基于地理信息云平臺的變電站虛實交互技術研究

郝 蛟,張宗包,鄧 彬

(深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518001 )

0 引言

增強現(xiàn)實(AR)交互系統(tǒng)是建立在機器視覺理論基礎之上而逐步發(fā)展起來的,它是一種通過數(shù)字視覺元素、聲音或其他感官刺激將數(shù)字特征疊加到現(xiàn)實世界中的技術。在各行各業(yè)的應用中,AR不僅可以突破物理世界的特定特征,而且能幫助人們增加對這些特征的理解進而提升對真實物理世界的洞察力。因此,AR的快速發(fā)展能為電力行業(yè)帶來更多的可能性。

目前,我國大部分地區(qū)的變電站巡檢還是需要實際的工作人員來進行,人工巡檢流程十分復雜,效率較低,而且惡劣環(huán)境下工作人員的安全受到影響。同時缺乏數(shù)據(jù),難以提前進行規(guī)劃。尤其周圍環(huán)境較為復雜的變電站,巡檢要求高,巡檢難度大,只靠人工費時費力,巡檢效果較差。將變電站系統(tǒng)與地理信息云平臺和虛擬現(xiàn)實交互技術相結合,可以對電力巡檢信息、電網(wǎng)潮流等數(shù)據(jù)進行多視場可視化表達,彌補傳統(tǒng)視頻流方案可視化信息單一的缺陷[1-2]。

1 變電站實景三維重建

1.1 三維重建流程

三維重建通過計算機圖形學技術重構客觀世界中的物體,是計算機處理各種問題的基石。三維重建的關鍵是準確獲取目標物體的深度信息,進而將物體轉(zhuǎn)換為三維計算機模型。根據(jù)不同的重建原理,三維重建通?？煞譃橹鲃幽Ｊ胶捅粍幽Ｊ?大類。主動模式是利用預測聲波、激光等信號發(fā)射至目標物體,再通過傳感器捕捉返回信號,最后對比不同信號之間的差異即可獲取物體的深度信息。相反,被動模式不依賴于主動發(fā)出的信號,它通過相機獲取自然光在物體上反射的信號后計算物體的深度信息。由于主動模式比被動模式具備更高的建模精度,本文采用主動模式對變電站進行三維重建。

飛行時間法是常用的三維重建主動模式,它根據(jù)物理信號在不同距離上的傳播時間不同來獲取物體深度信息[3]。相較于其他主動模式的三維重建算法,飛行時間法依賴于傳感器與目標物體的空間位置,故該方法測量精度受距離變化影響較小,抗干擾能力強,同時具備響應速度快和原理簡單的優(yōu)點。本文利用飛行時間法可準確采集變電站深度信息并保存在點陣中,接著使用算法將所有點陣統(tǒng)一至同一個坐標系中。由于點陣在同一坐標系中仍表現(xiàn)為無序狀態(tài),進而采用數(shù)據(jù)融合算法解決數(shù)據(jù)重疊、冗余和缺失等問題,最后根據(jù)目標物體結構信息加載紋理信息生成變電站三維模型。

1.2 計算點云

模型深度信息是通過像素坐標系采集得到,為方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理,需將其映射至世界坐標系中[4]。圖像坐標系轉(zhuǎn)換為世界坐標系,變換的約束條件就是相機內(nèi)參,其中,x、y、z是點云坐標系,x′、y′是圖像坐標系,D為深度值,其計算式為

(1)

首先,進行世界坐標到圖像的映射過程,考慮世界坐標點M(xw,yw,zw)映射到圖像點m(u,v)的過程。假設u、v、u0、v0分別為不同坐標點,其中u、v位于圖像坐標系,u0、v0位于世界坐標系;xw、yw、zw是世界坐標系下的三維坐標點;R、T分別為外參矩陣的3×3旋轉(zhuǎn)矩陣和3×1平移矩陣[5];zc為相機坐標的z軸值,即目標到相機的距離,則有

(2)

