高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)研究

蔡松濤?楊國華?劉皓

x 要：介紹了高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)的構成原理、實現(xiàn)功能以及在高壓電纜及電力隧道監(jiān)控方面起到的重要作用。通過開發(fā)該系統(tǒng)，形成一個貫穿整個公司以及生產(chǎn)一線的各個層次的多維電纜網(wǎng)監(jiān)控平臺，從而對公司電纜網(wǎng)進行有效、科學的管理，提高管理質量和運行效率，降低運營成本，保障供電可靠性。

關鍵詞： 電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺；多維；動態(tài)；全局展現(xiàn)

1.引言

北京電纜網(wǎng)運行監(jiān)控中心成功投運，實現(xiàn)了對電纜線路和電力隧道的數(shù)字化和集中管理，監(jiān)控中心投運以來，在電纜專業(yè)生產(chǎn)運行工作中發(fā)揮了重要作用。但是，如何進一步推動電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺的深入應用，提高電纜網(wǎng)運行異常狀況的定位效率，為電纜網(wǎng)運行管理提供多維動態(tài)全局展現(xiàn)的技術手段，成為我們結合運行監(jiān)控中心功能延伸而引發(fā)的思考。

基于這些考慮，我們開發(fā)了高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)，通過綜合利用三維地理信息技術、虛擬現(xiàn)實技術、動態(tài)全局展現(xiàn)技術，建立電纜網(wǎng)多維空間模型及隧道多維仿真模型，實現(xiàn)電纜網(wǎng)運行監(jiān)控信息的多維動態(tài)全局展現(xiàn)展示，從而達到提高電纜網(wǎng)運行管控水平的目的。

本文主要介紹了高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)及應用情況。

2.高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)

2.1系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)硬件結構主要包括：WEB服務器、應用服務器、通訊接口服務器和操作工作站組成，如圖1所示：

圖1 高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)硬件架構

其中，應用服務器主要運行高壓電纜及電力隧道多維全局展現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺服務、功能應用服務和信息分析計算；通訊服務器主要用于從電纜網(wǎng)獲得數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)據(jù)按全局展現(xiàn)展示的需要進行組織和分類處理，WEB服務器用于將電纜網(wǎng)全局展現(xiàn)信息的WEB發(fā)布。工作站用于系統(tǒng)維護和運行監(jiān)控，其中工作站在系統(tǒng)網(wǎng)絡搭建完畢的基礎上可以根據(jù)系統(tǒng)自主增加。

2.2系統(tǒng)軟件架構

電纜網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行一年多時間，在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入多維全局展現(xiàn)展示系統(tǒng)，既要保證現(xiàn)有系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又要同現(xiàn)有系統(tǒng)進行有效的數(shù)據(jù)和功能交互，使嵌入的全局展現(xiàn)展示系統(tǒng)與電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺做到完美集成，這既是對現(xiàn)有系統(tǒng)的升級，同時也是一項挑戰(zhàn)。系統(tǒng)總體設計采用插件式設計方式，通過標準的通用數(shù)據(jù)格式同現(xiàn)有系統(tǒng)做數(shù)據(jù)接口，同時最大化利用現(xiàn)有系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行全局展現(xiàn)展示，系統(tǒng)結構圖如圖2所示：

圖2 高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)軟件架構（1）

高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真系統(tǒng)整體上分為電纜網(wǎng)監(jiān)控平臺與電纜網(wǎng)Web發(fā)布平臺兩部分，其中電纜網(wǎng)監(jiān)控平臺采用C/S模式，在現(xiàn)有監(jiān)控平臺基礎上進行開發(fā)，電纜網(wǎng)Web發(fā)布平臺采用B/S模式進行發(fā)布，總體設計原則為在電纜網(wǎng)監(jiān)控平臺上和電纜網(wǎng)Web發(fā)布平臺上都需要實現(xiàn)三維展現(xiàn)、監(jiān)控數(shù)據(jù)展示、綜合查詢、巡視管理以及各種專題圖等功能，但對于數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)編輯和三維隧道微觀模式的展現(xiàn)等功能只在電纜網(wǎng)監(jiān)控平臺上實現(xiàn)。

