可視化技術(shù)在電網(wǎng)信息通信專業(yè)展示中的應(yīng)用

周開河，徐孝忠，方云輝

(國網(wǎng)浙江省電力公司 寧波供電公司，浙江 寧波 315007)

可視化技術(shù)在電網(wǎng)信息通信專業(yè)展示中的應(yīng)用

周開河，徐孝忠，方云輝

(國網(wǎng)浙江省電力公司 寧波供電公司，浙江 寧波 315007)

通過多媒體和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對電網(wǎng)信息通信專業(yè)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘分析，并實時動態(tài)的可視化展示。文中對電網(wǎng)信息通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、設(shè)備狀態(tài)等內(nèi)容進行更加形象、直觀和多角度的可視化圖形展開研究。系統(tǒng)將電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)采用靈活、實物化、動態(tài)的方式表達，借助虛擬現(xiàn)實、三維地圖、大數(shù)據(jù)技術(shù)進行顯示，使調(diào)度運行人員可直接得到電網(wǎng)運行趨勢和本質(zhì)的高層次信息，從而可及時發(fā)現(xiàn)已存在的異常和潛在的事故隱患，加強對電網(wǎng)宏觀信息的管控。

智能電網(wǎng)；可視化；虛擬現(xiàn)實；大數(shù)據(jù)

電網(wǎng)信息通信系統(tǒng)作為支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)[1-3]，有必要通過3D動態(tài)可視化技術(shù)建設(shè)，進一步提高對信息通信設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時監(jiān)控[4-7]；實現(xiàn)信息通信資源和網(wǎng)絡(luò)全面、實時、全景式的大屏可視化監(jiān)控。

1 可視化技術(shù)

可視化(Visualization)技術(shù)，是將一些繁雜的文字和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖形和圖像，幫助人們形象地理解數(shù)據(jù)或過程的含義以及物理過程的本質(zhì)，是數(shù)據(jù)或文字表達的補充與提升[8]。信息可視化就是利用計算機支撐的、交互的、對抽象數(shù)據(jù)的可視表示，來增強人們對這些非物理抽象信息的認知[9-11]。目前，電力系統(tǒng)的可視化應(yīng)用還是有限的，如在圖模庫一體化中的應(yīng)用、系統(tǒng)一次接線圖及基于二維的PowerPoint演示等。然而，這些有限的可視化展示形式已無法滿足如今多媒體技術(shù)的需求。區(qū)別于枯燥的平面軟件和數(shù)字圖表，三維實時互動型展示技術(shù)則可更加形象生動的展示主題，使調(diào)度員更加直觀地理解生態(tài)城智能電網(wǎng)的特征，表達綠色低碳、和諧可靠與優(yōu)質(zhì)惠民的生態(tài)城智能電網(wǎng)理念[12]。新的多媒體技術(shù)基于DirectX技術(shù)平臺，應(yīng)用Ventuz結(jié)合多點觸摸與手勢識別和投影融合拼接融合技術(shù)，令電網(wǎng)信息通信系統(tǒng)可視化展示互動性強，展示理念更加新穎生動[13]。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)包含以下基本概念：(1)數(shù)據(jù)空間。由n維屬性和m個元素組成的數(shù)據(jù)集所構(gòu)成的多維信息空間；(2)數(shù)據(jù)開發(fā)。是指利用一定的算法和工具對數(shù)據(jù)進行定量的推演和計算；(3)數(shù)據(jù)分析。指對多維數(shù)據(jù)進行切片、塊、旋轉(zhuǎn)等動作剖析數(shù)據(jù)，從而能多角度多側(cè)面觀察數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘密切相關(guān)，但數(shù)據(jù)挖掘通常傾向于關(guān)注較大型的數(shù)據(jù)集，較少側(cè)重于推理，且常采用最初為另外一種不同目的而采集的數(shù)據(jù)。在統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，有些人將數(shù)據(jù)分析劃分為描述性統(tǒng)計分析、探索性數(shù)據(jù)分析以及驗證性數(shù)據(jù)分析；其中，探索性數(shù)據(jù)分析側(cè)重于在數(shù)據(jù)之中發(fā)現(xiàn)新的特征，而驗證性數(shù)據(jù)分析則側(cè)重于已有假設(shè)的證實或證偽。數(shù)據(jù)分析的類型包括[10-13]：1)探索性數(shù)據(jù)分析；2)定性數(shù)據(jù)分析。2010年后數(shù)據(jù)可視化工具基本以表格、圖形(chart)、地圖等可視化元素為主，數(shù)據(jù)可進行過濾、鉆取、數(shù)據(jù)聯(lián)動、跳轉(zhuǎn)、高亮等分析手段進行動態(tài)分析；(4)數(shù)據(jù)可視化。是指將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過程。

