基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘆佳碩　王光華　曹磊　張彪

摘 要：為有效提高電力異常情況巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，提出了基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)。在硬件部分，設(shè)計(jì)服務(wù)器端口模塊和數(shù)據(jù)通信接口模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)異常情況的檢驗(yàn)、采集和傳輸;在軟件部分，制定異常數(shù)據(jù)巡檢流程，輸入VR全景巡視信息，通過系統(tǒng)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的讀取。仿真測(cè)試結(jié)果顯示，相比于其它巡檢系統(tǒng)，所提系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)的讀取效率大大提高，巡檢過程受外界干擾較小、輸出結(jié)果有效性更強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行過程穩(wěn)定性較高。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);電力系統(tǒng);異常情況;巡檢;數(shù)據(jù)讀取;信噪比

中圖分類號(hào)：TM769????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Power System Anomaly Inspection

System Based on VR Technology

LU Jia-shuo， WANG Guang-hua， CAO Lei， ZHANG Biao

（State Grid Hebei Information & Telecommunication Branch， Baoding， Hebei 050000，China）

Abstract：In order to effectively improve the data reading efficiency and system stability of the power anomaly inspection system， a power anomaly inspection system based on VR technology is proposed. In the hardware part， the server port module and data communication interface module are designed to realize the inspection， collection and transmission of abnormal situations in the power system. In the software part， develop the abnormal data inspection process， input the VR panorama inspection information， and realize the reading of the abnormal situation through system analysis. The simulation results show that compared with other inspection systems， the system's reading efficiency of abnormal data is greatly improved， the inspection process is less disturbed by external interference， the output is more effective， and the system operation process is more stable.

Key words：VR technology; power system; abnormal conditions; inspection; data reading; signal to noise ratio

電力系統(tǒng)是指由發(fā)電場(chǎng)站、輸電線路、配電場(chǎng)站和用電側(cè)共同組成的綜合性的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。其功能是將自然能源轉(zhuǎn)化為電能，再通過變電、輸送和配電過程供應(yīng)給電力用戶[1]。電力系統(tǒng)維系著眾多領(lǐng)域的運(yùn)行與發(fā)展，因此，隨著電力供給需求的不斷增長(zhǎng)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率已經(jīng)引起了人們的高度重視。然而，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，異常情況和事故發(fā)生的幾率也大大增加[2]。因此，對(duì)電力系統(tǒng)的異常情況實(shí)施巡檢是維護(hù)電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的有效手段之一。

目前，在電力系統(tǒng)巡檢領(lǐng)域，已有專家學(xué)者提出了一些相對(duì)成熟的技術(shù)。如文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一種基于核貓群紅外圖像異常檢測(cè)方法的電力智能巡檢系統(tǒng)，首先對(duì)采集到的電力系統(tǒng)紅外圖像進(jìn)行RGB值校正，并將結(jié)果映射到Lab空間中得到聚類數(shù)據(jù)集。利用核貓群聚類方法中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置編碼，在搜尋模式和追蹤模式下不斷更新數(shù)據(jù)位置，并采用核函數(shù)引導(dǎo)的相似性度量構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，通過多次迭代得到電力系統(tǒng)紅外圖像的多層分割聚類結(jié)果，搜索電力系統(tǒng)中的異常信息。文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)了一種基于3D末端路徑自學(xué)習(xí)導(dǎo)航的電力巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先構(gòu)建三維路徑模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種末端路徑自學(xué)習(xí)導(dǎo)航算法，對(duì)現(xiàn)有的電力巡檢系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，加入移動(dòng)巡檢終端嵌入式軟件和服務(wù)器端配套軟件，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下末端路徑的自學(xué)習(xí)，完成對(duì)電力系統(tǒng)異常狀態(tài)的巡檢。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的電力輸電線路檢測(cè)系統(tǒng)，用無人機(jī)航攝獲得電力線路圖像信息，根據(jù)輸電線路的直線特征，使用Laplacian算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，在經(jīng)過閉運(yùn)算和二值化運(yùn)算后獲得光滑邊緣信息，結(jié)合優(yōu)化的霍夫變換提取輸電線路主要特征圖像，根據(jù)其寬度變化判斷是否存在異常情況。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是指將計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線傳感技術(shù)相融合的一種人機(jī)交互技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)從視覺、聽覺、觸覺等角度模擬虛擬世界，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無障礙的三維空間觀察[6]。目前，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航天、室內(nèi)設(shè)計(jì)、應(yīng)急推演、維修制造等領(lǐng)域。