圖3 高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)軟件架構（2）

由于本系統(tǒng)涉及到多個開發(fā)商的多個應用組件統(tǒng)一集成到電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺上，同時必須保證集成后的系統(tǒng)應該是高度統(tǒng)一的，各個子系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫結合，這就要求各個應用之間高度集成。為實現(xiàn)應用的高度集成，系統(tǒng)采用統(tǒng)一的全局展現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺，使各個全局展現(xiàn)子系統(tǒng)在同一個數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，這樣保證了數(shù)據(jù)的高度一致性。同時各個全局展現(xiàn)應用組件都采用標準的COM組件，采用插件的方式嵌入至電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺中來實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成。

電纜網(wǎng)多維監(jiān)控平臺全局展現(xiàn)展示系統(tǒng)涉及到多個系統(tǒng)之間的交互，同時需要為現(xiàn)有的電纜網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)提供必要的接口，如果這些交互接口不采用標準的通訊和數(shù)據(jù)接口方式，其通用性必將受到很大的影響，日后新建的系統(tǒng)將難以重用這些接口，這必將導致大量的重復性工作和重復投資。為此，系統(tǒng)接口必須采用標準化的技術實現(xiàn)。系統(tǒng)采用目前主流的接口方式：WebService技術和XML技術，這些技術的運用使整個系統(tǒng)真正做到數(shù)據(jù)的共享，并為以后系統(tǒng)的改造升級提供了良好的基礎。

監(jiān)測的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)是電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺運行的重要基礎，同時對這些監(jiān)測狀態(tài)及時進行全局展現(xiàn)對于運行系統(tǒng)的整體調度具有重要的作用。電纜網(wǎng)多維監(jiān)控平臺全局展現(xiàn)展示系統(tǒng)利用統(tǒng)一的全局展現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺，即時從底層獲取監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)不延時，為整個系統(tǒng)的狀態(tài)即時展示提供了可靠保證。

系統(tǒng)既通過對電纜網(wǎng)主接線全局展現(xiàn)功能的展示，從宏觀上展示電纜網(wǎng)整體狀態(tài)分布情況，又通過隧道內部仿真全局展現(xiàn)表達，從細節(jié)上展示電纜網(wǎng)每個監(jiān)控設備的局部狀態(tài)，同時通過這兩者的結合與交互，全方位展示整個電纜網(wǎng)的運行狀態(tài)分布情況。

2.3系統(tǒng)研究內容

1）電纜網(wǎng)多維空間模型建立

研究如何利用最新的三維地理信息技術，建立隧道、通風亭、檢查井及其他地面設施三維空間模型，為電纜網(wǎng)運行監(jiān)控信息宏觀展示提供載體。

2）隧道仿真模型建立

利用最新的虛擬現(xiàn)實技術，研究如何建立隧道內部的多維仿真模型，為電纜網(wǎng)運行監(jiān)控信息的微觀展示提供載體。

3）監(jiān)控信息多維展示模型建立

在電纜網(wǎng)多維空間模型及隧道多維仿真模型的基礎上，增加狀態(tài)維及參數(shù)維信息，建立監(jiān)控信息多維展示模型，為實現(xiàn)多維動態(tài)全局展現(xiàn)展示奠定基礎。

4）監(jiān)控信息多維動態(tài)全局展現(xiàn)展示

以多維展示模型為基礎，動態(tài)獲取最新監(jiān)控信息，實現(xiàn)隧道積水、有害氣體、電纜溫度、線路負荷、接地電流、局部放電等運行參數(shù)的多維動態(tài)展示。

2.4 系統(tǒng)開發(fā)所采用的關鍵技術

1）三維地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一門地學空間數(shù)據(jù)與計算機技術相結合的新型空間信息技術。隨著二維地理信息系統(tǒng)應用越來越廣泛和成熟，其弊端也逐漸顯現(xiàn)出來，二維地理信息系統(tǒng)本質上是基于抽象符號的系統(tǒng)，不能給人以自然界的本原感受。隨著應用的深入，第三維的高程信息顯得越來越重要。與二維地理信息系統(tǒng)相比，三維地理信息系統(tǒng)對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，它以立體造型技術給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能方便地對空間對象進行三維空間分析和操作。

2）虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過使用傳感設備與之相互作用的新技術。它與傳統(tǒng)的模擬技術完全不同，是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，把操作者與計算機生成的三維虛擬環(huán)境連結在一起。虛擬現(xiàn)實世界，最重要的特點就是“逼真”感與“交互”性。參與者置身于虛擬世界中，環(huán)境、人像都猶如在真實環(huán)境中，其中的各種物體及現(xiàn)象都在相互作用著。

