可視化中控在電力應急指揮中心的應用

王文彬，王文革，楊 揚

(河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州 450052)

近幾年來，局部惡劣天氣給電力的安全生產帶來巨大的挑戰。為了保障電力生產的安全、穩定運行，國家電網在2008年發布了《國家電網公司應急指揮中心建設規范》，并以此為標準在各級電力公司逐步建立起應急指揮體系。應急指揮中心包含了電力各相關專業系統以及為各個系統提供支持的基礎支撐系統。基礎支撐系統包括綜合布線系統、拾音及擴聲系統、視頻采集及顯示系統、會議電視及會議電話系統、通信與網絡系統、集中控制系統等。電力應急指揮涵蓋的系統多、交互性強，涉及大量信號的接入、組織和投送。需要對多種終端、信號交換和處理設備、展示終端、以及環境設施進行控制。針對不同的事故、不同的工作模式、處置流程中不同的階段，需要關注的信息和組織方式是不一樣的，而需要使用的指揮中心設施也不一樣。要實現這些功能主要依靠中控系統實現。

現在應急指揮中心中控系統接入的系統包括大屏幕、RGB矩陣、AV矩陣、會場攝像機、會場燈光、麥克、窗簾控制、數字機頂盒、DVD等設備。在使用過程中中控系統采用多級菜單的操作方式，對于一些需要并發處理的設置，往往有些力不從心，操作人員處理起來有些手忙腳亂。特別是一些大型反事故演習的現場操作，往往需要多次練習、周密計劃，才能達到比較好的效果，這樣對操作人員提出了更高的要求，增加了工作難度。根據實際應用需要，對現有中控系統進行升級改造，提高智能化水平、增加并發處理能力，擴展模式記憶功能，使系統能按預先設定的模式進行自動的組合，還應具有各種信號的預覽功能，在信號投放前提前預覽，保證應用效果。

1 中央控制系統

中央控制系統是對聲、光、電等各種設備進行集中控制的設備[1－4]。它常應用于多媒體教室、多功能會議廳、指揮控制中心、智能化家庭等，用戶可通過控制面板、計算機、觸摸屏等設備，通過系統軟件控制投影機、展示臺、影碟機、錄像機等設備。中控系統按各部分功能一般可以分為本地界面層、網絡控制層、處理運算層、功能模塊層和用戶設備層。應急中心中控系統結構圖如圖1所示。

圖1 應急中心中控系統結構圖

本地界面層主要包括控制面板、觸摸屏等，它是人機交互的界面，一般通過無線網絡傳輸，在界面層可以預先設定一些場景，通過一鍵完成場景設置。網絡控制層利用有線和無線網絡實現各個設備硬件的互聯。處理運算層是中控系統的中樞，系統所有的控制數據流、控制代碼、計算、存儲、輸入輸出信息都在該層完成。功能模塊層介于用戶設備層和處理運算層之間，包括調音模塊、調光模塊、紅外模塊、輸入輸出模塊和通信模塊等。用戶設備層主要指用戶購置的強弱電、影音、顯示、數碼設備等。

應急中心中央控制系統接入的受控設備包括聲音控制、燈光控制、窗簾、幕布、投影機、等離子屏、視頻矩陣、攝像機、DVD、機頂盒等，通過手持無線觸摸屏可以實現控制，操作人員坐在觸摸屏前，便可操作整個系統。

中控系統通過控制界面實現了設備間的通信和集中控制，其核心設備是中控主機，一般采用內嵌的處理器，可編程邏輯電路，提供RS－232接口、紅外發射接口和數字輸入輸出控制口，還包括繼電氣控制接口、網絡控制接口。中控一般都具備以下功能:具有良好的人機界面，可以迅速高效地控制應急中心的各種設備。具有多種控制接口，包括以太網、RS－232、RS－485、紅外、射頻等。中控系統支持多種信號源和多種顯示方式。

目前中控系統的主流產品都是將被控設備簡單地集成到一起，設備越多系統越龐大，只有專業人員才會使用這樣的系統。而且在應急指揮時，它需要同時實現多設備、多信號的控制，中控系統從邏輯上都無法實現。傳統中控系統的擴展性不強，如果要接入新設備，需要中控廠家對系統進行重新開發。筆者在使用過程中覺得中控系統不能預覽所操作的信號，使控制人員對操作效果無法控制;傳統的中控系統操作界面比較單一，基本上是多層菜單的形式，需要專業人員經過培訓才行，而且還缺乏并行處理能力，在進行特定場景設置時效率比較低，不能根據應急預案的要求，自定義批量操作，滿足應急指揮多、快、準的應用需求。因為硬件集成和操作設計上的局限，使依靠應急中心硬件系統本身，很難解決這些問題。為了解決這樣的應用困局，發揮應急指揮中心的真正價值，需要建設可視化的智能中控系統。