因此，為進(jìn)一步提升電力巡檢系統(tǒng)的實(shí)用性，特別是提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取效率和穩(wěn)定性，將VR技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)，以期提高對(duì)電力異常情況巡檢的質(zhì)量和工作效率。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)服務(wù)器端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器端口的設(shè)計(jì)采用JavaEE結(jié)構(gòu)的三層架構(gòu)形式，三層架構(gòu)形式可以加快異常數(shù)據(jù)的傳輸，有利于提高對(duì)異常數(shù)據(jù)的讀取效率。服務(wù)器端的三層架構(gòu)是由異常數(shù)據(jù)持久層、業(yè)務(wù)巡檢邏輯層和Web層三部分構(gòu)成[7]，為巡檢用戶端提供服務(wù)，通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器中異常數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，最后返回正確的JSON格式。服務(wù)器端的架構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過與電力系統(tǒng)異常情況巡檢管理人員的交流，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)電力系統(tǒng)異常情況的現(xiàn)場(chǎng)詢問、異常情況觀察以及調(diào)查[8]，可將異常情況管理部門的主要需求總結(jié)為如下幾個(gè)方面：

·生成一套完整的巡檢計(jì)劃并加以調(diào)整;

·在巡檢客戶端中下載巡檢計(jì)劃和內(nèi)容;

·巡檢現(xiàn)場(chǎng)的異常情況定位、巡檢并將異常情況巡檢通知單打印出來;

·將異常情況巡檢結(jié)果上傳到系統(tǒng)客戶端;

·在巡檢結(jié)果中抽查巡檢質(zhì)量;

·分析并統(tǒng)計(jì)巡檢結(jié)果。

根據(jù)異常情況巡檢和管理的需求及系統(tǒng)服務(wù)器端口的功能結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)服務(wù)器功能實(shí)現(xiàn)的流程步驟如圖2所示。

在系統(tǒng)服務(wù)器端口模塊中，可以把異常情況的巡視、檢修和驗(yàn)收三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)分步執(zhí)行，也可以根據(jù)電力系統(tǒng)異常情況的實(shí)際需求合并執(zhí)行，即在基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)中可采用動(dòng)態(tài)與靈活結(jié)合的方式設(shè)定巡檢的工作流程，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)異常情況的巡檢。

1.2 異常數(shù)據(jù)通信接口模塊設(shè)計(jì)

異常數(shù)據(jù)通信接口模塊主要完成異常情況巡檢作業(yè)包的下載以及數(shù)據(jù)的回傳。該模塊可以滿足用戶對(duì)異常數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，縮短異常數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間，從而提高數(shù)據(jù)的讀取效率，加快獲取電力系統(tǒng)中異常信息的速度。電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器為巡檢工作提供管理服務(wù)，包括系統(tǒng)缺陷管理、巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、異常情況巡檢作業(yè)管理等，與工程生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)同步[9]。外網(wǎng)服務(wù)器為異常情況巡檢提供VR導(dǎo)航管理、電力系統(tǒng)應(yīng)急指揮、異常情況定位等功能服務(wù)。內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器與外網(wǎng)服務(wù)器間需部署網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，通過系統(tǒng)應(yīng)用層的協(xié)議解析以及數(shù)據(jù)庫的訪問控制，在實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)隔離的基礎(chǔ)上，滿足外網(wǎng)服務(wù)器對(duì)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的正常訪問[10]，異常情況巡檢終端通過VR技術(shù)接入到系統(tǒng)中。通過這一過程，可以降低巡檢系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)隔離裝置部署情況如圖3所示。

利用部署隔離裝置將連接電力系統(tǒng)的內(nèi)外網(wǎng)，完成異常數(shù)據(jù)通信接口模塊設(shè)計(jì)。異常數(shù)據(jù)通信接口模塊結(jié)構(gòu)功能如圖4所示。

異常數(shù)據(jù)通信接口模塊與工程生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的缺陷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，并具備VR管理功能;異常數(shù)據(jù)通信接口模塊將巡檢系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)延伸到現(xiàn)場(chǎng)，可以為巡檢工作提供定位服務(wù)，還可作為異常數(shù)據(jù)的采集工具[11]。

