魏 焱

(廣東電網(wǎng)公司 電力科學研究院，廣東 廣州 510080）

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，無人值守的變電站數(shù)量越來越多，電網(wǎng)對信息系統(tǒng)的依賴程度越來越強。而與此同時，各種信息系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)線進行建設(shè)，系統(tǒng)之間缺乏必要的聯(lián)系。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)缺少直觀有效的方式顯示海量、復(fù)雜的信息，缺少有效的可視化手段對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行高效的展示[1]。而一般的二維GIS系統(tǒng)只能對變電站總體狀態(tài)進行展示，既無法滿足變電站設(shè)備級的精細化管理要求，又不符合業(yè)務(wù)人員巡檢變電站的實際應(yīng)用。

基于以上考慮，本文以變電站智能巡檢場景為切入點，在變電站精細化三維建模的基礎(chǔ)上，依靠虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，給出了將三維模型漫游與現(xiàn)場機器人巡檢結(jié)合的應(yīng)用場景設(shè)計方案，即在三維模型中實時動態(tài)地顯示機器人的現(xiàn)場位置、真實視頻、設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等視聽覺類監(jiān)測信息，并通過三維控制器實現(xiàn)真實環(huán)境與虛擬環(huán)境的同步操作，達到虛實結(jié)合、人機交互的效果。在信息展示方面，打破以往巡檢時業(yè)務(wù)人員查詢多個信息系統(tǒng)的模式，而是以設(shè)備為單位，將與該設(shè)備有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)集中起來[2-5]，統(tǒng)一進行展示，再結(jié)合機器人現(xiàn)場采集的信息，通過雙屏互動等可視化載體進行呈現(xiàn)，達到了優(yōu)于現(xiàn)場巡檢的用戶體驗效果。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Vinual Reality，VR）技術(shù)是一種使人沉浸于一個由計算機生成或以計算機為中介的可交互虛擬環(huán)境中的顯示和控制技術(shù)，它采用計算機發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實世界一樣的感覺，它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是要利用各種先進的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。[6-8]

變電站智能巡檢場景設(shè)計就是依托變電站精細化三維建模，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使業(yè)務(wù)人員能夠在虛擬變電站中進行漫游，遵照現(xiàn)場巡檢的習慣，在變電站模型中對每個設(shè)備進行查看，同時將與該設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息實時動態(tài)的呈現(xiàn)出來，輔助巡檢人員發(fā)現(xiàn)缺陷、定位故障，提供可視化的信息支撐。

2 變電站精細化三維建模

根據(jù)實際應(yīng)用對電網(wǎng)設(shè)備精細化程度的需求，可將電網(wǎng)設(shè)備三維模型的粒度由粗到細劃分為三級，分別是工程級模型、重點部件級模型、全設(shè)備級模型。三種級別可從完整性、精細度兩方面進行描述，具體內(nèi)容如表1所示。

3 智能巡檢場景的研究與設(shè)計

3.1 場景總體設(shè)計

變電站智能巡檢場景主要分為兩部分，包括虛實結(jié)合的智能操控和信息融合的智能展示。變電站智能巡檢場景則是通過可視化載體，將智能操控和智能展示兩部分綜合起來，實現(xiàn)虛實結(jié)合、人機互動的可視化場景[9-10]（如圖 1）。

表1 三維建模精細化等級描述

3.2 智能操控設(shè)計

虛實結(jié)合的智能操控是研究變電站機器人智能巡檢與仿真技術(shù)的融合協(xié)同，即在現(xiàn)實變電站中引入巡視機器人，并在高精度的變電站三維仿真場景中置入模擬機器人，實現(xiàn)機器人仿真環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境的完全協(xié)同。如圖2所示，通過三維控制器發(fā)出同一套通訊指令同時控制模擬機器人與巡檢機器人，雙方通過信息通信傳輸定位信息，時刻保持位置一致，為虛擬場景的集成信息與現(xiàn)場環(huán)境的采集信息融合展示、疊加分析等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3.3 智能展示設(shè)計

