曾昌健,李麗,鄭國華,劉金平,羅思媛

基于VR技術(shù)的輸電線路運(yùn)檢一體化研究

曾昌健,李麗,鄭國華,劉金平,羅思媛

國網(wǎng)福建省電力有限公司, 福建 福州 350003

隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，實現(xiàn)并推廣輸電線路的運(yùn)檢一體化對電力安全的重要程度越來越高。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，概述了VR在輸電線路可視化管理及運(yùn)檢一體化工作中的實際應(yīng)用現(xiàn)狀，通過引進(jìn)VR技術(shù)實現(xiàn)運(yùn)檢過程數(shù)據(jù)采集和三維模型場景構(gòu)建，提供建立輸電線路可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計思路，旨在通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入，切實有效的改善輸電線路運(yùn)檢工作的作業(yè)效率，為新興技術(shù)在輸電線路運(yùn)檢一體化方面的應(yīng)用提供參考。

輸電線路; 運(yùn)檢一體化; 虛擬現(xiàn)實; 三維模型

輸電線路是電網(wǎng)系統(tǒng)中保障電能傳輸?shù)闹匾M成部分，其可靠運(yùn)行是關(guān)乎整個電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要前提。20世紀(jì)初期，我國輸電線路采用的是定期檢查維修的工作模式，即每隔固定周期完成線路的檢查，并對問題線路采取相應(yīng)的整修措施。隨著國家電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，輸電線路的體量與日俱增，老舊的定期抽檢工作模式無法有效解決當(dāng)前輸電線路的管理與維護(hù)問題。因此，為了降低運(yùn)營及維護(hù)成本，在整個電力系統(tǒng)的輸電線路管理中推行運(yùn)檢一體化的工作模式變得越來越重要[1]。

運(yùn)檢一體化是指將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的兩項日常工作——運(yùn)營和維護(hù)相結(jié)合，改善傳統(tǒng)工作意義上的獨(dú)立開展、職責(zé)分離的現(xiàn)狀。此舉可切實有效地降低輸電線路日常運(yùn)行成本，提升運(yùn)檢工作的實際作業(yè)效率，極大的增強(qiáng)了電網(wǎng)企業(yè)的核心競爭力[2]。

為了不斷提升運(yùn)檢一體化管理工作的核心競爭力，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的電力智能化管理平臺成為了有效的解決手段[3]。區(qū)別于傳統(tǒng)的二維視覺效果，以三維視覺為核心的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電力領(lǐng)域中被越來越廣泛的應(yīng)用。隨著影像學(xué)、視覺SLAM等配套高新技術(shù)學(xué)科的不斷完善，使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電力系統(tǒng)運(yùn)檢工作中的實際應(yīng)用場景越來越完善[4]。三維輸電線路的模型搭建，能夠方便運(yùn)檢作業(yè)人員及時獲取通道中外圍及核心電力設(shè)備的實時數(shù)據(jù)狀態(tài)，能夠第一時間獲取線路中的安全隱患，同時數(shù)字化管理系統(tǒng)可實現(xiàn)同傳報警機(jī)制，以便運(yùn)檢工作人員快速開展相關(guān)修繕業(yè)務(wù)[3]。數(shù)據(jù)信息傳輸原理如下圖1所示。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實（也簡稱為VR），是一門自進(jìn)入20世紀(jì)后才得以迅速發(fā)展的高新科技技術(shù)學(xué)科。VR技術(shù)的興起離不開計算機(jī)、電子信息、三維仿真、影像學(xué)等諸多前言科技的貢獻(xiàn)，其基本實現(xiàn)方式為借助計算機(jī)搭建虛擬視覺界面，從而給操作者帶來環(huán)繞式的真實視覺體驗。

1.2 虛擬現(xiàn)實在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場景

通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可為電網(wǎng)系統(tǒng)工程項目的前期策劃、模擬分析、現(xiàn)場施工作業(yè)、后期監(jiān)督維護(hù)等諸多工序提供有效的數(shù)據(jù)支持。隨著使用場景的不斷拓展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到整個電力系統(tǒng)成為了行業(yè)主流發(fā)展之勢。經(jīng)過長時間的探索與改進(jìn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在諸多電網(wǎng)細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，其中不乏系統(tǒng)培訓(xùn)、日常生產(chǎn)運(yùn)營、前期項目規(guī)劃等[6]。下圖為電網(wǎng)行業(yè)日常運(yùn)營過程中已導(dǎo)入的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用場景實例（圖2）。

