基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法

陳莉佳, 王彥鵬， 袁昕

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 新疆， 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，越來(lái)越多的沉浸式三維仿真產(chǎn)品應(yīng)用于變電站的仿真中[2-4]。變電站的通信設(shè)備作為變電站的重要組成部分，承載了電力語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等傳輸業(yè)務(wù)[5]；變電站的通信設(shè)備眾多，主要包括光端機(jī)、交換機(jī)、調(diào)度網(wǎng)路由器、配線架、調(diào)度通信電源等[6-8]。若能實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備的三維仿真，則可實(shí)現(xiàn)變電站的通信設(shè)備的精益管理，提升變電站通信設(shè)備的管理水平。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)變電站通信設(shè)備三維仿真進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于信息交互模式的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，通過(guò)專家知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備三維仿真。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于Revit平臺(tái)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，通過(guò)三維數(shù)字化協(xié)同，對(duì)變電站通信設(shè)備進(jìn)行三維仿真。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于魯棒性修正的變電站三維仿真方法，通過(guò)三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備的三維仿真。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于實(shí)景掃描的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，通過(guò)照片場(chǎng)景三維還原，解決變電站通信設(shè)備精益化管理的問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]提出了一種組件配置的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，通過(guò)組件裝配，實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備的三維仿真。由此可見(jiàn)，變電站通信設(shè)備三維仿真方法多樣，且取得一定成果，但存在場(chǎng)景真實(shí)性差，設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)難度大的問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有變電站通信設(shè)備三維仿真中存在的場(chǎng)景真實(shí)性差、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)難度大的問(wèn)題，提出一種基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法。在提取變電站通信設(shè)備圖像信息后，通過(guò)SURF特征檢測(cè)算法從多時(shí)間尺度分析變電站通信設(shè)備的特征信息來(lái)實(shí)現(xiàn)三維建模，并與通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)三維仿真。最后，通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 三維仿真框架

基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法框架組主要包括變電站通信設(shè)備圖像提取、多尺度特征檢測(cè)、變電站通信設(shè)備三維建模、通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)融合、沉浸式三維仿真和設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)等6部分內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 變電站通信設(shè)備三維仿真框架圖

由圖1可見(jiàn)，在變電站通信設(shè)備圖像提取環(huán)節(jié)，通過(guò)攝像頭提取光端機(jī)、交換機(jī)、配線架等變電站通信設(shè)備的圖像信息；在多尺度特征檢測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)SURF特征檢測(cè)算法從多時(shí)間尺度分析變電站通信設(shè)備的特征信息，自動(dòng)構(gòu)建變電站通信設(shè)備三維識(shí)別體系；在變電站通信設(shè)備三維建模環(huán)節(jié)，對(duì)變電站通信設(shè)備進(jìn)行三維圖像拼接、顏色配準(zhǔn)和3D重建，實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備的三維還原；在通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)融合環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變電站三維模型和通信設(shè)備數(shù)據(jù)的有機(jī)融合；在沉浸式三維仿真環(huán)節(jié)，對(duì)變電站通信設(shè)備進(jìn)行三維漫游仿真，模擬變電站通信設(shè)備真實(shí)運(yùn)行環(huán)境；在設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)三維仿真對(duì)變電站通信設(shè)備的運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行多時(shí)間尺度分析。

2 三維仿真建模

2.1 變電站通信設(shè)備圖像提取

在變電站內(nèi)，通信設(shè)備數(shù)量多、類型繁雜，若采用人工三維建模方式，將造成工作量巨大和三維場(chǎng)景真實(shí)度差的問(wèn)題[14-16]。通過(guò)視頻讀取變電站通信設(shè)備圖像信息的方式可有效提高三維建模的場(chǎng)景真實(shí)性。

變電站的通信設(shè)備主要有用于調(diào)度數(shù)據(jù)通信的光端機(jī)、調(diào)度交換機(jī)、調(diào)度路由器、調(diào)度配線架和用于通信供電的電源等設(shè)備，通過(guò)視頻從多角度獲取變電站通信設(shè)備的圖像信息。設(shè)變電站的通信設(shè)備有na個(gè)，每個(gè)通信設(shè)備提取圖像為nb張，通信設(shè)備用F表示，所提取的變電站通信設(shè)備集合B為

(1)

2.2 多尺度特征檢測(cè)

由于變電站通信設(shè)備在不同的時(shí)間尺度存在不同的運(yùn)行狀態(tài)，將通過(guò)SURF特征檢測(cè)算法從多時(shí)間尺度分析變電站通信設(shè)備的特征信息。

(2)

通過(guò)二階微分對(duì)變電站通信設(shè)備的圖像進(jìn)行斑點(diǎn)分析，設(shè)通信設(shè)備的坐標(biāo)分別為xa、ya，變電站通信設(shè)備用U表示，時(shí)間尺度變量為ta，坐標(biāo)矩陣J(U)為

(3)

由式(3)可見(jiàn)，通過(guò)SURF特征檢測(cè)算法，可以從多時(shí)間尺度獲取的變電站通信設(shè)備具有魯棒特點(diǎn)的特征信息。

2.3 變電站通信設(shè)備三維建模

(4)