3）動態(tài)全局展現(xiàn)技術

動態(tài)全局展現(xiàn)技術是近年來發(fā)展非常迅速的一門技術，它是運用計算機技術對復雜的現(xiàn)實世界進行抽象和模擬以形成仿現(xiàn)實的數(shù)字模型，并且可以對數(shù)字模型疊加信息模型。同時，動態(tài)全局展現(xiàn)技術對數(shù)字模型可以采用動態(tài)成成的機制，這可以有效減少模型在系統(tǒng)中的即時占有率，提供系統(tǒng)的性能和效率。

3.高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)的應用

3.1 建立電纜網(wǎng)空間三維模型

通過對該系統(tǒng)的研究及開發(fā)，我們利用最新的三維地理信息技術，建立了隧道、通風亭、檢查井及其他地面設施的三維空間模型，為電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺提供了宏觀展示載體。

（a）地上模式

（b）地下模式

圖4 電纜網(wǎng)多維空間模型示例

在電纜網(wǎng)空間三維模型中，我們建立了宏觀模式與微觀模式兩種三維場景，在宏觀模式下，可以在任意高度，通過地上和地下模式的切換查看整個電纜網(wǎng)的三維分布情況，系統(tǒng)通過宏觀模式展示各種專題圖、各種分析結果以及對各種設備查詢和報警信息的定位。當需要對某段隧道查看其詳細細節(jié)情況時，可以從某個檢查井進入其隧道微觀模式，在微觀模式中，顯示隧道內設備的詳細分布情況。

通過定位功能，我們可以實現(xiàn)對隧道、電纜段、井蓋等設備設施的準確定位。同時，通過對事件設備定位方式，實現(xiàn)對特定的事件進行定位，如井蓋非法開啟報警的定位，光纖斷裂的定位，電纜溫度過高的報警定位以及GPS搶修車輛的定位等。

3.2 建立隧道仿真模型

通過利用最新的虛擬現(xiàn)實技術，我們建立了隧道內部的三維仿真模型，對隧道內的電纜線路、支架、電纜標牌以及防火槽盒等設備、設施進行模型化處理，為電纜網(wǎng)運行監(jiān)控平臺提供了微觀展示載體。

圖5 隧道內仿真模型示例

通過建立隧道仿真模型，我們在監(jiān)控系統(tǒng)中就可以直觀的掌握隧道內電纜敷設、隧道結構以及附屬設施安裝情況等信息，同時，通過將該系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)建立接口，還可以查看電纜線路的臺帳等詳細信息。

3.3建立監(jiān)控信息多維展示模型

在電纜網(wǎng)三維空間模型及隧道三維仿真模型的基礎上，增加狀態(tài)維及參數(shù)維信息，建立監(jiān)控信息多維展示模型，對隧道內的測溫光纜、氣體監(jiān)測儀、水位監(jiān)測儀、攝像頭等設備進行模型化處理，為實現(xiàn)多維動態(tài)全局展現(xiàn)展示奠定基礎。（見圖6）

為了保證三維模型跟現(xiàn)場設備一致，對一些特殊設備模型現(xiàn)場的設備照片進行貼圖處理。

3.4監(jiān)控信息多維動態(tài)可視化展示

以多維展示模型為基礎，動態(tài)獲取最新監(jiān)控信息，實現(xiàn)井蓋狀態(tài)、隧道積水、有害氣體、電纜溫度、線路負荷、接地電流、局部放電等運行參數(shù)以及設備缺陷、施工工地的多維動態(tài)展示。

在系統(tǒng)中實時顯示當前水位值，當監(jiān)測的水位超過限定值時，系統(tǒng)進行報警，并自動定位到水位監(jiān)測儀的三維模型上。同時，實現(xiàn)對水位監(jiān)測儀的歷史水位的查詢和分析功能。（見圖7、圖8）

在系統(tǒng)中顯示井蓋的各種實時狀態(tài)，具體狀態(tài)包括開合狀態(tài)，有無監(jiān)控設備狀態(tài)，同時支持在三維場景中實現(xiàn)對井蓋的遠程開啟和關閉，對井蓋異常狀態(tài)的報警定位功能。（見圖9）

系統(tǒng)通過光纖測溫系統(tǒng)的相關接口，獲取監(jiān)測電纜的實時溫度數(shù)據(jù)和歷史溫度數(shù)據(jù)，在三維場景中展示實時溫度信息和溫度變化。（見圖10）

在全局展現(xiàn)系統(tǒng)中實時顯示整個電纜網(wǎng)的負荷分布情況和溫度分布情況，全局掌控電纜網(wǎng)運行情況，同時在系統(tǒng)中查看電網(wǎng)潮流信息。（見圖11）