圖 2 虛擬現(xiàn)實應(yīng)用場景實例

圖 3 VR技術(shù)模擬運(yùn)檢作業(yè)實例

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在輸電線路運(yùn)檢工作的應(yīng)用

2.1 輸電線路運(yùn)檢一體化

輸電線路運(yùn)檢工作的主體業(yè)務(wù)流囊括了高壓、超高壓EHV和特高壓UHV交、直流電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)和檢修，該工作具有高技術(shù)含量、高作業(yè)風(fēng)險等特點。

輸電線路的運(yùn)檢一體化是指對線路完成運(yùn)行和檢修的統(tǒng)一管理，真正區(qū)別于傳統(tǒng)電力管理中將線路運(yùn)行和問題檢修業(yè)務(wù)分離的工作模式，切實有效的壓縮運(yùn)維成本，提升各個環(huán)節(jié)的有效管理水平，避免重復(fù)工作造成的浪費(fèi)，極大的提升了運(yùn)檢工作的真實作業(yè)效率[7]。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在運(yùn)檢一體化的應(yīng)用場景

總結(jié)行業(yè)內(nèi)成熟的VR技術(shù)在電力運(yùn)檢工作的應(yīng)用場景，主要可分為系統(tǒng)培訓(xùn)及智能化平臺兩大范疇。其中系統(tǒng)培訓(xùn)是指借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建三維仿真培訓(xùn)界面，模擬實際運(yùn)檢工作場景、流程及動作，方便受訓(xùn)者真實還原實際作業(yè)狀態(tài)。同時搭配體感設(shè)備，培訓(xùn)者可以通過肢體動作與硬件設(shè)備完成虛擬交互，實現(xiàn)了對真實作業(yè)場景的高比例仿真效果[8]。

其次，VR技術(shù)也廣泛應(yīng)用在運(yùn)檢智能化管理平臺的搭建過程中，通過建立高仿真模型、綁定GIS技術(shù)和實時衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了即時數(shù)據(jù)監(jiān)控，有效的提升了運(yùn)檢的作業(yè)效率和響應(yīng)速度，為電力系統(tǒng)輸電線路運(yùn)檢一體化的推動提供了切實有力的技術(shù)保障。圖3為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在輸電線路運(yùn)檢日常培訓(xùn)過程中的應(yīng)用實例。

本文以實現(xiàn)輸電線路的虛擬建模為出發(fā)點，同時探究如何將建模場景應(yīng)用到實際輸電線路可視化的管理系統(tǒng)中，從而有效提升運(yùn)檢工作的工作效率，降低相關(guān)運(yùn)營成本，為提升運(yùn)檢一體化工作的管理水平提供有效的技術(shù)支撐[9]。

3 三維輸電線路構(gòu)建方法

參考上述VR技術(shù)在運(yùn)檢一體化工作的應(yīng)用場景，重點從以下幾個方面介紹三維輸電線路的構(gòu)建方法，并根據(jù)運(yùn)檢工作的實際需要提出一種實用性的可視化管理系統(tǒng)構(gòu)想。

3.1 數(shù)據(jù)采集

模型的搭建離不開有效的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的核心是為了捕獲線路通道內(nèi)相關(guān)電力設(shè)備的三維數(shù)據(jù)信息，尤其是完成桿塔的數(shù)據(jù)采集，目前行業(yè)主流的技術(shù)手段可分為人工作業(yè)測量和搭載無人機(jī)的激光雷達(dá)測量。數(shù)據(jù)采集完成后，一方面參考GIS系統(tǒng)中的既定數(shù)據(jù)，通過3DMAX等工具，實現(xiàn)具體的地貌特征仿真三維模型[4]。具體流程可參照圖4。

圖 4 三維輸電線路構(gòu)建流程

圖 5 模型搭建流程圖

3.2 模型建立

三維模型的建立可以借助Autodesk公司的3DMAX軟件（擁有強(qiáng)大的動畫制作及圖像渲染功能）進(jìn)行原型搭建，實際操作過程中采用Open Scene Graph作為底層的渲染基礎(chǔ)框架，系統(tǒng)選擇Linux enterprise 5.4，根據(jù)采集好的場景數(shù)據(jù)動態(tài)地添加或刪除相關(guān)模型單元。圖5為三維模型搭建流程圖。

首先，借助國家電網(wǎng)GIS系統(tǒng)中完成規(guī)劃線路，標(biāo)出輸電線路通道中每個設(shè)備的方位（大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）等類型信息，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

使用OSG將每個動態(tài)模型單元根據(jù)具體的方位數(shù)據(jù)、類型數(shù)據(jù)，在三維模型中完成動態(tài)渲染，進(jìn)而生成最終版本的三維模型[10]。圖6為220 kV終端塔模型實例。

