換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)研究

王文旗， 蔡毅凡， 周 歡， 陳國杰

（國網(wǎng)河南省電力公司直流中心， 河南 鄭州 450000）

0 引言

換流站作為電力系統(tǒng)電壓變換與電力傳輸?shù)闹匾?jié)點，隨著其智能化水平的不斷提升，換流站的智能化運維對運行維護人員業(yè)務(wù)水平提出新的要求。為提升智能換流站運維人員的業(yè)務(wù)能力，有必要開發(fā)換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)。通過換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)的開發(fā)可以實現(xiàn)換流站故障、異常的仿真分析及輔助決策，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的三維可視化展示，能在與實際換流站完全相同的運行環(huán)境中進行系統(tǒng)正常操作、事故處理及系統(tǒng)恢復的培訓，高度逼真地體驗系統(tǒng)的變化情況[1-2]。因此，基于現(xiàn)有技術(shù)及智能算法支撐，開展換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)研究。

1 實景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)目標及原則

1.1 建設(shè)目標

1）基于計算機視覺、多視圖立體幾何原理和人工智能技術(shù)實現(xiàn)自動化重構(gòu)生成換流站實景三維模型；

2）構(gòu)建場景中重點關(guān)注的局部區(qū)域，實現(xiàn)換流站監(jiān)控攝像機采集的視頻數(shù)據(jù)與實景三維模型的實時、無縫智能融合技術(shù)；構(gòu)建實景三維場景鳥瞰式、沉浸式漫游，以上帝視角及第一視角在三維場景中身臨其境、直觀地與巡檢人員一起對換流站進行巡視；

3）在三維場景中疊加設(shè)備臺賬信息，可實時查看設(shè)備運行信息和實時信息；

4）還原換流站場景，可進行空間距離測量，為現(xiàn)場施工、大型車輛作業(yè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。

1.2 建設(shè)原則

實景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分結(jié)合電力行業(yè)已有智能輔助系統(tǒng)的優(yōu)點，并進行功能性提升，考慮系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)范性、兼容性、可擴展性、業(yè)務(wù)融合、信息安全性、可推廣性等原則，系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，適應(yīng)智能化發(fā)展，采用通用化的設(shè)備和技術(shù)[4-5]。實景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵守以下原則。

1.2.1 規(guī)范性原則

試點方案設(shè)計應(yīng)參考國網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、施工等規(guī)范及試點目標進行，站端系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵從“規(guī)范先行”的原則進行。

1.2.2 智能化原則

試點方案設(shè)計運用智能分析、帶有智能功能的攝像機等提高系統(tǒng)智能化水平，同時通過先進的編碼技術(shù)降低視頻碼流，減少存儲成本和網(wǎng)絡(luò)成本，減弱對網(wǎng)絡(luò)的依賴性，提高視頻預(yù)覽的流暢度。

1.2.3 兼容性原則

視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備良好的硬件兼容性，滿足后續(xù)新建設(shè)的終端的接入。自身具備協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件模塊，應(yīng)支持不同廠家前端設(shè)備的無縫擴展接入。

1.2.4 可擴展性原則

系統(tǒng)支持對相關(guān)業(yè)務(wù)部門需求進行功能模塊擴展，并預(yù)留標準接口，考慮系統(tǒng)后期應(yīng)用的可擴展性。

1.2.5 業(yè)務(wù)融合原則

系統(tǒng)功能及操作界面應(yīng)與生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)緊密融合，并兼顧其他業(yè)務(wù)部門使用需求，提升系統(tǒng)的實用性與多面性，提升系統(tǒng)應(yīng)用價值。

1.2.6 安全性原則

站端系統(tǒng)應(yīng)充分考慮信息安全問題，通過軟件、硬件確保系統(tǒng)具備抵御計算機病毒和非法入侵的能力。

1.2.7 可推廣原則

試點建設(shè)應(yīng)考慮今后大面積推廣應(yīng)用的建設(shè)成本、運行維護便利性，使系統(tǒng)具備較高的可推廣性。

2 實景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)支撐

2.1 實景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)

在線智能巡視系統(tǒng)由高清攝像機和視頻主機、巡視主機、智能分析服務(wù)器、實景三維引擎主機、三維視頻融合主機等主要服務(wù)器組成。具體見圖1.

圖1 實景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1.1 在線智能巡視主機

在線智能巡視主機搭載智能巡視系統(tǒng)軟件，制定和下發(fā)巡視任務(wù)、狀態(tài)跟蹤等指令；配置主輔監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動策略，當設(shè)備發(fā)生故障或其他狀況時，按預(yù)置位智能化關(guān)聯(lián)攝像機，自動調(diào)整攝像角度進行人工核查確認。

2.1.2 視頻監(jiān)控主機

視頻監(jiān)控主機實時統(tǒng)計攝像機在線數(shù)量，采集、儲存和上傳圖片、視頻和紅外測溫等數(shù)據(jù)至在線智能巡視主機，快速響應(yīng)智能聯(lián)動策略。

2.1.3 智能分析服務(wù)器

智能分析服務(wù)器搭載智能分析算法，接收巡視主機交互的數(shù)據(jù)，實時智能分析站內(nèi)環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)。