數(shù)據(jù)可視化已提出了諸多方法，這些方法根據(jù)其可視化的原理不同可以劃分為基于幾何的技術(shù)、面向像素技術(shù)、基于圖標(biāo)的技術(shù)、基于層次的技術(shù)以及基于圖像的技術(shù)和分布式技術(shù)等。

2 電力系統(tǒng)可視化的發(fā)展

國內(nèi)外學(xué)者對可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做了大量的研究，在電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示、運行安全狀態(tài)顯示和運行趨勢顯示等方面，主要通過電力系統(tǒng)仿真軟件計算，通過現(xiàn)有的可視化圖形軟件進行數(shù)據(jù)分析和圖形顯示。

(1)電網(wǎng)信息通信運行數(shù)據(jù)的三維可視化。傳統(tǒng)的二維展示手段具有結(jié)構(gòu)清晰、專業(yè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)點，可以將系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)清楚地標(biāo)注到相應(yīng)的位置上。但其不與實際系統(tǒng)的地理位置對應(yīng)，直觀性和可讀性較差，在某些應(yīng)用上顯示出局限性。而基于電網(wǎng)信息通信運行數(shù)據(jù)的三維可視化技術(shù)，在一個立體的空間中直觀地展示出通信網(wǎng)絡(luò)以及站點的實際地理位置信息與系統(tǒng)運行各項技術(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)。觀展者將更深刻地理解通信網(wǎng)絡(luò)的運行理念與運行狀態(tài)，從而提高展示內(nèi)容的可讀性與直觀性[13]；

(2)電網(wǎng)信息通信運行數(shù)據(jù)的實時交互性。傳統(tǒng)的三維展示手段通常以三維動畫的形式展現(xiàn)，具有形象生動，逼真直觀的優(yōu)點。但其不能讀取系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息，不具有實時交互性[14]?；陔娋W(wǎng)信息通信系統(tǒng)運行實時數(shù)據(jù)的交互形式則更加直觀，觀展者通過空間的手勢識別或多點觸摸桌面與展示內(nèi)容互動，不僅能直觀而準(zhǔn)確地了解通信網(wǎng)絡(luò)運行的相關(guān)數(shù)據(jù)，更能表現(xiàn)出信息網(wǎng)絡(luò)的特征；

(3)電網(wǎng)信息通信運行數(shù)據(jù)交互形式的多樣性。傳統(tǒng)的交互手段基于鼠標(biāo)、鍵盤和觸摸屏等輸入設(shè)備與計算機終端進行人機交互，新型交互的形式則基于多點觸摸的不同應(yīng)用。多點觸摸技術(shù)可通過手勢識別控制目標(biāo)的多個響應(yīng)輸入，從而產(chǎn)生更加逼真生動的信息反饋，展示形式也更加靈活多樣。此外，由于對大尺寸展示屏幕的需求，利用空間掃描距離傳感器模擬點擊與拖動等手勢動作達到大屏幕人機交互的目標(biāo)，使交互具有更鮮明的沉浸感[15]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)在構(gòu)建電網(wǎng)信息通信運維監(jiān)控中心可視化基礎(chǔ)支撐軟、硬件系統(tǒng)的同時，要在企業(yè)文化風(fēng)采展示、通信建設(shè)展示、信息建設(shè)展示、科技建設(shè)展示、環(huán)保與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作展示等多個應(yīng)用領(lǐng)域建設(shè)可視化應(yīng)用場景。本系統(tǒng)通過深入挖掘系統(tǒng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型，完善數(shù)據(jù)分析體系，建立面向不同用戶群體的可視化展示場景。涉及到的主要有數(shù)據(jù)可視化、地理信息可視化、3D可視化、實時數(shù)據(jù)可視化、多投影融合、多媒體互動等技術(shù)的使用，以及多種類型終端的可視化輸出，如異形投影屏、拼接屏、觸控屏和移動終端等。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