綜上所述，通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器中異常數(shù)據(jù)的巡檢服務(wù)請(qǐng)求，設(shè)計(jì)了服務(wù)器端的架構(gòu)展示圖，又基于異常情況管理部門的主要需求，設(shè)計(jì)了服務(wù)器端的功能結(jié)構(gòu)，又結(jié)合服務(wù)器功能實(shí)現(xiàn)的流程步驟，完成了系統(tǒng)服務(wù)器端的設(shè)計(jì);為了實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的同步功能，在內(nèi)外網(wǎng)之間安裝了部署隔離裝置，完成了電力系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)通信接口模塊設(shè)計(jì)，從而完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 制定異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃

在指定異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃時(shí)，將VR技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中。VR技術(shù)可以將異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃儲(chǔ)存在服務(wù)器中，提高電力系統(tǒng)中異常數(shù)據(jù)的讀取效率。在電力心疼異常情況巡檢中，運(yùn)用VR技術(shù)，可以一比一比例模擬電力系統(tǒng)工作環(huán)境，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)設(shè)備，將巡檢指令以可視化方式提示。如圖5所示為VR技術(shù)巡檢場(chǎng)景。

在電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)的客戶端運(yùn)行過程中，無論是讀取異常數(shù)據(jù)的內(nèi)容，還是設(shè)置客戶端的巡檢信息，都是采用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)信息的讀取[12]。制定異常情況巡檢計(jì)劃與異常維護(hù)都屬于VR模塊程序，VR模塊程序的開發(fā)按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，從上到下逐步求精，從巡檢系統(tǒng)全局出發(fā)，通過對(duì)電力系統(tǒng)異常情況巡檢結(jié)果的處理，實(shí)現(xiàn)程序的開發(fā)，針對(duì)每一個(gè)階段的程序運(yùn)行過程，規(guī)定電力系統(tǒng)異常情況巡檢的工作內(nèi)容和管理目標(biāo)[13]。在確定了異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃后，將每一個(gè)步驟的程序都以子程序的形式進(jìn)行存放，然后在巡檢系統(tǒng)的主程序中被調(diào)用，完成電力系統(tǒng)異常情況VR全景巡檢。

2.2 電力系統(tǒng)異常情況巡檢功能的實(shí)現(xiàn)

為加快異常數(shù)據(jù)信息的讀取效率，利用常數(shù)據(jù)信息提取構(gòu)成實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)異常情況的巡檢。異常數(shù)據(jù)信息提取主要由三個(gè) EditText、一個(gè) Spinner 和兩個(gè) Button 構(gòu)成，在提取時(shí)不允許填寫與巡檢無關(guān)的數(shù)據(jù)值[14]，有效避免無用信息對(duì)提取過程的干擾。電力系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)信息的業(yè)務(wù)邏輯比較簡(jiǎn)單，在選擇巡檢設(shè)備類別后點(diǎn)擊提交，異常情況巡檢系統(tǒng)會(huì)先判斷是否有空值，然后在判定經(jīng)緯度是否處于巡檢的有效范圍內(nèi)，確認(rèn)異常數(shù)據(jù)信息合法后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，提示是否確認(rèn)要將異常數(shù)據(jù)提交，點(diǎn)擊確認(rèn)后直接連接到服務(wù)器將電力系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)信息上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。異常數(shù)據(jù)信息提取流程如圖6所示。

異常數(shù)據(jù)信息的提取是巡檢系統(tǒng)的核心部分。通過VR控件中可以查看異常情況的實(shí)時(shí)位置，需要巡檢的異常數(shù)據(jù)信息列表也會(huì)通過系統(tǒng)的服務(wù)器發(fā)送到巡檢客戶端，并在巡檢系統(tǒng)中完成解析[15]。在此基礎(chǔ)上，將異常情況通過VR技術(shù)顯示在系統(tǒng)客戶端中，每一個(gè)客戶端都設(shè)置了點(diǎn)擊事件。點(diǎn)擊其中一個(gè)客戶端后，會(huì)進(jìn)入到一個(gè)Web View界面，可查看到異常情況的具體信息和位置。如果異常情況與自身的距離在巡檢系統(tǒng)的巡檢范圍內(nèi)，而且從未被巡檢過，那么就可以點(diǎn)擊“開始巡檢”按鈕進(jìn)行異常情況的巡檢工作，并將巡檢結(jié)果通過VR設(shè)備發(fā)送到系統(tǒng)服務(wù)器中，當(dāng)服務(wù)器返回異常信息發(fā)送成功的消息時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)成功接收到異常數(shù)據(jù)信息。當(dāng)“開始巡檢”按鈕不可點(diǎn)擊時(shí)，說明該異常數(shù)據(jù)信息已經(jīng)被巡檢過。電力系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)信息巡檢流程如圖7所示。

