三維場景信息通信運行監(jiān)視管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

呂 磊，吳 紅，張 慶，徐 智，朱 敏

國網(wǎng)眉山供電公司，四川眉山 620010

三維場景信息通信運行監(jiān)視管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

呂 磊，吳 紅，張 慶，徐 智，朱 敏

國網(wǎng)眉山供電公司，四川眉山 620010

基于三維虛擬現(xiàn)實的展示方式，在三維環(huán)境中以虛擬現(xiàn)實的方式來展示傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提供一個更加貼近現(xiàn)實場景的操作環(huán)境，進一步提升操作體驗，從而極大的提高機房監(jiān)控管理的人性化、真實化。

虛擬現(xiàn)實；三維環(huán)境；機房監(jiān)控管理

1 研究背景和目標

1.1 背景

隨著信息化的建設的快速發(fā)展，信息設備的大量投入，信息中心對機房管理采用值班制度，每天要不時對機房、UPS等重要環(huán)境進行巡視，不僅加重了管理的負擔，而且對夜間及突發(fā)事故往往無法進行監(jiān)控，對事故發(fā)生時間及責任也沒有科學的管理；更缺乏對已發(fā)生的故障做全面的分析數(shù)據(jù)。

自2012年以來，按照國家電網(wǎng)公司“三集五大”建設工作要求，公司本部及所屬各單位組織機構及人員進行了較大的調整。公司在企業(yè)文化、工作業(yè)績、工作情況方面進行總結、宣傳的內容變化較大，調整的頻率加快，而現(xiàn)有展示系統(tǒng)中的展示內容、展示方式還有待提高，未能跟上現(xiàn)有建設步伐，因此考慮進行國網(wǎng)眉山供電公司信息展示系統(tǒng)維護項目實施，一方面對展示系統(tǒng)展示內容、展示方式進行補充、更新，同時提出基于三維虛擬現(xiàn)實的展示方式，在三維環(huán)境中以虛擬現(xiàn)實的方式來展示傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提供一個更加貼近現(xiàn)實場景的操作環(huán)境，進一步提升操作體驗，從而極大的提高機房監(jiān)控管理的人性化、真實化。

1.2 目標

采用away3d3D、 Robotlegs、 3Dmax2013、MAYA2013、PhotoshopCC、Adobe Air、PHP 等成熟可靠的三維建模與WEB技術為基礎，按照信息展示系統(tǒng)的特點劃分模塊和層次，既符合機房監(jiān)控管理業(yè)務的要求，同時保證在軟件功能方面是易實現(xiàn)、易維護、易擴充性，提供一個更加貼近現(xiàn)實場景的操作環(huán)境，進一步提升操作體驗，從而極大的提高機房監(jiān)控管理的人性化、真實化。

圖1 系統(tǒng)架構

2 研究方法和內容

2.1 系統(tǒng)架構設計

2.1.1 系統(tǒng)邏輯架構

整個系統(tǒng)劃分為3D應用場景、系統(tǒng)管理平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3D場景系統(tǒng)是根據(jù)真實場景試試呈現(xiàn)的系統(tǒng)，其中的3D模型場景貼圖等數(shù)據(jù)是真實場景的對象；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)當前機房的真實數(shù)據(jù)的狀態(tài)采集；系統(tǒng)管理平臺提供基礎數(shù)據(jù)的錄入和管理。

3D應用場景框架采用了AS3、XML、HTTP、Away3d、AwayBuild、PHP等成熟可靠的AIR與WEB技術為基礎，按照系統(tǒng)的特點劃分模塊和層次，既符合機房的實時監(jiān)控的要求，同時保證在軟件功能方面是易實現(xiàn)、易維護、易擴充的。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過與第三方網(wǎng)管系統(tǒng)、環(huán)控管理平臺等系統(tǒng)進行對接，在設計上充分考慮了可擴展性及簡單性。同時，對顯示界面和后臺層使用統(tǒng)一的接口，大大提高了系統(tǒng)維護的容易度。

