基于三維場(chǎng)景交互的電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

華能吉林發(fā)電有限公司長(zhǎng)春熱電廠 梁泰宇 陳大明 回大林 華能吉林發(fā)電有限公司 孟 欣 張玉剛

電力電纜是保障民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，如何有效提升電力電纜運(yùn)行維護(hù)的安全性及經(jīng)濟(jì)性，提高運(yùn)維管理工作的質(zhì)量及效率，是相關(guān)從業(yè)人員必須深入考量的問(wèn)題。傳統(tǒng)的電力電纜監(jiān)控技術(shù)和管理方法，大多是采用二維、圖文和錄像監(jiān)控等表現(xiàn)形式，但這種形式浮于表面，無(wú)法直接、清晰地展現(xiàn)出電力電纜內(nèi)部的分布狀況，無(wú)法及時(shí)有效地開(kāi)展故障分析及計(jì)劃?rùn)z修工作。對(duì)此，三維場(chǎng)景交互技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，利用三維場(chǎng)景交互平臺(tái)，對(duì)線纜隧道模型、隧道傳感器檢測(cè)裝置及實(shí)際施工環(huán)境等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的建模，再利用三維虛擬交互技術(shù)對(duì)虛擬裝置實(shí)現(xiàn)操作和交互，進(jìn)而完成裝置的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)查看、告警信息管理及裝置的開(kāi)關(guān)管理等，實(shí)現(xiàn)電力電纜的在線監(jiān)測(cè)。利用該技術(shù)，運(yùn)維管理人員可以精確掌握異常狀況出現(xiàn)的位置及范圍，及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止安全隱患的擴(kuò)大。

1 電力電纜在線監(jiān)測(cè)研究目標(biāo)

由于廠級(jí)電纜是隱蔽工程，其數(shù)據(jù)信息大多來(lái)源于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及建設(shè)階段，若沒(méi)有提前存儲(chǔ)好各種資料，在項(xiàng)目工程竣工后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的資料殘缺的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致后期的電力電纜檢測(cè)及維修工作難以順利開(kāi)展。某電廠的電纜管理主要采用傳統(tǒng)人工管理的方式，通過(guò)手持設(shè)備測(cè)溫實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工作，這種方式不僅沒(méi)有連續(xù)性、周期性、可視化的數(shù)據(jù)獲取、記錄和歸檔，而且還易受人員工作積極性不高、漏檢事件等因素的影響，尤其是電纜敷設(shè)的部分區(qū)域環(huán)境昏暗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屏蔽嚴(yán)重、電纜測(cè)溫不便，導(dǎo)致難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。通過(guò)對(duì)基于三維場(chǎng)景交互的電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜安全進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程管理，可以輔助電廠管理人員實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)管、及時(shí)響應(yīng)和快速?zèng)Q策，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化、直觀化的電纜檔案、運(yùn)維狀態(tài)及施工管理，從而保障電力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。如在隱患初期可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、安全、直觀、精確地查找和判斷設(shè)備溫度異常區(qū)域，管理人員可迅速采取有效措施解除安全隱患，這樣不僅延長(zhǎng)了設(shè)備的生命周期，也大幅減少了設(shè)備資金的投入。

2 該電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)線纜隧道內(nèi)各類(lèi)機(jī)械設(shè)備加以建模分析，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)分析的積累，建立電力電纜監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)；采取組態(tài)方法，模塊化設(shè)計(jì)，生成建模編輯組態(tài)軟件系統(tǒng)，從而運(yùn)用各種模型方便快捷地模擬出電力電纜隧道工程現(xiàn)場(chǎng)模式。三維場(chǎng)景采取模塊化建模方法，將場(chǎng)景中的設(shè)備按對(duì)象類(lèi)型加以劃分，并運(yùn)用人機(jī)交互界面直接對(duì)場(chǎng)景中的設(shè)備實(shí)施操縱。綜合視頻監(jiān)控技術(shù)，運(yùn)用視頻視角與三維空間視覺(jué)加以反映，從而完成虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的連接[1]。在三維場(chǎng)景中可以直觀顯示已收集到的監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)告警或狀況改變時(shí)，三維場(chǎng)景將根據(jù)改變的模式狀態(tài)提醒相關(guān)人員，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)視頻顯示、預(yù)置位調(diào)用等功能。