3.3 模型優(yōu)化

由于原始3Dmax設(shè)計的三維模型存在文件過大、渲染速率較低等實際問題，導(dǎo)致對硬件水平要求極高，不利于實際工業(yè)場景的導(dǎo)入，因此研究出采用VRML完成原始模型的優(yōu)化，可實現(xiàn)縮減文件體積，極大的提升渲染的運(yùn)行速率。模型優(yōu)化主要采取的方式為將3Dmax設(shè)計的模型導(dǎo)入VRML并進(jìn)行模型變換，同時識別并刪除3Dmax導(dǎo)出的.wrl格式文件中的共同頂點。待優(yōu)化模型坐標(biāo)變換的主要步驟簡述如下：已知P點坐標(biāo)（1,1,1），假設(shè)移動到終點Q，則PQ兩點之間的距離L可表示為（2,2,2），方向向量I可表示為（1,2,3），Q點坐標(biāo)（3,3,3）可計算為如下數(shù)據(jù)。

通過改變原始模型在VRML中的坐標(biāo)位置，從而改變造型距離的遠(yuǎn)近，至此LOD細(xì)節(jié)層次控制節(jié)點即可解決模型體積過大的問題。經(jīng)過模型優(yōu)化，最終220 kV終端塔的三維模型存儲文件大小降低70%，存儲空間小于1 mb，通過下表可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后的模型數(shù)據(jù)量下降明顯。

表 1 模型優(yōu)化前后

經(jīng)過實際驗證，優(yōu)化后的三維模型渲染速度明顯提升，對硬件設(shè)備的要求顯著降低，完全可順利導(dǎo)入實際應(yīng)用環(huán)境。圖7為VRML優(yōu)化后220 kV終端塔塔身結(jié)構(gòu)圖。

圖 6 220 kV終端塔三維模型圖

圖 7 VRML優(yōu)化后終端塔部分結(jié)構(gòu)圖

圖 8 虛擬三維場景實例

3.4 三維場景合并

完整的輸電線路通道主要由核心電力設(shè)備及周邊地貌特征兩方面組成，針對電力設(shè)備模型可參考上述方法完成模型搭建及優(yōu)化，而周邊環(huán)境特征可借助圖像掃略技術(shù)或Google earth等第三方數(shù)據(jù)導(dǎo)入從而實現(xiàn)快速的模型搭建，本文不作詳述。部分區(qū)域三維模型實例如圖8。

3.5 運(yùn)檢信息查詢及問題解決

除了三維模型的搭建外，后續(xù)可重點研究通過采用Brower/Serve系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合上述核心電力設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)，搭建一套針對目標(biāo)輸電線路的可視化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同電力業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)三維輸電線路的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，一方面便于控制中心隨時掌握線路運(yùn)行狀況，另一方面當(dāng)線路出現(xiàn)突發(fā)故障時，可即時啟動報警機(jī)制，以便相關(guān)工作人員第一時間獲取信息，完成快速響應(yīng)，并及時進(jìn)行故障處理，極大的提高了運(yùn)檢一體化工作的信息化、自動化，為現(xiàn)場問題的解決贏得寶貴的時間[11-13]。

4 結(jié)論

剖析輸電線路模型搭建及運(yùn)檢一體化工作的痛點，總結(jié)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用場景，提出并實現(xiàn)了基于VR技術(shù)的輸電線路三維建模及優(yōu)化方法。同時提出了采用Brower/Serve系統(tǒng)架構(gòu)，關(guān)聯(lián)當(dāng)?shù)仉娏Σ块T相關(guān)資源數(shù)據(jù)庫，以建立輸電線路的可視化管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時有效的報警機(jī)制可解決運(yùn)檢一體化工作中的實際困難，提升作業(yè)效率，為行業(yè)普及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。

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Study on the Integration of Transmission Line Transport and Inspection Based on VR Technology

ZENG Chang-jian, LI Li, ZHENG Guo-hua, LIU Jin-ping, LUO Si-yuan

350007,

With the rapid development of the national power system, the realization and promotion of the integration of operation and inspection of transmission line is becoming more and more important for the power market and supply and requisitioning parties. Based on the extension of virtual reality technology, this article outlines the actual application status of VR in the visual management of transmission line and the integration of operation and inspection. Through the introduction of VR technology, the data collection and 3D model scene construction in the operation and inspection process are realized, thus to develop a practical and effective platform, so as to improve the efficiency and quality of operation and inspection of transmission line, reduce transmission line’s operation and maintenance cost, and provides a reference for the application of new technology in the integration of operation and inspection of transmission line.

Transmission line; integration of operation and inspection; virtual reality; 3D model

TM7

A

1000-2324(2021)02-0304-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.026

2019-10-27

2020-01-06

國網(wǎng)福建省電力有限公司科技項目(52130A16C07)

曾昌健(1987-),男,工程碩士,高級講師,主要從事輸配電線路研究. E-mail:zengchangjian@163.com

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