2 可視化智能中控系統

電力應急指揮涉及大量的信號接入，傳統的中控系統已無法完全滿足實際應用的需要。新的可視化智能控制系統整合了指揮中心的中控系統、大屏幕系統、視頻信息和計算機顯示信息，為突發事故應急提供一個現代化的平臺，提高應急指揮中心的運行能力，保證對突發應急事故的快速響應。因此，可視化智能控制系統應該具有以下7個特征:1)可視化智能中控系統不僅要對會場各設備實現集成，還要在不影響操作便捷性的原則下，發揮各個設備的各項功能;2)可視化智能中控系統要具備易擴展性。會場增加新設備時，非專業人員也能夠通過簡單的配置就將新設備接入控制系統;3)系統要能夠使控制人員在控制信號前，知道信號的狀態，比如投放某路視頻信號或者計算機信號前，能先預覽此信號是否正常，保證投放的準確性;4)系統必須是一個開放的系統。它不僅要能夠調用別的系統或者給別的系統發送命令，還要支持被別的系統調用。通過和其他系統的聯動實現使用者所需要的整體應用;5)系統能夠基于應急指揮的預案或者腳本，進行預定義模式，實現一鍵式信號的選擇、組織和展示功能;6)可視化智能中控系統將指揮中心及支撐設施形象化、直觀化，使操作人員能夠直觀的進行相關操作，不用具備專業的硬件知識;7)指揮過程硬件控制一體化，對指揮場景的多硬件實現聯動控制，減少演練過程中的設備控制人員，提高事件的快速響應能力，通過和各軟件系統的聯動，實現應急指揮中心應用軟硬件一體化。

為了實現項目的這些目標，可視化智能中控系統應該滿足3個可視化:1)是場景可視化，將整個控制室制作成為高仿真的3D場景，作為應用聯動智能控制系統的主要操作界面，通過鼠標和鍵盤實現對三維場景的視角變化操作。三維場景中的各設備通過操作，能夠根據各設備的情況進行相應的動畫，能夠直接在三維場景中對各可控設備進行操作，操作內容和設備的情況相符合;2)信號可視化，所有的信號包括計算機信號、視頻信號在控制端即可實現實時預覽，并可同時進行多路信號的預覽，信號可通過拖拽到三維場景實現投放。控制室的信號投放情況能在三維場景中實時看到;3)流程可視化，在電力公司中，大部分的應急處置都制定了相應的應急預案，應急演練也有詳細的應急演練腳本，所以可視化智能控制系統應將預案或者腳本以流程化的方式對應急處置或者應急演練過程予以展現和技術支持。

可視化智能控制系統采用3D虛擬現實技術，基于真實的環境仿真三維模型，作為應用聯動智能控制系統的主操作界面，通過服務器實現了多路視頻信號和計算機信號預覽，保證了投放信號的準確性，可視化智能控制系統通過程序實現對會場設備狀態的預定義，一鍵式調用，滿足會場的日常應用，系統將長時間的、復雜的控制過程預案化、流程化，實現一鍵式的流程控制。

3 可視化智能中控系統的結構及功能

可視化智能中控系統與傳統中控系統相比突出體現了可視化控制、智能化應用、良好的并發性、易于擴展和狀態預定義性。系統將整個控制設備及應用以分層結構予以邏輯化，整個系統邏輯分層如圖2所示。

圖2 系統邏輯分層

通過分層結構，能使系統適應絕大多數的控制室需要，并通過在各層的擴容或選擇來實現對具體某控制室的自定義化，以最優的效率來實現控制。

可視化智能中控系統的軟件結構分為4層，最底層是操作系統層，運行主流的操作系統，然后是存儲層用來存儲本地文件，平臺層是為整個系統提供框架支撐，包括開發所需的框架如 java，.net等，以及用于3D設計的VRML，3DMAX等。最上層是應用層，在這一層實現三維展示與控制、現場導播、預案管理以及系統維護。系統對各個被控設備建立基于功能特點的業務模型，設備的控制協議包含在這個模型里，基于這個模型，系統可以實現對設備的狀態判斷、定義和改變。在此基礎上，建立整個控制室狀態的業務模型，實現控制室狀態的預定義和執行。

軟件系統結構圖如圖3所示。

圖3 軟件系統結構圖

系統的三維可視化場景是系統信息的主要載體和用戶的主要操作界面，系統可采用3D MAX和Virtools技術[5]相結合的三維場景開發方法。應用3D MAX構建指揮中心的3D模型和3D場景，利用Virtools平臺的行為控制功能對指揮中心的3D模型進行動態交互。具體過程是先利用3D MAX創建指揮中心的三維場景模型，再利用MAX2Virtools導出插件將MAX下的模型導入到Virtools下，在利用Virtools下的行為控制模塊實現漫游功能，實現如行走、轉向、后退等操作，為用戶提供高度虛擬現實的三維操作場景。系統網絡層、應用層協議基于標準化的TCP/IP協議，數據基于本地存儲，采用XML文件形式存放;系統通過底層接口開發接入大屏幕系統，對其實現有效控制，系統需要配置高性能服務器，保證整個系統穩定運行。