信息集成的智能展示是在雙屏顯示模式下，將模擬機器人在仿真環(huán)境中巡檢時集成的設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測、事件信息、環(huán)境信息、臺帳信息等數(shù)據(jù)進行展示，同時也展示巡視機器人捕捉到的真實視頻，現(xiàn)場采集到的設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等視聽覺類監(jiān)測信息。通過兩種信息的疊加處理與分析，使業(yè)務(wù)人員能夠更加精準、實時、真實、沉浸式的監(jiān)測變電站狀態(tài)，達到協(xié)同工作的目的。

圖1 變電站智能巡檢場景

圖2 智能操控功能圖

1）數(shù)據(jù)源層描述了可視化場景所需要訪問的數(shù)據(jù)來源，主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)、EMS、在線監(jiān)測系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等。

2）數(shù)據(jù)層描述了展示平臺與不同數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、凈化和集成機制?？梢暬瘓鼍八枰褂煤凸芾淼臄?shù)據(jù)，包括內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)兩類。其中，內(nèi)部數(shù)據(jù)是指直接取自公司相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具體包括臺帳數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。外部數(shù)據(jù)是指取自外部數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，例如微氣象等。數(shù)據(jù)源層提供的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層分成了關(guān)系型數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共四類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 變電站智能巡檢數(shù)據(jù)架構(gòu)

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層從“全景查看”、“任務(wù)管理”、“路線設(shè)定”、“巡檢項目”、“缺陷管理”、“報告管理”六個方面輔助變電站巡視人員工作。在健康狀況指標體系設(shè)計方面，為了便于用戶從海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取關(guān)鍵的信息，我們按照層次關(guān)系將指標體系分成了三級，分別是變電站整體健康狀況、各類變電設(shè)備健康狀況和某類變電設(shè)備詳細健康狀況。當展現(xiàn)信息時，每一級健康狀況都是從下向上層層抽取得到，當定位故障時，用戶又可以從上向下層層進行挖掘，如圖4所示。

4）可視化展現(xiàn)層描述了對展示內(nèi)容、展示方式和展示形式的控制和管理。應(yīng)用展現(xiàn)層主要實現(xiàn)應(yīng)用內(nèi)容用適當?shù)恼宫F(xiàn)方式通過不同的展示媒介呈獻給用戶。表2列出了不同終端下的展示方案。

圖4 健康狀況指標體系設(shè)計

表2 可視化場景終端展示方案

4 實現(xiàn)智能巡檢場景所需的關(guān)鍵技術(shù)

通過智能巡檢場景的設(shè)計，本文還給出了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方案，最終達到從輔助巡檢業(yè)務(wù)向輔助狀態(tài)評估的高級應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

4.1 真虛實時交互及運動控制技術(shù)的研究

變電站機器人智能巡檢與仿真技術(shù)的交互需要進行多級處理，通過建立信息交互模型，能有效地將信息采集、整理、評估、分發(fā)各個環(huán)節(jié)的信息通信打通。此外，還需要研究并驗證運算速度和精度、前續(xù)預(yù)處理系統(tǒng)和后續(xù)信息識別系統(tǒng)的接口性能、不同技術(shù)和方法的協(xié)調(diào)能力、以及對信息樣本的智能識別等技術(shù)點。并將交互控制融合算法應(yīng)用于變電站智能巡檢，從而響應(yīng)用戶的操作，達到虛實結(jié)合的體驗。同時為了提高虛擬場景的“沉浸”特征和“交互”特征，通過控制預(yù)測圖象的生成來表現(xiàn)對設(shè)備的運動控制，預(yù)測圖象間的過渡畫面的幀數(shù)在系統(tǒng)初始化中被設(shè)置成恒定的值，來保證系統(tǒng)顯示畫面的穩(wěn)定性。

