一種基于全景的輸電線路可視化運維管理技術(shù)

張云飛

近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的激增，出現(xiàn)了大量多回同塔架設(shè)和同塔倒序走向的情況，導(dǎo)致電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，并帶來了一系列的運行管理難題。為了實現(xiàn)輸電線路的有效運維管理，現(xiàn)階段主要采用二維GIS平臺來管理各等級線路，這種方式存在以下瓶頸：①線路的頻繁變更帶來相關(guān)技術(shù)檔案資料的實時更新難題，往往造成技術(shù)檔案與實際線路不符；②二維GIS平臺無法表現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)域關(guān)聯(lián)信息，更無法獲取線路運行管理所需要的線路垂直方向上的層次信息，因而不能對交叉跨越等特殊區(qū)域進行有效管理；③大多數(shù)采用加載固定三維模型的輸電 GIS難以滿足線路及其設(shè)備動態(tài)變化的要求；④在夜間時無法獲得較好的圖形質(zhì)量且攝像頭必須架設(shè)在穩(wěn)定的角落，這會因攝像頭數(shù)量的增加而導(dǎo)致布設(shè)成本和運維成本的提高[1-2]。

作為一種基于圖像繪制的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，全景技術(shù)在表達真實場景方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，不需要移動攝像頭就能夠無盲區(qū)地獲得采取區(qū)域內(nèi)的景物。利用全景技術(shù)來實現(xiàn)輸電線路可視化運維管理，既填補了國內(nèi)外利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在輸電線路運維管理應(yīng)用的技術(shù)空白，又給輸電線路提供了一種迎合時代的運維管理模式。

1 基于全景的輸電線路可視化運維管理方案

1.1 總體框架

基于全景的輸電線路可視化運維管理在縱向上可以劃分為四層：①其中用戶表現(xiàn)層負責(zé)用戶交互的控制和輸電線路全景的顯示；②應(yīng)用邏輯層負責(zé)具體功能的運行，包括輸電線路全景和業(yè)務(wù)處理等；③Web服務(wù)層負責(zé)路由處理、編程接口、請求接聽、數(shù)據(jù)庫持久化模型、控制器系統(tǒng)等功能的實現(xiàn)；④數(shù)據(jù)支撐層負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和維護。在橫向上，基于全景的輸電線路可視化運維管理需要滿足安全與標準體系的要求，包括數(shù)據(jù)存儲與傳輸規(guī)范、接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)安全、用戶安全等（圖 1為基于全景的輸電線路可視化運維管理的總體框架）。

圖1 基于全景的輸電線路可視化運維管理的總體框架

1.2 模塊組成

基于全景的輸電線路可視化運維管理分為三大模塊（如圖2所示）。

1）全景圖像采集拼接模塊。這個模塊由攝像裝置（安裝三腳架的數(shù)碼相機或全景拍攝云臺）和圖像采集拼接模塊構(gòu)成，經(jīng)攝像裝置采集的輸電線路現(xiàn)場照片被輸入到計算機中，由圖像采集拼接模塊負責(zé)將多張局部照片融合為完整的全景大圖[3]。

2）全景重建貼圖模塊。經(jīng)圖像采集拼接模塊拼接生成的全景大圖被輸入到全景重建貼圖模塊中作為球面模型的貼圖，并在球體內(nèi)中央架設(shè)一個可由鼠標在設(shè)定范圍內(nèi)控制角度的虛擬攝像機，從而對現(xiàn)場進行三維顯示。此外，熱點數(shù)據(jù)庫中的熱點信息和位置將傳輸?shù)饺爸亟ㄙN圖模塊，以便在三維場景中顯示熱點及對熱點屬性進行編輯。

圖2 基于全景的輸電線路可視化運維管理的三大模塊

3）熱點數(shù)據(jù)庫。每個熱點（即在全景視圖的特定位置進行附著，操作人員可以與其交互并提供該位置相關(guān)信息的元件）的三維坐標和信息將被存儲到熱點數(shù)據(jù)庫中，其中操作人員可以通過熱點數(shù)據(jù)庫對設(shè)備的相關(guān)信息（如型號、維護日期、檢修人員等）進行錄入、修改、刪除和備注等操作。熱點不僅可以提供坐標信息（在三維場景中的位置），而且可以提供說明信息（該位置需要給用戶展示的全部信息），這使得用戶可以快速了解輸電線路全景視圖中哪些位置具有重要信息（如維護周期），并對這些信息進行調(diào)閱[4]。熱點的添加、信息編輯、重定位和刪除等操作都可以在全景重建貼圖模塊所負責(zé)顯示和互動的Flash Player中進行，然后在指定目錄下以XML格式進行保存，以供操作人員日后調(diào)閱。

1.3 三維輸電線路場景應(yīng)滿足的功能

在采用全景技術(shù)構(gòu)建三維輸電線路場景時，應(yīng)滿足如下功能：

1）三維輸電線路場景能自動漫游。三維輸電線路場景應(yīng)能夠根據(jù)指定的特定路線進行視點移動，并且輸電線路相關(guān)信息的設(shè)置越全面越好，以滿足用戶的需求[5]。

2）三維輸電線路場景的調(diào)入顯示。根據(jù)觀察點所處位置的不同，用戶可以調(diào)度不同的輸電線路場景，必要時還可以打印所需信息。

3）設(shè)備信息的查詢。用戶可以對主屏幕上相關(guān)設(shè)備進行點擊，查看設(shè)備的生產(chǎn)廠家、檢修時間、型號等信息，從而對輸電線路設(shè)備的信息情況進行全面了解。