其次，采用多項(xiàng)權(quán)重回歸算法計(jì)算圖像的顏色校準(zhǔn)值，設(shè)變電站通信設(shè)備上有顏色空間nc類，通信設(shè)備的顏色用三色混合維度Rd、Gd、Bd表示，顏色的矩陣Zd為

(5)

設(shè)Yd為刺激矩陣，通過(guò)多項(xiàng)權(quán)重回歸算法計(jì)算后，顏色的校準(zhǔn)結(jié)果Ld為

Ld=Zc×Yd

(6)

在完成變電站通信設(shè)備圖像校準(zhǔn)后，進(jìn)行3D重建。在3D重建中根據(jù)圖像拼接和顏色校準(zhǔn)的結(jié)果，在通過(guò)3D重建變化不斷的迭代中，實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)匹配；其次，再利用像素級(jí)3D構(gòu)建算法，設(shè)定變電站通信設(shè)備的頂點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像的逐步渲染；最后，構(gòu)建變電站通信設(shè)備完整的三維建模。

2.4 通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)融合

在通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)融合環(huán)節(jié)中，通信設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于ECM3000、通信網(wǎng)管等系統(tǒng)中。因變電站的通信設(shè)備類型差異較大，所以本方法首先構(gòu)建統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)融合模型，建立多源異構(gòu)的變電站通信設(shè)備數(shù)據(jù)與三維模型規(guī)范；其次，通過(guò)數(shù)據(jù)映射關(guān)系，建立通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)源和變電站通信設(shè)備三維數(shù)據(jù)源之間的對(duì)象映射策略；最后，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)的變電站通信設(shè)備數(shù)據(jù)和三維模型的實(shí)時(shí)融合。

2.5 沉浸式三維仿真

在沉浸式三維仿真中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)變電站通信設(shè)備進(jìn)行三維漫游處理。首先，模型模擬變電站通信設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行情況，顯示包括正常、告警、入侵檢測(cè)等信息，以驗(yàn)證變電站通信設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)是否運(yùn)行正常；其次，通過(guò)三維漫游，對(duì)通信檢修人員的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)巡視工作進(jìn)行仿真以實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)巡檢。

2.6 設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在變電站通信設(shè)備三維漫游的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)，采用隨機(jī)選擇法進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，設(shè)變電站通信設(shè)備輸入狀態(tài)pf，決策數(shù)有nj個(gè)，單個(gè)決策數(shù)的值為η，隨機(jī)選擇模型K(I)的決策公式為

(7)

通過(guò)變電站通信設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，可準(zhǔn)確掌握變電站通信設(shè)備可能存在問(wèn)題，為檢修提供依據(jù)。

3 變電站通信設(shè)備三維仿真流程

變電站通信設(shè)備三維仿真流程如圖2所示。

圖2 變電站通信設(shè)備三維仿真流程圖

步驟1 通過(guò)變電站的攝像頭，對(duì)變電站通信設(shè)備的多個(gè)方向和不同角度的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

步驟2 通過(guò)SURF特征檢測(cè)算法從多時(shí)間尺度分析變電站通信設(shè)備的特征變化信息，如果檢測(cè)數(shù)據(jù)存在問(wèn)題，就退回步驟1再次進(jìn)行圖像的提取。

步驟3 開(kāi)展變電站通信設(shè)備的三維建模，對(duì)變電站通信設(shè)備進(jìn)行三維圖像拼接、顏色配準(zhǔn)和三維模型重建。

步驟4 開(kāi)展變電站通信設(shè)備三維模型與通信網(wǎng)管數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)的變電站通信設(shè)備數(shù)據(jù)和三維模型的實(shí)時(shí)融合。

步驟5 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)變電站三維模型進(jìn)行沉浸式漫游仿真。

步驟6 通過(guò)變電站通信設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，分析變電站通信設(shè)備可能存在的問(wèn)題。

4 算例分析

采用本文所提的基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，在某500 kV變電站進(jìn)行驗(yàn)證，選擇圖像提取樣本數(shù)為20、50、100、200、500、1 000、2 000個(gè)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)三維建模，對(duì)比本方法與方向梯度直方圖算法的耗時(shí)，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 變電站通信設(shè)備三維建模時(shí)間對(duì)比圖

由圖3可見(jiàn)，基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法耗時(shí)比方向梯度直方圖算法的耗時(shí)短。

選擇樣本數(shù)據(jù)為50、100、200、500、1 000、2 000個(gè)對(duì)比基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法與方向梯度直方圖模型的準(zhǔn)確度如表1所示。

表1 變電站通信設(shè)備三維仿真準(zhǔn)確度表變電站通信設(shè)備三維仿真準(zhǔn)確度表

由表1可見(jiàn)，基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法的三維仿真準(zhǔn)確度比方向梯度直方圖模型算法更高。

5 總結(jié)

為解決變電站通信設(shè)備三維仿真中存在的場(chǎng)景真實(shí)性差，設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)難度大的問(wèn)題。本文提出了一種基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真方法，設(shè)計(jì)了一種基于SURF特征檢測(cè)的變電站通信設(shè)備三維仿真工具，對(duì)所提算法在500 kV變電站進(jìn)行了仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了本方法的準(zhǔn)確度和性能均高于方向梯度直方圖算法。

下一步，將結(jié)合中心通信機(jī)房的通信設(shè)備三維仿真場(chǎng)景做進(jìn)一步研究。