4.2 多種信息實時同步和融合的研究

研究的關(guān)鍵在于狀態(tài)采集和數(shù)據(jù)處理。狀態(tài)采集完成機器人現(xiàn)場原始信號（溫度、壓力、流量、電壓、電流、振動等）采集、數(shù)字化和有效性驗證。數(shù)據(jù)處理的主要功能是實現(xiàn)信號的變換、綜合，提取能夠反應(yīng)生產(chǎn)過程狀態(tài)的性能指標。同時，通過采用業(yè)界最先進的同步技術(shù)，制定數(shù)據(jù)采集與實時同步方案，采取數(shù)據(jù)錯誤檢查處理機制，支持多種中心數(shù)據(jù)庫的集成，并定期的與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)虛實信息的同步控制與展現(xiàn)，從而為變電站智能巡檢提供更智能化的實時監(jiān)測模擬預(yù)演，提高空間實時分析的能力，確保工作人員對設(shè)備全方位無視差的監(jiān)測。

4.3 可視化展示技術(shù)研究

可視化技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示、運行安全狀態(tài)顯示和同步控制等方面做了大量研究，研究基于VR變電站智能巡檢的可視化展現(xiàn)技術(shù)，可以打破數(shù)據(jù)原始表示及列表表示的局限，形成更科學、直觀、美化的場景展示界面，更加靈活、有效的支持智能巡檢。變電站智能巡檢場景的設(shè)計采用雙屏互動的實現(xiàn)技術(shù)，在硬件上采用霧化玻璃全息衍射與納米觸控膜技術(shù)相結(jié)合的實現(xiàn)方式，能夠給生產(chǎn)運行提供更智能化的實時監(jiān)測模擬預(yù)演以及空間實時分析的能力。通過雙屏虛實信息相互碰撞同步控制與展現(xiàn)，確保巡視員對設(shè)備進行全方位無視差的監(jiān)測，變電站巡檢自動化水平和檢測準確性提供了創(chuàng)新型的可視化展示技術(shù)手段，對于提高電網(wǎng)運行可靠性具有重要意義。

4.4 輔助決策的智能分析技術(shù)研究

智能分析的本質(zhì)在于如何通過機器人傳感器現(xiàn)場采集的反饋信息與虛擬設(shè)備上讀取的來自后臺系統(tǒng)的實時監(jiān)測信息相疊加處理與分析，分析哪些業(yè)務(wù)，如何分析業(yè)務(wù)，才能夠更加精準、實時、真實、沉浸式的監(jiān)測變電站實時運行狀態(tài)，給生產(chǎn)運行提供現(xiàn)場空間實時分析與監(jiān)測的能力，達到輔助決策與協(xié)同工作的目的。核心分析點包括如下內(nèi)容：

1）實時數(shù)據(jù)展示。在仿真環(huán)境中定位某一設(shè)備時，該設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測、事件信息、環(huán)境信息、臺帳信息等真實信息可直接在該虛擬設(shè)備上直觀展現(xiàn)。

2）實時圖像數(shù)據(jù)監(jiān)控。對可見攝像機和紅外熱像儀進行實時視頻顯示，配合遙控和自動巡視功能，實現(xiàn)操作人員的后臺巡視及實時檢測數(shù)據(jù)的存儲。

3）機器人現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋與疊加分析。把機器人運行需要的電子地圖信息、任務(wù)管理信息、工作系統(tǒng)信息及實時數(shù)據(jù)庫信息反饋，同時對機器人運行產(chǎn)生的日志和巡視進行記錄，以備歷史查詢和分析，提供檢測數(shù)據(jù)的處理與疊加分析功能。

4）設(shè)備高級分析。將機器人捕捉到的真實視頻與多傳感器（例如紅外輻射測溫）相結(jié)合，對實時傳回現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)，進行設(shè)備熱缺陷告警、設(shè)備異物識別告警、設(shè)備異常聲音告警等高級應(yīng)用與分析。

5 結(jié)語

該研究的應(yīng)用價值在于將信息與通信融合技術(shù)應(yīng)用化，讓技術(shù)更好的為電力應(yīng)用服務(wù)，能夠彌補僅采用機器人單向巡檢的不足，給生產(chǎn)運行提供更智能化的實時監(jiān)測模擬預(yù)演以及實時空間分析的能力，確保巡視員對設(shè)備全方位無視差的監(jiān)測，為變電站的運行與管理向自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展提供有力的技術(shù)保障，更好地為變電站運行提供服務(wù)，對于提高電網(wǎng)運行可靠性具有重要意義。

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