主監(jiān)控區(qū)域由三折幕投影屏、電子沙盤和控制臺3部分組成，通過操作控制臺實現(xiàn)投影屏和沙盤互動展示。

三折大屏幕顯示系統(tǒng)是基于計算機視覺的融合技術(shù)，通過多屏拼接控制器的傳輸顯示，可將全墻作為統(tǒng)一的邏輯屏來顯示高分辨率的應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)全屏顯示和分辨率的疊加。并對多個投影機參數(shù)及其畫面進行實時的矯正，自動消除投影重疊區(qū)、自動拼接投影圖像。作為單屏顯示的最低分辨率為1 280×800，而在4塊全屏的顯示最低分辨率則為5 120×800。在采用融合技術(shù)得到的邏輯大屏幕上不存在物理拼縫和光學(xué)拼縫，系統(tǒng)顯示屏上的圖像、圖形和文字不存在任何缺省或錯位，質(zhì)量超過了傳統(tǒng)手工機械拼圖的DLP大屏幕產(chǎn)品。

輔助展示區(qū)由一套1×3的拼接屏系統(tǒng)組成，屏幕采用壁掛式并支持觸控功能。拼接屏通過1臺拼接融合機將3個顯示單元拼接成一個整體邏輯畫面，也可將3個顯示單元分別顯示。用戶可用手指點擊的方式查看屏幕中的內(nèi)容，屏幕支持點擊、拖動、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等功能。

4 技術(shù)實現(xiàn)

新型多媒體技術(shù)基于微軟的DirectX多媒體編程接口，利用一個功能強大、擴展性良好的3D實時互動展示平臺Ventuz，結(jié)合多點觸摸，手勢識別應(yīng)用與空間掃描距離傳感器實現(xiàn)。其中，Ventuz具有大屏顯示與多屏拼接融合的優(yōu)勢，支持多點觸摸與基于TUIO協(xié)議的輸入終端。結(jié)合紅外攝像頭、多屏拼接融合與多點觸摸技術(shù)的應(yīng)用可使用戶產(chǎn)生沉浸感良好的互動體驗。

圖2 多點觸摸CCV示意圖

TUIO 是一個為多點觸摸表面定義了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與應(yīng)用編程接口的開放架構(gòu)。TUIO協(xié)議允許交互式表面上抽象描述的傳輸，例如傳輸觸摸和接觸物體的狀態(tài)。該協(xié)議對跟蹤應(yīng)用者的控制數(shù)據(jù)編碼，并將其傳送到任何可以解碼的客戶端應(yīng)用程序之中。

多點觸摸技術(shù)應(yīng)用利用CCV (Community Core Vision)技術(shù)實現(xiàn)， CCV是一個開放源代碼的計算機視覺與機器傳感的跨平臺解決方案。其需要一個視頻輸入流用來捕獲數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理之后，輸出追蹤數(shù)據(jù)及觸摸事件，這些均是構(gòu)建多點觸摸應(yīng)用程序的基本要素。CCV可以與各種網(wǎng)絡(luò)攝像頭或視頻采集設(shè)備協(xié)同工作，通過支持TUIO/OSC/XML的應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)連接，并支持包括FTIR、DI、DSI和LLP等在內(nèi)的多種基于光學(xué)的多點觸摸硬件方案。