2.1.2 系統(tǒng)技術體系架構

系統(tǒng)采用了away3d3D引擎以及robotlegs依賴注入框架完善而成的標準MVC框架技術。

數(shù)據(jù)接口采用Restful風格的Web Serivce技術。

系統(tǒng)采用PhotoshopCC進行設備三維界面貼圖的制作。

管理系統(tǒng)采用PHP實現(xiàn)系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)的顯示和管理。

2.1.3 系統(tǒng)關鍵技術

1）自動尋路技術。

自動尋路系統(tǒng)是一套在3D場景中漫游的系統(tǒng)，達到了根據(jù)機房的構架實現(xiàn)3D系統(tǒng)中的漫游，在設計上充分考慮了簡易的操作性及簡單性。同時對3D系統(tǒng)的觀看性提供了最便捷的查看。

3D信息系統(tǒng)涉及信息設備數(shù)據(jù)收集與分析、狀態(tài)評估、信息查詢等眾多功能。考慮到采集的監(jiān)控指標數(shù)據(jù)的復雜性、多樣性，業(yè)務的變化性必然導致在系統(tǒng)的使用過程中會有部分原有功能的調整以及新增功能的補充，因此建設的平臺必須具有可擴展性，系統(tǒng)框架具有彈性，各功能模塊之間具有低耦合性。

2）采用away3d3D引擎。

易于擴展和維護。其中Away3D是flash或flex上的一個功能強大且實時的3D引擎，具有快速、高效、API清楚等優(yōu)點。但是三角型消失的問題讓人頭疼。away3d世界由：view 視口、scene 場景、camera 攝像機和3D物體四部分組成，也稱Away3D的四大基本構件。這是整個3D的核心引擎。

3）Robotlegs注入框架。

這是一個用來開發(fā)Flash， Flex， 和 AIR應用的純AS3 微架構(框架). Robotlegs 專注于將應用程序各層排布在一起并提供它們相互通訊的機制. Robotlegs試圖通過提供一種解決常見開發(fā)問題的經(jīng)過時間檢驗的架構解決方案來加速開發(fā). Robotlegs 無意鎖定你到框架， 你的類就是你的類的樣子， 而且應該很容易地切換到其他框架.框架提供一個基于 Model-View-Controller元設計模式的默認實現(xiàn). 這個實現(xiàn)提供一個針對應用程序結構和設計的強烈建議. 雖然它確實輕微減低了你的應用程序的便攜性， 不過它依然以最低限度影響你的具體類為目標. 通過擴展 MVCS實現(xiàn)類，你可以獲得很多有用的方法和屬性。

4）3D模型建模與貼圖技術。

3D模型的建立采用3Dmax2013、MAYA2013、Google SketchUp 等軟件制作，采用國際統(tǒng)一的obj模型格式，模型貼圖采用PhotoshopCC，做成PNG格式。3dmax處理為每一個模型對應的UV貼圖確保每一個模型貼圖之后的高清呈現(xiàn)。

貼圖制作采用了PhotoshopCC制作工具，是由Adobe Systems開發(fā)和發(fā)行的圖像處理軟件。Photoshop主要處理以像素所構成的數(shù)字圖像。使用其眾多的編修與繪圖工具，可以有效地進行圖片編輯工作。ps有很多功能，在圖像、圖形、文字、視頻、出版等各方面都有涉及。 2003年，Adobe Photoshop 8被更名為Adobe Photoshop CS。2013年7月，Adobe公司推出了最新版本的Photoshop CC，自此，Photoshop CS6作為Adobe CS系列的最后一個版本被新的CC系列取代。

5）3D模型與貼圖的內存優(yōu)化。

由于顯卡的渲染關系，模型與貼圖的渲染導致內存偏高一直是3D引擎占內存的主要因素，本系統(tǒng)通過最優(yōu)化的算法將貼圖與模型的渲染速度大大提升，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源管理，節(jié)約內存的同時提高渲染速度。