由于世界坐標系與相機坐標系原點一致,故物體在兩坐標系下沒有平移旋轉(zhuǎn),且在兩坐標系下的距離相機的深度一致,得到簡化公式為:

(3)

(4)

利用上述公式,可得到 [u,v]T到世界坐標點[xw,yw,zw]T的映射關系式為

(5)

1.3 建立模型三維網(wǎng)格

點云數(shù)據(jù)本質(zhì)上是離散空間點,分辨率較低,無法準確描述目標物體特性。同時,點云數(shù)據(jù)中存在噪聲信息、分布密度不均勻等問題,因此需將點云進一步處理,使其變?yōu)檫B續(xù)表面。考慮到計算機處理數(shù)據(jù)花費成本和生成模型視覺精度,本文選擇使用網(wǎng)格化將點云數(shù)據(jù)變?yōu)槿S連續(xù)物體,進而減少數(shù)據(jù)冗余和提升計算機處理性能[6]。

網(wǎng)格化是將點云數(shù)據(jù)變換為便于計算機處理的圖元,合理的網(wǎng)格能有效提升計算機處理精度和速度。本文研究的變電站中包含各種各樣的電力元件,且每種元件外形紋理復雜、差異明顯,因而選用三角網(wǎng)絡分割點云數(shù)據(jù)。三角網(wǎng)格以三角形作為基本單元,具有穩(wěn)定性強、生成速度快等優(yōu)點,能夠快速恢復物體表面細節(jié)。由于每個點云數(shù)據(jù)量巨大,如果直接存儲數(shù)據(jù)會極大地限制該方法的使用范圍,所以先對數(shù)據(jù)進行采樣操作,以某一間隔值選取點云數(shù)據(jù)并將其保存到索引中,最后程序通過點云數(shù)據(jù)索引再進行三角網(wǎng)格化。間隔值的選取與模型的精度和實時性密切相關,間隔值過大會導致模型精度較低但實時性高,反之,間隔值過小模型實時性降低而精度提高。為兼顧模型的精度和實時性,本文采用自適應間隔值遞歸細分逼近最初模型的三角網(wǎng)格,最終得到三角網(wǎng)格模型,進而提升三維重建性能。

1.4 模型渲染

三角網(wǎng)格化得到的變電站模型能清晰展示真實變電站輪廓,但不利于工作人員觀看和具體使用,為此還需對三角網(wǎng)格進行渲染,使其具備真實世界的質(zhì)感。三角網(wǎng)格中每個頂點包含坐標、RGB顏色和分類值等信息,三角形內(nèi)的點可通過插值算法得到對應的RGB值,進而使三角網(wǎng)格出現(xiàn)明暗效果,實現(xiàn)圖形紋理表達[7-8]。此外,還可通過改變?nèi)切雾旤c的高度和法線向量信息使模型出現(xiàn)凹凸不平的特質(zhì),最終得到具有物理世界同樣真實感和材質(zhì)感的模型。

2 基于地理信息云平臺的變電站調(diào)度運維指導

對于電力變電站巡檢,目前有很多種新技術應用進來,如圖像分析、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等[9]。但應用效果最好的還是基于地理信息云平臺的變電站調(diào)度運維指導。

地理信息云平臺有著十分龐大的數(shù)據(jù)庫,通過將地理潮流信息、電力巡檢信息和電網(wǎng)潮流信息等統(tǒng)一處理,整合到一個平臺之中,經(jīng)過大量的地理分析,可以有效處理許多問題,既可以為已發(fā)生事故的處理提供方案規(guī)劃,也可以通過分析預測對有可能發(fā)生的事故進行預警。

地理信息云平臺可以對變電站數(shù)據(jù)(外部環(huán)境、設施和維護情況等)進行管理。也可以將變電站數(shù)據(jù)可視化在大比例尺地形和影像上,通過瀏覽器或者客戶端軟件來對變電站的各種信息進行相關操作,從而幫助相關部門和電力巡檢人員進行規(guī)劃和管理。同時,這種地理信息云平臺還可以架設在移動端上,如平板、手機等,運維巡檢人員可以通過這些移動設備隨時隨地查看和管理變電站數(shù)據(jù)。巡檢人員也可以通過這些移動設備在巡檢和維護過程中拍照上傳正在維護的變電站設備的詳細數(shù)據(jù),供后續(xù)運維處理。

