李 偉,耿光超,任志強(qiáng),楊紅霞

1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓(xùn)中心,浙江 杭州 310015

2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027

近些年，虛擬現(xiàn)實(shí)[1]（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[2]（AR）技術(shù)和設(shè)備（例如谷歌眼鏡[3]等）利用上下文信息增強(qiáng)了用戶的真實(shí)世界視野，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。雖然這些技術(shù)存在一些限制，但這些技術(shù)將特定領(lǐng)域的可視化從計(jì)算機(jī)屏幕移向現(xiàn)實(shí)世界，有望應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如設(shè)備日常維護(hù)等。

目前，以自動(dòng)化VR 應(yīng)用較多。如文獻(xiàn)[4]提出約束SLAM（同時(shí)定位與映射）框架，用于3D物體的實(shí)時(shí)增強(qiáng)，并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)員的培訓(xùn)建立原型應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]嘗試?yán)肁R 和觸感技術(shù)對(duì)感官驅(qū)動(dòng)的行為（如車輛駕駛）進(jìn)行增強(qiáng)，從而技術(shù)控制的感官增強(qiáng)可以影響人類感知并改善動(dòng)作執(zhí)行，但這取決于特定目標(biāo)人群和增強(qiáng)程度，且可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，如向用戶提供過(guò)量信息。

大部分AR/VR 應(yīng)用并不專注于特定行業(yè)，而是探索數(shù)據(jù)可視化的通用解決方案。但每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都會(huì)帶來(lái)包含特定的先決條件的新要求。關(guān)于AR 在工業(yè)中的應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[6]分析了VR 在工業(yè)機(jī)器人仿真和制造方面的應(yīng)用，并對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航規(guī)避進(jìn)行研究分析。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為虛擬3D 可視化適用于制造系統(tǒng)建模，且此類系統(tǒng)通常用于監(jiān)控和維護(hù)，因此可歸類于SCADA 系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入水利水電工程施工仿真中，提出了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的心墻堆石壩施工過(guò)程可視化仿真方法，該方法主要解決通過(guò)視頻監(jiān)控獲取的三維場(chǎng)景信息與虛擬物體疊加，以解決傳統(tǒng)可視化仿真中地形模型占用過(guò)多資源的問(wèn)題。與之類似還有文獻(xiàn)[9]提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的堆石壩工程三維可視化。通過(guò)建立了功能AR 或VR 監(jiān)測(cè)應(yīng)用，利用了靜態(tài)相機(jī)、AR 標(biāo)記、開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)等，很多案列說(shuō)明這些可以增強(qiáng)傳統(tǒng)SCADA 的功能。

本文提出了過(guò)程相關(guān)SCADA 數(shù)據(jù)的可視化方法，使用了VR 可視化技術(shù)，可以促進(jìn)變電站中以人為中心的活動(dòng)，例如設(shè)備日常維護(hù)等。為了驗(yàn)證所提方法，本文還開(kāi)發(fā)了VR 應(yīng)用，借助VR標(biāo)記在相應(yīng)的變電站設(shè)備上顯示SCADA 數(shù)據(jù)，證明了所提可視化方法的獨(dú)創(chuàng)性和功效?？紤]到軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸限制，需要適時(shí)刷新可視化SCADA 數(shù)據(jù)。本文對(duì)提出的方案進(jìn)行了全面測(cè)試，證明提出的方法論適用于現(xiàn)實(shí)變電站。

1 工業(yè)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)和IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850[10]常被視為電力企業(yè)的遠(yuǎn)程控制協(xié)議，其不僅僅是現(xiàn)場(chǎng)儀器信息檢索的規(guī)則和編碼，而且確定了在不同供應(yīng)商設(shè)備之間實(shí)施通信和語(yǔ)義互操作性的自動(dòng)化架構(gòu)條件。