3 總體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)體系由技術(shù)支撐層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和保障體系組成。系統(tǒng)核心為技術(shù)支撐層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層，其中，技術(shù)支撐層為系統(tǒng)提供各種技術(shù)支撐服務(wù)，它包括了數(shù)據(jù)庫(kù)管理、NET 企業(yè)框架、AutoCAD 技術(shù)、三維技術(shù)、多媒體技術(shù)、DXStudio 技術(shù)等。在技術(shù)支撐層之上的是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它包括了三維模型數(shù)據(jù)、CAD 數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)視頻、檢修流程數(shù)據(jù)、用戶(hù)數(shù)據(jù)等。業(yè)務(wù)應(yīng)用層利用下層的技術(shù)支撐與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)用戶(hù)提供各種業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，這包括檢修實(shí)操動(dòng)畫(huà)培訓(xùn)、檢修實(shí)操考核、設(shè)備三維模型展示等以及與系統(tǒng)安全相關(guān)的用戶(hù)管理、角色管理、權(quán)限管理和密碼管理等[2]。保障體系分別是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保障體系和數(shù)據(jù)安全保障體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保障體系涵蓋了AutoCAD 的圖紙編制標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備三維建模制圖標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范等；安全保障體系可以保證系統(tǒng)在滿(mǎn)足電力設(shè)備安全性條件的環(huán)境下進(jìn)行工作。

4 軟件平臺(tái)應(yīng)用功能要求

基于三維場(chǎng)景交互的電力電纜在線檢測(cè)系統(tǒng)主要包含四大模塊的功能，基礎(chǔ)功能、運(yùn)行管理功能、巡檢管理功能和應(yīng)急管理功能。

4.1 基礎(chǔ)功能

基礎(chǔ)功能是平臺(tái)系統(tǒng)提供的各業(yè)務(wù)所共有的一些功能，主要包括對(duì)系統(tǒng)信息的配置維護(hù)和查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。配置、維護(hù)管理主要包含對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員基礎(chǔ)信息和用戶(hù)權(quán)限、三維場(chǎng)景及設(shè)備模型及三維GIS 電子地圖圖層數(shù)據(jù)的配置和維護(hù)等[3]。數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要包含對(duì)設(shè)備信息、對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警事件、運(yùn)行日志及人員信息管理設(shè)施的查閱統(tǒng)計(jì)與分析等。

4.2 運(yùn)行管理

運(yùn)行管理功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀況、環(huán)境狀況等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程管理及狀況評(píng)估。狀況檢測(cè)提供組態(tài)、表單、圖示、三維場(chǎng)景等多種方法予以呈現(xiàn)。遠(yuǎn)程管理則包括了在WEB 頁(yè)面上使用組件，自動(dòng)地向前端監(jiān)控設(shè)備下達(dá)控制指令并傳遞開(kāi)關(guān)量信息，關(guān)聯(lián)檢測(cè)對(duì)象的閾值，并按照閾值范圍自動(dòng)連接前端的監(jiān)控設(shè)備[4]。而運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)則是將對(duì)生產(chǎn)裝置運(yùn)行狀況的評(píng)估結(jié)果加以標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)所檢測(cè)到的海量運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)加以自動(dòng)分析運(yùn)算，從而對(duì)計(jì)算結(jié)果作出合理的評(píng)價(jià)，讓相關(guān)工作人員更為明確直觀地了解生產(chǎn)裝置的實(shí)際工作狀況?；谌S場(chǎng)景中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互系統(tǒng)的可操作性，用自動(dòng)巡航功能來(lái)代替手動(dòng)操作，遠(yuǎn)程設(shè)置需要巡檢的設(shè)備點(diǎn)及各項(xiàng)巡檢信息，利用控制系統(tǒng)自動(dòng)形成巡檢路線監(jiān)控管理，工作人員即可借助平臺(tái)自動(dòng)完成遠(yuǎn)程巡查工作。進(jìn)入預(yù)先設(shè)定好的設(shè)備點(diǎn)時(shí)，管理系統(tǒng)將集中展示相應(yīng)的設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，檢查其變化趨勢(shì)是否正常，對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行遠(yuǎn)程綜合分析，并記錄分析結(jié)果。