對變電站的運維來講,通過激光雷達對變電站附近的桿塔、導線、交跨線、植被和建筑等地物以及變電站內(nèi)部的各種線路和設備進行掃描,能夠生成完整的點云成果、電力線路及變電站傾斜模型和全景照片。將采集的激光點云成果、電力線路及變電站傾斜模型等一系列數(shù)據(jù)導入地理信息云平臺中,快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與具象化的分析,及時發(fā)現(xiàn)各類設備缺陷、隱患以及線路附近可能對線路造成威脅的各類危險源,為變電站的維護和電力巡檢方案的規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

同時,地理信息云平臺中也有各維護機構的詳細信息,當變電站發(fā)生異?；蚴盏筋A警時,可以及時發(fā)送信息,使變電站對應的負責人員獲知具體情況并拿到由平臺分析所得的初步維護方案,提升變電站的運維效率。

3 GICP+AR平臺的變電站多視場虛擬交互技術

3.1 地理信息云平臺巡檢

地理信息云平臺(GICP),對于電力巡檢,尤其是變電站的運維和巡檢來說是十分有效的系統(tǒng),在平臺上變電站的地理信息屬性可以充分體現(xiàn)[10]。變電站需要一個整體的管理平臺來對其進行信息整合、運行維護[11]。通過互聯(lián)網(wǎng)技術與地理信息的結合,相關人員可以通過系統(tǒng)提供的地理信息對變電站周圍的地質(zhì)環(huán)境進行初步判斷,并通過虛擬技術模擬變電站環(huán)境,將其與變電站內(nèi)部設施等內(nèi)容作為維護的基礎信息,如圖1所示。此外,相關人員還可通過對管理系統(tǒng)的運用,對變電站過去維護的記錄等進行查詢,并將其進行收集,便于日后管理,為實際運維提供有效信息。

圖1 GICP云平臺上的變電站三維模型

作為建立在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上的平臺,地理信息云平臺可實現(xiàn)信息內(nèi)容方面的共享。相關工作人員可通過對內(nèi)容的上傳,不斷充實系統(tǒng)的信息庫,及時更新地理信息,還可與其他信息平臺進行聯(lián)動,以對現(xiàn)有地理信息進行補全,保證電網(wǎng)和變電站信息的時效性。同時,輸變電施工方還可將當?shù)氐乩硇畔l(fā)送至施工管理方,在施工管理方對地理信息進行整理后,將其導入輸變電工程管理信息系統(tǒng)的信息庫,將舊信息進行更新,以便后續(xù)管理。

地理信息云平臺采用了電子地圖,可以將變電站的外圍環(huán)境、線路和內(nèi)部的結構、設備進行整合疊加,通過信息和數(shù)據(jù)的整合分析,形成變電站的空間模型,對變電站巡檢提供極大幫助。并且,結合對變電站的三維建模,可以在GICP中創(chuàng)建三維場景,將變電站內(nèi)部和變電站外部環(huán)境的實景三維模型加載進來,使得運維人員能夠不用親臨現(xiàn)場就能夠直觀地查看變電站的運行狀況,對突發(fā)情況做出及時判斷,提出處置措施。

3.2 AR變電站虛擬仿真實訓系統(tǒng)

增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)來自于計算機視覺技術。它能夠?qū)?shù)字信息疊加到周圍環(huán)境,使數(shù)字圖像信息與真實視覺無縫結合。增強現(xiàn)實技術是人工智能技術的核心組成部分,并逐漸成為新一代人機交互技術的主要方向[12]。