1.1 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 數(shù)據(jù)模型IEC 61850 提供了與電力企業(yè)子系統(tǒng)中的設(shè)備功能緊密相連的數(shù)據(jù)語(yǔ)義。IEC 61850定義的數(shù)據(jù)模型使用相關(guān)過(guò)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蟮慕！Ｆ鋽?shù)據(jù)模型分類之間的聯(lián)系如圖1 所示。通過(guò)最上層的父類、服務(wù)器（Server）來(lái)表示物理設(shè)備（即設(shè)備控制器）。Server 包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備（LD），LD 是用于自動(dòng)化系統(tǒng)的控制、保護(hù)和監(jiān)視設(shè)備的虛擬表示。邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）表示不同設(shè)備功能，多個(gè)LN 匯聚在一起構(gòu)成一個(gè)LD。LN 是IEC 61850 數(shù)據(jù)語(yǔ)義的重要組成部分。

圖1 IEC 61850 數(shù)據(jù)類模型示意圖Fig.1 Schematic chart of IEC61850 data model

1.1.2 數(shù)據(jù)交換與管理IEC 61850 提出了描述電力企業(yè)（變電站）的子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換過(guò)程的新范式，即，抽象通信服務(wù)接口（ACSI）[11]。ACSI 模型分類定義了IEC 61850 設(shè)備所使用的水平和垂直通信抽象信息服務(wù)。任何IEC 61850 客戶端軟件都可以利用ACSI 模型類，作為IEC 61850 服務(wù)器啟用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化接口，從而完全利用其遠(yuǎn)程控制。

基于系統(tǒng)配置描述語(yǔ)言（SCL）[12]格式化的XML 文檔的交換，是IEC 61850 系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)。通信系統(tǒng)和電網(wǎng)拓?fù)涫穷A(yù)定義的，而基于SCL 文檔交換的工程過(guò)程則具有一定的靜態(tài)型，常用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

1.2 工業(yè)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)

VR是利用虛擬元素在視覺(jué)上改變現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境的科學(xué)技術(shù)。為了將VR更好地應(yīng)用于能源工業(yè)，需要對(duì)VR 及其能力進(jìn)行全面分析。VR 的主要特征為：

1）通過(guò)利用跟蹤系統(tǒng)，可以跟蹤用戶的視圖和位置；

2）將虛擬物體放置在現(xiàn)實(shí)世界視圖中；

3）放置在現(xiàn)實(shí)世界的虛擬物體具有正確位置、方向和尺度；

4）可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)虛擬物體和現(xiàn)實(shí)世界視圖。

在變電站自動(dòng)化環(huán)境中，計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是控制和監(jiān)視過(guò)程，因此，有必要使用先進(jìn)的可視化技術(shù)。其中展示的信息量相當(dāng)大，且隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的增加，信息量也將隨時(shí)間推移而不斷增長(zhǎng)。必須僅展示相關(guān)信息，從而減少額外數(shù)據(jù)對(duì)操作人員造成的不必要負(fù)擔(dān)。

控制計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示過(guò)程數(shù)據(jù)，并使用傳統(tǒng)的輸入機(jī)制，例如鍵盤或觸摸屏。典型程序中，通常要求操作員通過(guò)機(jī)器的安全玻璃來(lái)觀察過(guò)程，同時(shí)操作計(jì)算機(jī)來(lái)控制過(guò)程并接收自動(dòng)化反饋。此類工作流程的問(wèn)題在于，當(dāng)操作員需要在觀察計(jì)算機(jī)屏幕以保持跟蹤自動(dòng)化數(shù)值的同時(shí)，還需要在視覺(jué)上進(jìn)行過(guò)程觀察時(shí)，會(huì)造成操作員注意力分散。在機(jī)器旁邊放置顯示器可以緩解該問(wèn)題，但此類程序本質(zhì)上將過(guò)程與其自動(dòng)化數(shù)據(jù)相分離。

本文旨在提供無(wú)縫解決方案，利用VR 技術(shù)的特征，將自動(dòng)化數(shù)據(jù)集成到安全玻璃之外的工作區(qū)。VR 技術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的交互式虛擬對(duì)象可以與現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境（包括工業(yè)環(huán)境）相結(jié)合，適用于即時(shí)注意力要求很高的工業(yè)機(jī)器。