可視化智能控制系統主要的功能有:

1)高仿真三維模型

三維指揮場景作為系統的主要操作界面，以虛擬現實的手段為用戶提供直觀的操作。三維場景可以根據用戶的需要改變觀察視角，系統支持通過三維場景中的設備模型對實際設備進行操作，三維設備模型與實際設備相對應，針對不同設備具有不同的遙控器可進行操作，同時具有設備信號源定位、拖拽投放信號等功能。

2)拼接屏管理

可通過可視化智能控制系統對大屏進行開關機控制，具有對大屏模式的管理功能，支持不同模式的自由編輯、保存、刪除，能夠快速調用模式，支持自定義臨時模式投放功能，可臨時定義模式進行自由投放，支持AV信號、RGB信號、網絡信號向大屏的投放，支持從信號源列表、預覽窗口、三維設備模型等多種方式向大屏投放信號，支持在三維大屏中對信號源進行圖像和文字查看。

3)設備控制管理

應用聯動智能控制系統可對應急中心內攝像機、視頻切割器、有線電視、DVD、RGB矩陣、視頻矩陣、視頻會議信號等多種設備或信號實行控制和投放，系統內置各設備控制面板，可直接對設備進行操作。可對接入RGB矩陣的工作站信號，以及接入視頻矩陣的視頻會議、有線電視等信號進行快速投放。

4)信號預覽

系統提供對視頻信號和RGB信號的預覽功能，能同時對多路視頻信號和多路RGB信號進行預覽，并且支持預覽窗口向輸出設備進行信號拖動投放。

5)場景快照管理

對于經常使用的會場模式，系統提供場景快照管理滿足應用需要。通過本功能將需要使用的會場各設備包括拼接屏、燈光、投放信號狀態保存下來，在使用時，直接調用需要的場景即可瞬間完成整個會場設置，能在多個場景快照間迅速切換，并提供場景快照的修改、刪除和預覽功能。

6)導播方案管理

導播方案管理可以實現流程化控制，該功能包括導播方案管理和導播流程圖管理。導播方案管理是根據實際需要對使用流程進行分類，在此基礎上進行流程設計，方便管理和使用。導播流程圖管理是根據使用的情況，將不同的場景以流程的方式編輯起來，等待正式使用時進行調用。

7)PPT應用聯動控制功能

應用聯動智能控制系統具備和其他應用系統的聯動功能，因為PPT是在會場常用的應用程序，所以將PPT應用聯動控制作為系統的標準功能之一。

通過PPT，能夠實現PPT和PPT聯動，PPT和信號聯動，PPT和場景快照聯動。

8)移動終端控制功能

為了滿足匯報、講解及日常應用的需求，可視化智能控制系統還具備了移動終端控制功能。通過移動控制終端，不僅能進行基本的如信號投放、設備控制、場景快照、導播流程功能，還通過和大屏的交互，實現大屏信號實時回顯、大屏圖像標注、大屏信號直接控制等功能。

9)系統維護管理

系統管理模塊能對系統的預案流程進行日志查詢，提供系統管理員對設備信號數據的維護管理功能。

10)信號源管理

信號源管理能對現有信號進行重命名、類別設置、分組管理等維護，可對新接入的信號進行添加和維護，并支持將場景內設備模型與實際信號進行關聯。

4 小結

會議中央控制系統將向著智能控制系統的方向發展，它將融合人工智能技術、神經網絡技術、虛擬現實技術等。中控系統首先應具有智能性，不但具有自動感應和聯動功能，還應具有設備偵測功能，能發現設備異常并及時告警。中控系統應具有更強大的通信功能和多種接口，可以根據現場實際情況進行組態，使擴展更加方便。為了便于控制人員操作應具有更加友好的人機界面和并發處理能力。中控系統是整個會議系統的控制中樞，必須具有很強的穩定性，系統的控制主機宜采用雙主控結構，具有雙機熱備的功能，保證系統長期穩定運行。同時中控系統可通過軟件對各受控設備定義保護程序，延長設備使用壽命，可對各類防盜、防火等系統作智能集中管理，一有報警信號，系統就可自動對受控設備作緊急處置。

[1]周明，蔣麗華，王東.多媒體教室中央控制系統設計[J].西南師范大學學報，2008，33(6):69－74.

[2]湯妟安，張鯤.大型多媒體中央控制系統的原理及應用[J].電子技術應用，2007(5):73－75.

[3]謝海嘯，王強.智能中控技術在視頻信息發布系統中的新應用[J].電視技術，2009，33(8):106－108.

[4]游海，楊濤，劉烽，等.基于場景的智能中控系統[J].中國科技縱橫，2011(2):16－17.

[5]胡珊，于光.基于3D和VIRTOOLS技術的物理虛擬實驗室架構設計[J].計算機工程與設計，2008，29(1):206－209.