當采用GICP進行變電站巡檢運維的預警和規(guī)劃后,仍需要派專業(yè)人員前往對應變電站進行實操,而變電站巡檢操作煩瑣、危險性高、操作嚴流程長且對員工效率要求高,同時傳統(tǒng)的電力設備落后、感知差、上手機會少,往往造成高技能人才少、新人培養(yǎng)成本高和差旅支出大等局面。AR變電站虛擬仿真實訓系統(tǒng)為實習員工提供解放雙手的工作助手,借助AR一體機可以進行工作任務分發(fā)、接收,巡檢線路設定,自動識別現(xiàn)場環(huán)境、設備并進行實時可視化的作業(yè)指導,根據(jù)需要調(diào)取設備型號、線路圖和以往的巡檢記錄等。

AR地圖解決了傳統(tǒng)地圖識別困難的問題,讓地圖不僅是信息的載體,更具有了感知能力?；贏R技術的二維、三維GICP能夠解決二三維一體化問題,并為用戶帶來更好的應用體驗。通過現(xiàn)實世界與虛擬的二維地圖的融合,能夠有效地幫助電力巡檢人員進行巡檢和維護任務。

在變電站運維管理調(diào)度中,可以讓設計、巡檢工程師通過AR技術將GICP中的變電站三維建模快速地展示,同時利用高度可視化的虛擬建模技術和現(xiàn)場模擬比對,快速發(fā)現(xiàn)需要進行解決的維護問題,并將遇到的問題及時展開交流,制定方案。同時,在維護或巡檢的過程中,當AR設備識別到變電站機房設備相關特征后,AR設備即可在變電站真實場景中疊加虛擬組件(如定位導航菜單),然后對變電站機械室管理運維巡查工作人員的巡檢過程和方式加以指示。AR設備也可以實時顯示后臺數(shù)據(jù)資料,為作業(yè)人員提供更豐富可靠的實時信息。在作業(yè)人員進行現(xiàn)場操作時,AR設備能監(jiān)控并分析工作流程,如果發(fā)現(xiàn)不規(guī)范操作,后臺系統(tǒng)會緊急報警并上報監(jiān)督人員。此外,攜帶AR設備后,巡檢人員可以利用設備的攝像頭對作業(yè)的流程進行記錄,通過上傳視頻,可以使遠程的運維專家查看實時作業(yè)進展,由專家及時糾正錯誤操作并提供一定的作業(yè)建議,而且可以隨時查看錄像,在運維結束后總結作業(yè)流程,為以后的運維巡檢提供經(jīng)驗和幫助,避免更多的錯誤和事故發(fā)生。

4 實驗驗證

針對基于變電站的虛擬仿真實訓系統(tǒng),本文在Window+Visual Studio穩(wěn)定開發(fā)環(huán)境下進行實驗,以采集的視頻圖像數(shù)據(jù)集作為樣本數(shù)據(jù)集,根據(jù)仿真效果來檢驗系統(tǒng)的優(yōu)劣。本文實驗以某變電站實景平臺標準數(shù)據(jù)集圖像為輸入,如圖2所示。開發(fā)環(huán)境為Windows10 64位操作系統(tǒng),機器配置為:GeForce GTX 2060顯卡,Intel i7-10400的CPU,32 GB內(nèi)存,搭配OpenCV4.1.10計算機視覺算法庫編譯,使用VS 2020環(huán)境下的C++語言進行算法編碼,支撐整體系統(tǒng)運維。

圖2 某變電站虛擬仿真實訓平臺

通過大量實際虛擬仿真培訓模擬過程,驗證了本文系統(tǒng)的有效性。某變電站虛擬仿真實訓平臺可以仿真實際變電站值班人員的工作職能,如巡察和監(jiān)視變電站所有電氣設備、電氣設備的倒閘操作等,以達到對變電站各種事故、不正常工作狀態(tài)的及時有效處理。

5 結束語

綜上所述,將變電站系統(tǒng)與地理信息云平臺和虛擬現(xiàn)實交互技術相結合,為變電站進行實景三維建模,在地理信息云平臺上加裝基于變電站實景三維重建模型的AR設備,以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實展示功能,對地理潮流信息、電力巡檢信息和電網(wǎng)潮流等數(shù)據(jù)進行多視場可視化表達,打造智能化變電站,可有效減小巡檢人員工作量并提升工作質(zhì)量。