研究人員針對(duì)特定場(chǎng)景開(kāi)發(fā)了多種類型的VR 標(biāo)記，其中二維矩陣條形（QR）碼最常用。

一個(gè)QR 碼可以編碼最多7089 個(gè)數(shù)字和4296 個(gè)字母數(shù)字字符，且可以通過(guò)智能手機(jī)或PC 應(yīng)用的攝像頭訪問(wèn)來(lái)簡(jiǎn)單讀取，優(yōu)于其他需要特定掃描儀進(jìn)行解碼的2D 條形碼。

另一個(gè)較為復(fù)雜的選擇是Vuforia 庫(kù)中的可用標(biāo)記[13]。Vuforia 中存在一些不同的標(biāo)記類型，主要為幀標(biāo)記、圖像目標(biāo)和Vumarks。本文第一個(gè)VR 應(yīng)用原型在Vuforia 幀標(biāo)記內(nèi)使用了QR 碼。QR碼標(biāo)記如圖2 所示，QR 碼最重要的部分為三個(gè)大方格，其中包含帶白色邊框的較小黑色方格，位于QR 碼的三個(gè)角，用于確定條碼的位置。幾乎所有VR 標(biāo)記（包括Vuforia 幀標(biāo)記）均不編碼數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)注冊(cè)。這意味著需要預(yù)先決定每個(gè)標(biāo)記的功能。在標(biāo)記內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼能夠免除該步驟，因此，使用QR 碼優(yōu)于使用其他標(biāo)記。但QR 碼的問(wèn)題在于檢測(cè)過(guò)慢。為此，本文將QR碼置于可快速檢測(cè)的Vuforia 幀標(biāo)記內(nèi)，如圖3 所示。該形式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在在條碼被損壞或丟失的情況下重建條碼，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)橄鄼C(jī)掃描時(shí)鏡頭位置并不完美，會(huì)丟失一部分代碼。

圖2 QR 標(biāo)記和解碼特征說(shuō)明Fig.2 Direction of QR mark and decode characteristics

圖3 兩種標(biāo)記融合Fig.3 Integration of two marks

2 應(yīng)用與分析

本文開(kāi)發(fā)的IEC 61850 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用使用了垂直IEC 61850 通信，同時(shí)利用SCL 數(shù)據(jù)工程和VR標(biāo)記編碼來(lái)識(shí)別符合IEC 61850 數(shù)據(jù)語(yǔ)義規(guī)則的變電站自動(dòng)化設(shè)備的組件。其應(yīng)用框架如4 所示。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)IEC 61850 應(yīng)用架構(gòu)Fig.4 Framework of virtual reality IEC61850

2.1 具體實(shí)施過(guò)程

應(yīng)用實(shí)施包含以下步驟。首先，變電站自動(dòng)化環(huán)境中包含各種設(shè)備和一些連接到中央SCADA系統(tǒng)的IED。SCADA 系統(tǒng)通過(guò)垂直IEC 61850 通信從IEC 中實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，這是VR 應(yīng)用實(shí)施的最關(guān)鍵的先決條件。

需要打印標(biāo)記（圖8 給出了帶IEC 61850 編碼數(shù)據(jù)的Vumark 的樣例）并置于變電站設(shè)備上，以利用與該設(shè)備部分相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)的VR 可視化。標(biāo)記中編碼了相應(yīng)的IEC 61850 標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)于其所放置的變電站設(shè)備的過(guò)程數(shù)據(jù)。其次，需要帶攝像頭的便攜設(shè)備，其中預(yù)裝了VR 應(yīng)用。第三，變電站環(huán)境需要通過(guò)WiFi 接入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，需要連接商用SCADA 系統(tǒng)。通過(guò)SCADA 制造商提供的API 接口完成SCADA 集成。