4.3 巡檢管理

巡檢管理工作，主要指開(kāi)展設(shè)備管理、過(guò)程管理和崗位信息管理等。在設(shè)備管理中，一般要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備環(huán)境和監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)信息實(shí)行集中管理，并支持按類(lèi)型、按名稱(chēng)對(duì)設(shè)備信息進(jìn)程檢索和訪問(wèn)。巡檢系統(tǒng)中可對(duì)機(jī)械設(shè)備實(shí)行GIS 自動(dòng)定位，并能查詢(xún)與其有關(guān)的備品備件信息內(nèi)容，如機(jī)械設(shè)備缺陷和裝置故障原因等內(nèi)容[5]。在流程管理中，設(shè)備模型會(huì)依據(jù)實(shí)時(shí)收集到的數(shù)據(jù)，自主判斷設(shè)備是否在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)，三維場(chǎng)景會(huì)將故障設(shè)備自動(dòng)渲染成紅色警告模式，并指出其故障位置，同時(shí)不斷提醒作業(yè)人員及時(shí)排除故障，在解警后，可從設(shè)備的數(shù)據(jù)面板中查詢(xún)歷史報(bào)警記錄。在工作管理系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員日常巡查任務(wù)和執(zhí)勤排班等各項(xiàng)工作的管理，具體如下：其一，可對(duì)巡查工作人員下發(fā)巡檢任務(wù)或行動(dòng)計(jì)劃，任務(wù)下發(fā)后，可采用短信的方式發(fā)送給相關(guān)人員。與此同時(shí)，在平臺(tái)上可獲取工作人員的位置，可實(shí)現(xiàn)巡檢記錄的管理等功能。其二，可實(shí)現(xiàn)排班值班功能，使對(duì)工作人員的排班和值班等管理工作更加方便快捷。

4.4 應(yīng)急管理

應(yīng)急管理系統(tǒng)，主要提供監(jiān)控報(bào)警和預(yù)案處理信息管理功能。監(jiān)控與告警管理系統(tǒng)涵蓋了告警選擇和告警應(yīng)答的功能，可根據(jù)具體的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)測(cè)對(duì)象選擇最適宜的告警種類(lèi)、告警級(jí)別、告警引發(fā)要求及告警信息形式。系統(tǒng)還給出了在事故報(bào)警情形下，對(duì)有關(guān)工作人員處理措施的規(guī)定、檢查和維持等功能。處置預(yù)案一般涉及事故報(bào)警時(shí)采用聲光予以提醒，采用短信通知人員，以及采用切換攝像頭預(yù)置位確定事故等。

5 該電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 軟件開(kāi)發(fā)框架

開(kāi)發(fā)框架采用C#編程語(yǔ)言并基于.NET 開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，完美支持分布式組件、XML、Web Service、B/S 應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以及很多其他類(lèi)型的程序。

5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富，可以提供多種開(kāi)放式接口和多種詢(xún)問(wèn)方式，這為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了非常有利的條件。Microsoft SQL Server 是基于服務(wù)器/客戶(hù)機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)方式能夠使系統(tǒng)在服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)間平衡負(fù)載，有利于與中心進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換，大幅度提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)處理速度[6]。

5.3 3D 技術(shù)

在該系統(tǒng)中融入3D 建模和3D 高速渲染技術(shù)，在3D 實(shí)景模型中構(gòu)建傳感設(shè)備和被測(cè)對(duì)象，高度仿真現(xiàn)場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)近似身臨其境的監(jiān)測(cè)效果。

5.4 基于模塊化的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

基于模塊化開(kāi)發(fā)，通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)與各子系統(tǒng)之間的通信連接和數(shù)據(jù)交互。外部系統(tǒng)借由外部擴(kuò)展接口模塊實(shí)現(xiàn)和中心系統(tǒng)的對(duì)接。同時(shí)，所有應(yīng)用系統(tǒng)都可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接，其他系統(tǒng)也可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和查詢(xún)[7]。

