)行全方位無視差的監(jiān)測，變電站巡檢自動化水平和檢測準(zhǔn)確性提供了創(chuàng)新型的可視化展示技術(shù)手段，對于提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性具有重要意義。

4.4 輔助決策的智能分析技術(shù)研究

智能分析的本質(zhì)在于如何通過機(jī)器人傳感器現(xiàn)場采集的反饋信息與虛擬設(shè)備上讀取的來自后臺系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測信息相疊加處理與分析，分析哪些業(yè)務(wù)，如何分析業(yè)務(wù)，才能夠更加精準(zhǔn)、實(shí)時、真實(shí)、沉浸式的監(jiān)測變電站實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，給生產(chǎn)運(yùn)行提供現(xiàn)場空間實(shí)時分析與監(jiān)測的能力，達(dá)到輔助決策與協(xié)同工作的目的。核心分析點(diǎn)包括如下內(nèi)容：

1）實(shí)時數(shù)據(jù)展示。在仿真環(huán)境中定位某一設(shè)備時，該設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測、事件信息、環(huán)境信息、臺帳信息等真實(shí)信息可直接在該虛擬設(shè)備上直觀展現(xiàn)。

2）實(shí)時圖像數(shù)據(jù)監(jiān)控。對可見攝像機(jī)和紅外熱像儀進(jìn)行實(shí)時視頻顯示，配合遙控和自動巡視功能，實(shí)現(xiàn)操作人員的后臺巡視及實(shí)時檢測數(shù)據(jù)的存儲。

3）機(jī)器人現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋與疊加分析。把機(jī)器人運(yùn)行需要的電子地圖信息、任務(wù)管理信息、工作系統(tǒng)信息及實(shí)時數(shù)據(jù)庫信息反饋，同時對機(jī)器人運(yùn)行產(chǎn)生的日志和巡視進(jìn)行記錄，以備歷史查詢和分析，提供檢測數(shù)據(jù)的處理與疊加分析功能。

4）設(shè)備高級分析。將機(jī)器人捕捉到的真實(shí)視頻與多傳感器（例如紅外輻射測溫）相結(jié)合，對實(shí)時傳回現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等高級應(yīng)用與分析。

5 結(jié)語

該研究的應(yīng)用價值在于將信息與通信融合技術(shù)應(yīng)用化，讓技術(shù)更好的為電力應(yīng)用服務(wù)，能夠彌補(bǔ)僅采用機(jī)器人單向巡檢的不足，給生產(chǎn)運(yùn)行提供更智能化的實(shí)時監(jiān)測模擬預(yù)演以及實(shí)時空間分析的能力，確保巡視員對設(shè)備全方位無視差的監(jiān)測，為變電站的運(yùn)行與管理向自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展提供有力的技術(shù)保障，更好地為變電站運(yùn)行提供服務(wù)，對于提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性具有重要意義。

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