一般，可以利用帶攝像頭的設(shè)備對(duì)變電站環(huán)境進(jìn)行掃描。該應(yīng)用使用Vuforia 庫(kù)的一個(gè)實(shí)例來(lái)處理來(lái)自相機(jī)的每幀圖像。一旦在幀中檢測(cè)到標(biāo)記，Vuforia 庫(kù)也開(kāi)始處理VuMark，并對(duì)VuMark 中編碼的字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼。該數(shù)據(jù)為IEC 61850 過(guò)程數(shù)據(jù)路徑，描述與相應(yīng)設(shè)備部分相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)路徑。現(xiàn)在，應(yīng)用程序知道了需要在標(biāo)記的視圖上覆蓋那些信息，但還需要獲取SCADA 信息。其后，通過(guò)Wifi 連接到SCADA 系統(tǒng)，一旦成功連接，應(yīng)用就向SCADA 系統(tǒng)獲取與過(guò)程數(shù)據(jù)路徑相關(guān)的所有信息。然后，SCADA 系統(tǒng)與IED 進(jìn)行通信，并向相應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求所需信息。一旦IED 發(fā)送數(shù)據(jù)，則SCADA 系統(tǒng)通過(guò)Wifi 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至VR 應(yīng)用。應(yīng)用保持與SCADA 系統(tǒng)的連接，并通過(guò)發(fā)送對(duì)所需數(shù)據(jù)所做更改的實(shí)時(shí)更新來(lái)完成任務(wù)。每當(dāng)過(guò)程數(shù)據(jù)路徑的相關(guān)信息發(fā)生變化時(shí)，SCADA 系統(tǒng)就會(huì)通知VR 應(yīng)用，VR 應(yīng)用則顯示更新該變化。由此實(shí)現(xiàn)了變電站IEC 61850 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

變電站環(huán)境中的任何設(shè)備均可依此方式進(jìn)行建模，并可以在視覺(jué)上突出顯示重要部分和額外信息。在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)時(shí)，可以在設(shè)備上突出顯示核心元件并加入IEC 61850 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在設(shè)備檢查過(guò)程中，操作員可以快速瀏覽所需信息。還可以特定維護(hù)程序或?qū)W習(xí)過(guò)程中添加動(dòng)畫。舉例來(lái)說(shuō)，不熟練的操作員需要通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)掌握變電站環(huán)境中的不同設(shè)備的處理方法?？梢允褂脛?dòng)畫模型加快培訓(xùn)過(guò)程，提高學(xué)習(xí)效果。

2.2 原型評(píng)價(jià)

本文還開(kāi)發(fā)了變電站的詳細(xì)模型，每當(dāng)攝像頭發(fā)現(xiàn)具有特定編碼的標(biāo)記時(shí)，就會(huì)顯示該模型。該模型如圖5 所示。在模型展示后，用戶可進(jìn)行放大、縮小或旋轉(zhuǎn)操作，以得到更好的變電站視圖。該模型中也添加了IEC 61850 實(shí)時(shí)信息，并突出顯示與數(shù)據(jù)語(yǔ)義相關(guān)的設(shè)備部分。該特征用于對(duì)變電站某些部分進(jìn)行監(jiān)視和微管理，還可被用于遠(yuǎn)程控制整個(gè)變電站。

本文在現(xiàn)實(shí)世界變電站中實(shí)施了所提應(yīng)用原型，以評(píng)價(jià)所提方案。結(jié)果表明，雖然與結(jié)合了Vuforia 幀標(biāo)記的Vumarks 相比速度較慢，但帶即時(shí)解碼結(jié)果和QR 碼的Vumarks 是IEC 61850 數(shù)據(jù)語(yǔ)義標(biāo)記的最佳選擇。隨著應(yīng)用程序的版本迭代，對(duì)IEC 61850 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的使用也將發(fā)生變化，從數(shù)據(jù)文本展示變?yōu)槭褂脦ё⑨寯?shù)據(jù)的圖形模型。利用IEC 61850數(shù)據(jù)語(yǔ)義，可以從變電站內(nèi)的SCADA系統(tǒng)獲取任何所需信息。

圖5 包含多個(gè)變壓器的變電站VR 模型Fig.5 VR model of transformers in the substation

圖6 應(yīng)答測(cè)試結(jié)果Fig.6 Answer test results

2.3 原型評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)時(shí)通信

實(shí)時(shí)計(jì)算描述了受“實(shí)時(shí)約束”的硬件和軟件系統(tǒng)，例如從時(shí)間到系統(tǒng)響應(yīng)。實(shí)施程序必須保證在特定時(shí)間約束內(nèi)的應(yīng)答[13]。