5.5 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

基于用戶(hù)面對(duì)的數(shù)據(jù)大都是可操作的對(duì)象，為了方便用戶(hù)操作和使用，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的互操作性和理解性，平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型直接與客觀對(duì)象相對(duì)應(yīng)，用戶(hù)隨時(shí)定義自己所需的數(shù)據(jù)類(lèi)型，增強(qiáng)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)能力和可擴(kuò)充性。

5.6 電子地圖技術(shù)

充分集成Google 電子地圖功能，支持地圖多層顯示，用戶(hù)可自定義地圖顯示層級(jí)和顯示模式。

5.7 Web Service 技術(shù)

全面支持Web Service 技術(shù)，將采用不同開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)或應(yīng)用架構(gòu)的子系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的XML 語(yǔ)言進(jìn)行無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)。

6 該電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

6.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定

可以滿(mǎn)足對(duì)通用性、擴(kuò)展性、安全性以及可靠性等要求。其一，通用性。軟件平臺(tái)可支持主流的三維系統(tǒng)模型（3DSMax、Maya）、支持主流的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、支持主流工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議（ModBus、TCP、OPC)、支持主流無(wú)線通信技術(shù)（NB、LORA、Zigbee）。其二，擴(kuò)展性。軟件平臺(tái)需具備較好的兼容性和通用接口，以便兼容主流設(shè)備。提供引擎的二次開(kāi)發(fā)包，可以對(duì)三維引擎，場(chǎng)景美術(shù)系統(tǒng)，紅外熱成像系統(tǒng)，無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、其他對(duì)接數(shù)據(jù)進(jìn)行交互以及GUI 定制。其三，安全性。安全性主要指的是設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)的安全。通過(guò)前端分布和集中存儲(chǔ)相結(jié)合的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)權(quán)限控制限制數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，并做好日志記錄。其四，可靠性。軟件的設(shè)計(jì)思想是模塊化和分層隔離，可以保障系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期平穩(wěn)的運(yùn)行。系統(tǒng)響應(yīng)和交互響應(yīng)時(shí)間＜1s。并發(fā)用戶(hù)數(shù)大于1000，注冊(cè)和在線使用用戶(hù)數(shù)無(wú)限制，系統(tǒng)年無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間＞98%。

6.2 應(yīng)用管理全面

提供了節(jié)點(diǎn)頁(yè)面的組態(tài)管理工作、設(shè)備工作臺(tái)賬信息管理、可視化現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控信息管理、角色權(quán)限機(jī)制、內(nèi)部業(yè)務(wù)多端口技術(shù)的聯(lián)合信息管理、或者一些分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中的數(shù)據(jù)冗余和可靠性信息管理等多個(gè)功能，并采用統(tǒng)一的界面結(jié)構(gòu)，便于使用者進(jìn)行操作，并能夠與現(xiàn)有應(yīng)用管理平臺(tái)之間的信息進(jìn)行互動(dòng)，從而達(dá)到更加強(qiáng)大的信息管理水平，提高電力電纜監(jiān)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。

6.3 日常運(yùn)維簡(jiǎn)單

基于三維模型的建設(shè)運(yùn)維較為簡(jiǎn)單，當(dāng)操作系統(tǒng)、技術(shù)設(shè)備或應(yīng)用需求需要更新時(shí)，企業(yè)可迅速便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)新系統(tǒng)、新設(shè)備、新需求的支持，開(kāi)發(fā)周期短暫，有效降低了電力電纜運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。不僅如此，該平臺(tái)還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的匯集與共享，大幅減輕了工作強(qiáng)度。

基于三維場(chǎng)景交互的電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，將帶動(dòng)各大電力生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、科學(xué)化、可視化、智能化發(fā)展，促使電纜運(yùn)營(yíng)管理工作高效、快速、便捷、順利地開(kāi)展與落實(shí)，不僅保障了電力電纜的安全運(yùn)行，也將促進(jìn)三維技術(shù)與電力行業(yè)的深度融合，助力電力企業(yè)更好更快的發(fā)展。