5 結(jié)束語

為實現(xiàn)國家電網(wǎng)公司對加強企業(yè)信息化建設(shè)與應(yīng)用，按照覆蓋面更廣、集成度更深、智能化更高、安全性更強、互動性更好和可視化更優(yōu)的總體要求。需要建設(shè)以信息系統(tǒng)運行監(jiān)控為主體，進行多方數(shù)據(jù)的融合和關(guān)聯(lián)。實現(xiàn)通過可視化手段全面反映公司生產(chǎn)運行和經(jīng)營管理水平，從而全面提升業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息展現(xiàn)和輔助決策能力。

[1] 孫鴻飛,弓麗棟,張海濤,等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架及其應(yīng)用演進研究[J].現(xiàn)代電力,2016,33(6):64-73.

[2] 張鵬飛,徐志宇,許唐云,等.面向智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析挖掘與計算范式[J].電力學(xué)報,2016(2):89-94.

[3] 劉廣一,朱文東,陳金祥,等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點、應(yīng)用場景與分析平臺[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(5):102-110.

[4] 高峰,劉廣一,Chris Saunders,等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用[J].電力建設(shè),2015,36(10):11-19.

[5] 張鵬飛,徐志宇,許唐云,等.面向智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析挖掘與計算范式[J].電力學(xué)報,2016(2):89-94.

[6] 鄧松,岳東,朱力鵬,等.電力大數(shù)據(jù)智能化高效分析挖掘技術(shù)框架[J].電子測量與儀器學(xué)報,2016(11):1679-1686.

[7] 陽建坤.智能電網(wǎng)復(fù)雜事件處理技術(shù)應(yīng)用研究[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

[8] 劉鑫,張瑜.電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中統(tǒng)計特征任務(wù)分層的大數(shù)據(jù)融合模型[J].電網(wǎng)與清潔能源,2015,31(8):36-39,46.

[9] 陳勇.基于本體的智能電網(wǎng)歷史與實時數(shù)據(jù)流查詢研究[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

[10] 黃竹志,舒能文,劉鴻寧,等.面向智能電網(wǎng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺及應(yīng)用[J].湖北電力,2015,39(2):56-58.

[11] 彭小圣,鄧迪元,程時杰,等.面向智能電網(wǎng)應(yīng)用的電力大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(3):503-511.

[12] 余本功,喬天祥,張懂.基于Portlet組件化的電力數(shù)據(jù)分析平臺研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2015(10):218-220.

[13] 王德文,楊力平.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)流式處理方法與狀態(tài)監(jiān)測異常檢測[J].電力系統(tǒng)自動化,2016, 40(14):122-128.

[14] 張根周.大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2016,32(6):114-117.

[15] 于君,范文彬,杜永軍.智能電網(wǎng)中高維數(shù)據(jù)聚類方法研究[J].智能計算機與應(yīng)用,2016,6(1):9-12.

The Application of Visualization Technology in the Field of Information Communication

ZHOU Kaihe，XU Xiaozhong，F(xiàn)ANG Yunhui

(Ningbo Power Supply Company, State Grid Corporation of Zhejiang Electric Power Company, Ningbo 315007, China)

Through the multimedia and big data technology, we can carry on the data mining analysis and the real-time dynamic visualization demonstration to the power grid information system. In this paper, the data, network topology and equipment status of the information communication system of the power grid are studied more visually and intuitively. The system will run the data grid, the kind of expression in a flexible and dynamic way, shows the use of virtual reality technology, 3D map technology, big data technology, the dispatchers can obtain the high level information grid operation trend and the nature, which can find the existing anomalies and potential accidents, strengthen on the macro grasp of the information grid.

smart grid; visualization; virtual reality; large data

2017- 03- 06

周開河(1963-)，男，高級工程師。研究方向：電網(wǎng)運行等。徐孝忠(1967-)，男，高級工程師。研究方向：電力信息通信技術(shù)。方云輝(1982-)，男，高級工程師。研究方向：電網(wǎng)科技管理等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.043

TN915.853;TM727

A

1007-7820(2017)09-159-03