基于VR的變電站智能巡檢場景研究與設計

魏 焱

(廣東電網公司 電力科學研究院，廣東 廣州 510080）

隨著電網規模越來越大，結構越來越復雜，無人值守的變電站數量越來越多，電網對信息系統的依賴程度越來越強。而與此同時，各種信息系統按照業務線進行建設，系統之間缺乏必要的聯系。傳統的監測系統缺少直觀有效的方式顯示海量、復雜的信息，缺少有效的可視化手段對各種監測數據進行高效的展示[1]。而一般的二維GIS系統只能對變電站總體狀態進行展示，既無法滿足變電站設備級的精細化管理要求，又不符合業務人員巡檢變電站的實際應用。

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上，依靠虛擬現實（VR）技術，給出了將三維模型漫游與現場機器人巡檢結合的應用場景設計方案，即在三維模型中實時動態地顯示機器人的現場位置、真實視頻、設備熱缺陷告警、設備異物識別告警、設備異常聲音告警等視聽覺類監測信息，并通過三維控制器實現真實環境與虛擬環境的同步操作，達到虛實結合、人機交互的效果。在信息展示方面，打破以往巡檢時業務人員查詢多個信息系統的模式，而是以設備為單位，將與該設備有關的基礎數據和監測數據集中起來[2-5]，統一進行展示，再結合機器人現場采集的信息，通過雙屏互動等可視化載體進行呈現，達到了優于現場巡檢的用戶體驗效果。

1 虛擬現實技術

虛擬現實（Vinual Reality，VR）技術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境中的顯示和控制技術，它采用計算機發展中的高科技手段構造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現實世界一樣的感覺，它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支。虛擬現實系統就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統生成的虛擬世界。[6-8]

變電站智能巡檢場景設計就是依托變電站精細化三維建模，利用虛擬現實技術，使業務人員能夠在虛擬變電站中進行漫游，遵照現場巡檢的習慣，在變電站模型中對每個設備進行查看，同時將與該設備的基礎數據、監測數據等信息實時動態的呈現出來，輔助巡檢人員發現缺陷、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

根據實際應用對電網設備精細化程度的需求，可將電網設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，具體內容如表1所示。

3 智能巡檢場景的研究與設計

3.1 場景總體設計

變電站智能巡檢場景主要分為兩部分，包括虛實結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，實現虛實結合、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 智能操控設計

虛實結合的智能操控是研究變電站機器人智能巡檢與仿真技術的融合協同，即在現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，實現機器人仿真環境與現場環境的完全協同。如圖2所示，通過三維控制器發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場環境的采集信息融合展示、疊加分析等應用提供了基礎。

3.3 智能展示設計

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境中巡檢時集成的設備實時運行數據、狀態監測、事件信息、環境信息、臺帳信息等數據進行展示，同時也展示巡視機器人捕捉到的真實視頻，現場采集到的設備熱缺陷告警、設備異物識別告警、設備異常聲音告警等視聽覺類監測信息。通過兩種信息的疊加處理與分析，使業務人員能夠更加精準、實時、真實、沉浸式的監測變電站狀態，達到協同工作的目的。

圖1 變電站智能巡檢場景

圖2 智能操控功能圖

1）數據源層描述了可視化場景所需要訪問的數據來源，主要包括生產系統、EMS、在線監測系統、GIS系統、視頻監測系統、氣象系統等。

2）數據層描述了展示平臺與不同數據源之間的數據傳遞、轉換、凈化和集成機制。可視化場景所需要使用和管理的數據，包括內部數據和外部數據兩類。其中，內部數據是指直接取自公司相關業務系統的數據，具體包括臺帳數據、實時數據、監測數據、視頻數據等。外部數據是指取自外部數據源的數據，例如微氣象等。數據源層提供的數據在數據層分成了關系型數據、實時數據、空間數據、非結構化數據共四類數據，數據架構如圖3所示。

圖3 變電站智能巡檢數據架構

3）業務應用層從“全景查看”、“任務管理”、“路線設定”、“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計方面，為了便于用戶從海量的監測數據中獲取關鍵的信息，我們按照層次關系將指標體系分成了三級，分別是變電站整體健康狀況、各類變電設備健康狀況和某類變電設備詳細健康狀況。當展現信息時，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）可視化展現層描述了對展示內容、展示方式和展示形式的控制和管理。應用展現層主要實現應用內容用適當的展現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計

表2 可視化場景終端展示方案

4 實現智能巡檢場景所需的關鍵技術

通過智能巡檢場景的設計，本文還給出了以下幾個關鍵技術的實現方案，最終達到從輔助巡檢業務向輔助狀態評估的高級應用轉變。

4.1 真虛實時交互及運動控制技術的研究

變電站機器人智能巡檢與仿真技術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、分發各個環節的信息通信打通。此外，還需要研究并驗證運算速度和精度、前續預處理系統和后續信息識別系統的接口性能、不同技術和方法的協調能力、以及對信息樣本的智能識別等技術點。并將交互控制融合算法應用于變電站智能巡檢，從而響應用戶的操作，達到虛實結合的體驗。同時為了提高虛擬場景的“沉浸”特征和“交互”特征，通過控制預測圖象的生成來表現對設備的運動控制，預測圖象間的過渡畫面的幀數在系統初始化中被設置成恒定的值，來保證系統顯示畫面的穩定性。

4.2 多種信息實時同步和融合的研究

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

4.3 可視化展示技術研究

可視化技術在電網數據顯示、運行安全狀態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技術，可以打破數據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計采用雙屏互動的實現技術，在硬件上采用霧化玻璃全息衍射與納米觸控膜技術相結合的實現方式，能夠給生產運行提供更智能化的實時監測模擬預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，確保巡視員對設備進行全方位無視差的監測，變電站巡檢自動化水平和檢測準確性提供了創新型的可視化展示技術手段，對于提高電網運行可靠性具有重要意義。

4.4 輔助決策的智能分析技術研究

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

1）實時數據展示。在仿真環境中定位某一設備時，該設備的實時運行數據、狀態監測、事件信息、環境信息、臺帳信息等真實信息可直接在該虛擬設備上直觀展現。

2）實時圖像數據監控。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，實現操作人員的后臺巡視及實時檢測數據的存儲。

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

4）設備高級分析。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）相結合，對實時傳回現場的采集數據，進行設備熱缺陷告警、設備異物識別告警、設備異常聲音告警等高級應用與分析。

5 結語

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

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