通過將該系統(tǒng)與監(jiān)控中心電力隧道攝像監(jiān)控系統(tǒng)間建立接口，我們實現(xiàn)了在三維場景中顯示監(jiān)控視頻的功能。同時，支持視頻監(jiān)控與其它功能的操作聯(lián)動，如在井蓋非法開啟、電纜溫度異常、水位異常時，系統(tǒng)自動搜索就近的攝像頭進行監(jiān)控，查看當前隧道內部視頻情況。（見圖12）

在政治供電保障期間，公司供電指揮部通過應用高壓電纜及電力隧道多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對供電保障工作的全局掌控，該系統(tǒng)為各類型供電保障工作取得圓滿成功提供了強有力的技術支撐。（見圖13、圖14、圖15）

為了檢驗系統(tǒng)是否達到預期的功能目標，盡可能找出系統(tǒng)中隱含的缺陷，及時發(fā)現(xiàn)問題，并將問題解決，避免問題積累，從而保證系統(tǒng)的可靠性，我們在系統(tǒng)正式投運前進行了全面測試，主要包括以下幾部分：

◎ 功能測試：側重于所有可直接追蹤到用例或業(yè)務功能和業(yè)務規(guī)則的測試需求。通過圖形用戶界面（GUI）與應用程序進行交互，并對交互的輸出或結果進行分析，以此來核實應用程序及其內部進程。

◎ 集成測試：檢測系統(tǒng)是否達到需求，對業(yè)務流程及數(shù)據(jù)流的處理是否符合標準，檢測系統(tǒng)對業(yè)務流處理是否存在邏輯錯誤，檢測需求是否存在不合理的標準及要求。

◎ 界面測試：主要測試系統(tǒng)界面是否友好、簡單易用。界面整體布局是否規(guī)范、合理；窗體上的按鈕功能命名及使用是否符合習慣；提示信息是否及時完整；是否對提交數(shù)據(jù)進行驗證。

◎ 性能測試：通過自動化的測試工具模擬多種正常、峰值以及異常負載條件來對系統(tǒng)的各項性能指標進行測試，了解系統(tǒng)的性能有沒有滿足需求，對于不滿足需求的模塊則通過測試發(fā)現(xiàn)可能的性能瓶頸，并進行相應的性能調優(yōu)。主要包括并發(fā)性能測試、疲勞強度測試、大數(shù)據(jù)量測試和速度測試等，其中并發(fā)性能、系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)一致性測試是重點。

通過測試我們得出如下結論：電纜網(wǎng)多維動態(tài)仿真及全局展現(xiàn)系統(tǒng)加強了對電纜網(wǎng)運行狀況監(jiān)控的力度，提高了電纜網(wǎng)運行異常狀況的定位效率，為電纜網(wǎng)運行管理提供多維動態(tài)全局展現(xiàn)的技術手段，提高了運行管理效率。

4.結論

1）通過電纜網(wǎng)監(jiān)控信息的多維動態(tài)全局展現(xiàn)展示，可以有效提高電纜網(wǎng)運行監(jiān)控能力，及時掌控電纜網(wǎng)整體運行情況，快速查找電纜網(wǎng)運行異常位置；為異常（故障）處理提供全面的信息，縮短異常處理時間，有效控制異常狀況的蔓延，使其影響范圍最小化，降低甚至消除運行異常引發(fā)的經(jīng)濟損失。

2）在本系統(tǒng)的建設過程中，需要建立電纜網(wǎng)三維空間模型和隧道仿真模型，本系統(tǒng)的建設為日后全面建立完整的電纜網(wǎng)數(shù)字模型奠定了堅實的基礎。這兩種模型的建立將大幅提高電纜網(wǎng)圖檔資料管理效率，有效減少日常運行管理過程中圖檔資料的檢索時間，提高日常管理的效率，降低管理成本，實現(xiàn)電纜網(wǎng)圖檔資料的精益化管理。

3）動態(tài)全局展現(xiàn)展示是電纜網(wǎng)多維動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與運行管理人員交互的橋梁，是實現(xiàn)電纜網(wǎng)運行管理模式轉變的重要手段之一，為其提供堅實的技術保障。該項目的實施是電纜網(wǎng)運行管理方面的技術創(chuàng)新，在國內外均沒有先例。該系統(tǒng)可以為國內電纜網(wǎng)管理提供參考，能夠推動我國高壓電纜網(wǎng)管理管理的技術進步。

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