2.1.4 實景三維引擎主機（擴展功能）

實景3D 模型的加載算法植入服務(wù)器中，實現(xiàn)3DWeb 服務(wù)發(fā)布，實現(xiàn)各類跨平臺客戶端的快速訪問。

2.1.5 三維視頻融合主機（擴展功能）

實景3D 模型與監(jiān)控視頻的融合算法植入服務(wù)器中。部署在換流站內(nèi)與監(jiān)控視頻進行實時融合預(yù)處理，對視頻流進行轉(zhuǎn)碼以滿足3D 模型中實時視頻融合碼率要求，實現(xiàn)動態(tài)實景3D 模型渲染[6-7]。

2.1.6 前端采集裝置

前端采集裝置包括紅外高清網(wǎng)絡(luò)云臺一體化攝像機、紅外高清網(wǎng)絡(luò)球型攝像機、紅外高清網(wǎng)絡(luò)筒型攝像機、微型攝像機、雙光譜熱成像測溫攝像機、軌道攝像機、拾音器、視頻處理服務(wù)器等。

紅外高清網(wǎng)絡(luò)云臺—體化攝像機或球型攝像機：可向上/向下自由旋轉(zhuǎn)，單個設(shè)備可關(guān)聯(lián)多個角度進行監(jiān)視，涉及常規(guī)監(jiān)視、設(shè)備巡檢分析、設(shè)備狀態(tài)分析、環(huán)境狀態(tài)分析、人員行為分析。既可以查看室外場地開關(guān)、刀閘分合狀態(tài)，主變油溫、油位以及機器人無法觀測到的角度，還可以查看室內(nèi)場景環(huán)境。具體根據(jù)立桿條件選擇使用云臺還是球型攝像機。

紅外高清網(wǎng)絡(luò)筒型攝像機：用于室內(nèi)外特殊位置的單點監(jiān)測。

微型攝像機：體積小，造價低，可用于彌補機器人無法進入室內(nèi)進行巡視的劣勢，監(jiān)測室內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)，如GIS 站主變油溫、油位和開關(guān)、刀閘分合狀態(tài)等。

雙光譜熱成像測溫攝像機：用于采集設(shè)備本體、接頭、套管、引線等重點部位的紅外圖譜數(shù)據(jù)。

軌道攝像機：可監(jiān)測室內(nèi)屏柜的設(shè)備狀態(tài)，進行設(shè)備巡檢分析、設(shè)備狀態(tài)分析。

可穿戴定位設(shè)備：可采集當前人員或者裝置的地理位置坐標[8]。

2.2 實景三維在線智能巡視系統(tǒng)技術(shù)支撐

2.2.1 實景三維與實時視頻融合技術(shù)

實時視頻與實景三維無縫融合，實現(xiàn)沉浸式三維模型中整體或局部區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控，有效監(jiān)視換流站現(xiàn)場設(shè)備及人員狀態(tài)?；趽Q流站三維模型，結(jié)合換流站中布點的監(jiān)控攝像機，利用實景3D 實時視頻融合引擎的AI 算法，采集視頻數(shù)據(jù)與實景三維模型進行智能融合，從而實現(xiàn)三維模型與視頻數(shù)據(jù)的實時、無縫融合，達到實時的可視化監(jiān)控[9-10]。

實時視頻融合需要以下步驟：

1）融合視頻預(yù)處理，基于視頻數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，對視頻流進行轉(zhuǎn)碼以滿足實景3D 引擎端的動態(tài)渲染要求；

2）對視頻進行幾何校正、噪聲消除、色彩和亮度調(diào)整、配準等；

3）視頻融合投影，基于視頻與三維場景之間的空間位置關(guān)系、用戶視角、以及渲染所需的深度信息，根據(jù)合適的視頻映射（透視投影或正射投影）算法進行投影計算。

通過以上步驟，實現(xiàn)三維模型與換流站監(jiān)控視頻的實時、無縫融合處理，以及動態(tài)的實景三維模型渲染，當用戶視角發(fā)生改變時，通過特有的AI 算法實現(xiàn)視頻渲染隨著用戶視角變化而變化，避免畫面出現(xiàn)畸變的情況。

2.2.2 深度學習算法訓練技術(shù)框架

基于深度學習和計算機視覺技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)視頻在電網(wǎng)運維檢修中的應(yīng)用，設(shè)計并構(gòu)建一套智能計算服務(wù)（深度學習算法訓練框架），實現(xiàn)生產(chǎn)用視頻數(shù)據(jù)的采集預(yù)處理，海量視頻數(shù)據(jù)的分布式存儲，分類建設(shè)電力設(shè)備視頻圖像訓練庫，采用GPU 與深度學習算法結(jié)合的模式，提高數(shù)據(jù)處理速度，達到持續(xù)訓練與優(yōu)化各類智能分析算法，分類輸出各類智能算法模型，并可根據(jù)配置策略分發(fā)至各個換流站智能分析模塊單元，以此不斷提高在各種環(huán)境條件下電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與識別的準確率。

3 結(jié)語

為提升智能換流站運維人員的業(yè)務(wù)能力，有必要開發(fā)換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有技術(shù)及智能算法支撐，開展換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)的研究，提出了換流站實景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)目標及原則，分析了實景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)支撐，為實現(xiàn)換流站故障、異常的仿真分析及輔助決策，為實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的三維可視化展示提供相關(guān)依據(jù)。