在本文測(cè)試中，測(cè)量VR 應(yīng)用原型接收到SCADA 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)變化更新所需的時(shí)間。測(cè)試中進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在100 MB 本地虛擬專用網(wǎng)（VPN）上傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的SCADA 應(yīng)答時(shí)間，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是使用4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)中介傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的SCADA 應(yīng)答時(shí)間。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，均通過(guò)1000 次的數(shù)據(jù)實(shí)例更改來(lái)測(cè)量SCADA 變化的應(yīng)答時(shí)間。其測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。圖6 的結(jié)果符合預(yù)期，本地VPN 的速度比4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快得多，且峰值的發(fā)生頻率遠(yuǎn)低于互聯(lián)網(wǎng)。本地VPN的最差響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為169 ms，最優(yōu)響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)約為34 ms，這意味著在物理變化發(fā)生后，始終能夠在34 ms至169 ms 之間接收到變化信息。互聯(lián)網(wǎng)的最差和最優(yōu)響應(yīng)時(shí)間分別為478 ms 和69 ms。從兩種場(chǎng)景的比較中可知，4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)答時(shí)間可能是本地網(wǎng)絡(luò)的2 倍，這是因?yàn)?G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有不可控性。近似圖比較表明，本地VPN 響應(yīng)時(shí)間平均約為92 ms，4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間則約為136 ms。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用本地VPN 時(shí)，在1000 個(gè)查詢中，652 個(gè)查詢?cè)?0 ms 至100 ms 之間完成，287 個(gè)查詢耗時(shí)100 ms 至150 ms 之間，僅10 個(gè)查詢耗時(shí)150 ms 至200 ms。而在4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上，僅52 個(gè)查詢耗時(shí)在50 ms 至100 ms 之間，663 個(gè)查詢耗時(shí)100 ms 至150 ms，252 個(gè)查詢耗時(shí)160 ms至200 ms，27 個(gè)查詢耗時(shí)200 ms 至250 ms，1 個(gè)查詢耗時(shí)250 ms 至300 ms，1 個(gè)查詢耗時(shí)300 ms至350 ms，最差的3 個(gè)查詢耗時(shí)450 ms 至500 ms。

圖7 給出了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試圖。頂部框圖表示互聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間的四分位數(shù)，底部框圖表示本地VPN 網(wǎng)絡(luò)的四分位數(shù)。黃色垂直線表示中位值。從中可發(fā)現(xiàn)，VPN網(wǎng)絡(luò)和4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答時(shí)間的中位值分別為92 ms和136 ms。本地VPN 響應(yīng)時(shí)間的下四分位數(shù)為70 ms，而上四分位數(shù)則為101 ms。4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間的下四分位數(shù)和上四分位數(shù)分別為112 ms 和154 ms。結(jié)果表明，本地VPN 網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間中，50%在70 ms和101 ms 之間，而4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間中，50%在112 ms 和154 ms 之間。

3 結(jié)論

圖7 兩種SCADA 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果圖Fig.7 Test results of two SCDA answer times

本文提出了過(guò)程相關(guān)SCADA 數(shù)據(jù)可視化的方法，以虛擬現(xiàn)實(shí)和促進(jìn)電力系統(tǒng)變電站中的監(jiān)視、控制和以人為中心的維護(hù)活動(dòng)。所提解決方案使用VR 可視化技術(shù)以及IEC 61850 定義的標(biāo)準(zhǔn)通信。該應(yīng)用支持相關(guān)地點(diǎn)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)的可視化，通過(guò)結(jié)合基于標(biāo)準(zhǔn)的通信提取實(shí)時(shí)SCADA 信息，并展示在相應(yīng)設(shè)備附近，還支持使用完整3D 設(shè)備模型以及動(dòng)畫小部件，以加速與用戶的交互。在本地虛擬專用網(wǎng)（VPN）和4G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)的平均響應(yīng)時(shí)間分別為92 ms 和136 ms。未來(lái)，本文將開(kāi)發(fā)促進(jìn)變電站環(huán)境中維護(hù)活動(dòng)的軟件平臺(tái)，通過(guò)提供自適應(yīng)工作流程序來(lái)提升用戶滿意度。