4）三維輸電線路場景漫游的可控性。用戶在查看三維輸電線路場景時，可以通過鼠標及鍵盤等對漫游進行控制，從而實現(xiàn)三維輸電線路場景的自由瀏覽。

5）輸電線路設(shè)備的搜索。通過在主屏幕上輸入輸電線路設(shè)備的名稱，然后快速進入到相應(yīng)欄目來查看設(shè)備的詳細信息。

6）特定位置的指定。例如，如果用戶想查看某條線路上變壓器的實際運行狀態(tài)，那么可以選定到相應(yīng)的界面，然后點擊變壓器一欄進行信息的查看。

2 輸電線路場景的建模和全景拍攝點的坐標獲取

2.1 輸電線路場景的建模

1）快速建模方法

要想給人舒適感和真實感，就需要通過合理建模來構(gòu)建三維輸電線路場景，而本文采用了如下的快速建模方法：利用全景技術(shù)來采集輸電線路的現(xiàn)場照片，經(jīng)全景拼接后獲得360°全景圖片，然后以次為背景構(gòu)建輸電線路場景；在設(shè)備建模上，利用透明模型區(qū)域覆蓋來代替具體的設(shè)備[6]。

傳統(tǒng)建模方法需要對設(shè)備進行精確建模，如果模型想給用戶好的外觀體驗，那么就必須精確到每個部件，這意味著傳統(tǒng)建模方法的真實感與模型的精確程度是呈正比的。然而精確建模會使建模工作量激增，故良好的外觀體驗必須會導(dǎo)致整體建模周期的大大延長[7]。而采用此種快速建模方法，雖然可能會導(dǎo)致模型精準度的相對下降，但可以在確保虛擬現(xiàn)實真實體驗的基礎(chǔ)上，避免傳統(tǒng)建模復(fù)雜耗時的缺陷。

2）圖像采集與拼接的要點

在構(gòu)建輸電線路場景時，需要對輸電線路現(xiàn)場進行實地圖像采集，如果硬件條件允許，就可以使用全景云臺來采集圖像，而通常帶有三腳架的數(shù)碼相機就能夠滿足拍攝需求。

（1）圖像采集前的工作。通常希望用較少的拍攝次數(shù)來獲得所需圖像，因此，要選用視角盡量大的數(shù)碼相機，即使用焦距較小的鏡頭。使用數(shù)碼相機進行圖像采集時，可以采用不同鏡頭（表1為3種鏡頭的性能對比），而本文在綜合考慮成本、拍攝質(zhì)量等因素的基礎(chǔ)上，最終采用標準變焦鏡頭+單反相機。

（2）圖像的拍攝。為了確保輸電線路設(shè)備細節(jié)的可見，拍攝時應(yīng)盡量選擇晴好天氣，根據(jù)光線情況調(diào)整單反相機的曝光參數(shù)并按一定順序從多個角度進行取景。在拍攝時要注意如下事項：①取景時如果有近距離的行人或車輛，就應(yīng)等待其離開或靜止后方可拍攝；②確保水平和垂直相鄰的圖片有20%左右的重合范圍；③三腳架應(yīng)盡量保持水平，避免拍攝圖像傾斜而增加圖像處理的運算量。

表1 三種鏡頭的性能對比

2.2 全景采集點的坐標獲取

作為全景數(shù)據(jù)的重要組成部分，全景采集點坐標的準確獲取對于輸電線路可視化運維管理的順利實施至關(guān)重要，而現(xiàn)階段全景采集點的GPS坐標獲取，可通過如表2所示的途徑實施。而本文中，采用的是數(shù)碼相機拍攝+手動標定的方式來獲得全景采集點的GPS坐標。

表2 全景采集點的GPS坐標獲取方案

3 結(jié)論

基于全景的輸電線路可視化運維管理中，虛擬現(xiàn)實的引入使得輸電線路設(shè)備的分布通過三維形式還原到計算機上，所有圖像信息都是實地取景，通過漫游功能，用戶能夠直觀地了解輸電線路設(shè)備布局；全景技術(shù)熱點功能的應(yīng)用，使得輸電線路各設(shè)備的位置得以標注，并且輸電線路設(shè)備的位置與性能參數(shù)一一對應(yīng)，在性能參數(shù)能夠同步傳輸給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用戶能夠?qū)崟r掌握輸電線路設(shè)備的運行狀態(tài)，以便判斷輸電線路設(shè)備的運行是否存在安全隱患并及時排除?；谏鲜龇治觯萌凹夹g(shù)這種具備優(yōu)秀展示性的技術(shù)，給輸電線路的運維管理帶來了直觀可靠的技術(shù)路線。

[1] 曲朝陽, 熊澤宇, 顏佳, 等. 基于空間分割的電力大數(shù)據(jù)三維全景可視化場景管理方法[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 43(2)： 23-29.

[2] 俞容江, 徐強, 胡晨剛, 等. 基于三維全景可視化的輸電線路架空線路選線平臺研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2016(36)： 22-23.

[3] 黃彭, 金歡, 馬瀟, 等. 三維GIS技術(shù)在輸電線路選線中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(3)： 125-128.

[4] 陳漢苑. 基于魚眼鏡頭的全景圖像生成算法研究[D].泉州： 華僑大學(xué), 2015.

[5] 馬巍. 基于全景技術(shù)的沈北國管小區(qū)可視化運維管理平臺的研究與應(yīng)用[J]. 黑龍江科技信息, 2015(30)：79-79.

[6] 王濤, 李渝, 顧雪平, 等. 電網(wǎng)關(guān)鍵線路序元搜索方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(2)： 153-162.

[7] 羅容波, 江聰世, 曾慶輝. 一種面向可擴展三維可視化的電力設(shè)備標記語言研究[J]. 電氣技術(shù), 2016,17(4)： 139-141.