針對(duì)每一個(gè)階段的程序運(yùn)行過程，總結(jié)出異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃，并將每一個(gè)步驟的程序都以子程序的形式進(jìn)行存放從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)。

3 仿真測(cè)試及分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提的基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)的整體有效性，需進(jìn)行如下仿真測(cè)試。

3.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

（1）運(yùn)行環(huán)境：

測(cè)試環(huán)境：Windows7;測(cè)試語言：Java、XML;測(cè)試工具：MyEclipse 10、Eclipse with Windows SDK。

（2）對(duì)比環(huán)境：為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力，將文獻(xiàn)[3]中的基于核貓群紅外圖像異常檢測(cè)方法的電力智能巡檢系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]中的基于3D末端路徑自學(xué)習(xí)導(dǎo)航的電力巡檢系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]中的基于圖像識(shí)別的電力輸電線路檢測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)。

3.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，設(shè)計(jì)了如下測(cè)試流程：

步驟①：在電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)中添加人員和巡檢設(shè)備的詳細(xì)信息，并存入到數(shù)據(jù)庫中;

步驟②：根據(jù)巡檢設(shè)備的詳細(xì)信息設(shè)置相應(yīng)的射頻卡;

步驟③：根據(jù)巡檢系統(tǒng)的維護(hù)計(jì)劃，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中人員和巡檢設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)信息編排巡檢計(jì)劃;

步驟④：采用射頻巡檢儀來讀取射頻卡中的異常數(shù)據(jù)信息，并與讀卡時(shí)間共同存入到儲(chǔ)存卡中;

步驟⑤：將異常情況的巡檢結(jié)果上傳到電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)中;

步驟⑥：將基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)的巡檢結(jié)果與3種其它巡檢系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，并將巡檢設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和異常情況錄入到系統(tǒng)中;

步驟⑦：統(tǒng)計(jì)巡檢結(jié)果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述構(gòu)建的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，利用所提的基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)與3種其它巡檢系統(tǒng)布置異常情況采集網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，分析不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取效率，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，采用其它巡檢系統(tǒng)來讀取電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的異常數(shù)據(jù)時(shí)，讀取效率維持在67.84%-81.78%之間，而采用本研究所提的基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)在讀取電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的異常數(shù)據(jù)時(shí)，讀取效率維持在84.56%-86.73%之間，明顯高于另外3種巡檢系統(tǒng)。因此，可以說明基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)具有較高的異常數(shù)據(jù)讀取效率，能夠有效實(shí)現(xiàn)電力異常信息的采集。

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，通過對(duì)比巡檢系統(tǒng)輸出結(jié)果的信噪比來驗(yàn)證不同系統(tǒng)的抗干擾能力。不同巡檢系統(tǒng)輸出結(jié)果的信噪比情況如如表2所示。

從表2中可以看出，采用文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)進(jìn)行電力異常情況巡檢，輸出結(jié)果的信噪比處于78.59 dB-88.42 dB之間，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)輸出結(jié)果的信噪比比文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)略高，但這3種系統(tǒng)輸出結(jié)果的信噪比均低于所提系統(tǒng)。所提系統(tǒng)最高輸出結(jié)果信噪比可達(dá)到96.38 dB。因此，可以說明基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，巡檢過程受外界干擾較小，輸出結(jié)果有效性更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)。通過系統(tǒng)服務(wù)器端口設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)通信接口模塊的設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);在制定異常數(shù)據(jù)巡檢計(jì)劃和電力系統(tǒng)異常情況提取的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)。仿真測(cè)試結(jié)果表明，基于VR技術(shù)的電力系統(tǒng)異常情況巡檢系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)的讀取效率更高，且系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，具有較明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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