2.2 平臺功能設計

電力信息機房三維信息展示系統(tǒng)主要是開發(fā)一套基于三維場景的機房監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括設備管理、環(huán)控設備管理、三維場景展示、自動巡檢、數(shù)據(jù)展示、實時報警、空間統(tǒng)計、狀態(tài)采集等模塊的系統(tǒng)。

2.2.1 管理系統(tǒng)

1）機柜管理模塊。

機柜管理模塊是為三維場景提供機柜基礎信息的管理模塊，提供機柜列表、機柜的添加、編輯、刪除等功能，

機柜信息包含：機柜名稱、機柜所在行和所在列等基礎信息。

2）設備管理模塊。

設備管理模塊主要提供信息設備的管理，包括：主機設備、網(wǎng)絡設備、存儲設備等設備的列表、添加、編輯、刪除、查詢等功能。

設備管理對設備的基礎信息進行維護，基礎信息包括：設備ID、設備標簽、排、列、層、設備類型、設備3D模型、設備IP、掩碼、系統(tǒng)名稱、系統(tǒng)描述、狀態(tài)描述、運行時間等內容。

3）環(huán)控設備管理模塊。

環(huán)控設備管理模塊主要提供環(huán)控設備的管理，包括：UPS、溫濕度探測儀、空調等設備的列表、添加、編輯、刪除、查詢等功能。

環(huán)控設備的維護基礎信息包括：節(jié)點編號、設備名稱、設備類型、設備位置參數(shù)等內容。

4）設備類型管理模塊。

設備類型管理模塊提供對設備類型的基礎信息進行維護，包括對設備信息的列表、新增、編輯和刪除等功能。

設備類型的基礎信息包括：類型編號、設備類型名稱、是否為系統(tǒng)預定義等內容。

5）設備模型管理模塊。

設備模型管理為三維場景提供了設備模型管理和擴展功能，通過對設備模型的維護，實現(xiàn)場景內不同類型設備對應不同的模型，并可在新增加了設備類型后，能夠方便的為設備進行模型維護。

設備模型管理包括對模型的列表、添加、編輯和刪除等操作。

設備模型維護的基礎信息包括：模型名稱、圖片路徑、obj路徑等內容。

6）角色管理模塊。

角色管理模塊是提供維護系統(tǒng)角色和權限配置的功能，包括用戶角色列表、用戶角色添加、用戶角色編輯、用戶角色授權、啟用或禁用用戶角色、列出角色下的用戶等功能。

用戶角色基礎信息包括角色組名、上級組、組狀態(tài)（啟用/禁用）等基礎內容。

7）用戶管理模塊。

用戶管理模塊提供維護系統(tǒng)管理員用戶的功能，包括對用戶的列表、添加、編輯、刪除、修改密碼等操作。

用戶基礎信息包括：用戶名、昵稱、密碼、狀態(tài)（啟用/禁用）等內容。

2.2.2 三維展示系統(tǒng)

1）機柜可視化模塊。

通過機柜基礎信息，結合三維建模技術，將機柜模型展示到三維場景中，機柜的位置、形狀、名稱等信息，均與實際機房內的機柜信息保持一致。

機柜的數(shù)量、位置信息、名稱等內容，均可根據(jù)實際情況的變更，通過管理后臺進行更新，更新后的數(shù)據(jù)，自動更新到三維場景中。

2）設備可視化模塊。

通過設備可視化模塊將主機設備、網(wǎng)絡設備、存儲設備、UPS、空調、攝像頭、溫濕度探頭等設備，通過三維建模技術，將設備按照設備實際位置放置到三維場景中。

設備可根據(jù)實際情況的變更，通過管理后臺進行更新，更新后的數(shù)據(jù)，自動更新到三維場景中。

3）故障報警模塊。

系統(tǒng)信息狀態(tài)采集模塊每5分鐘向網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)起一次設備狀態(tài)采集，發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)故障報警后，將故障通知到三維場景內，三維場景通過列表、圖形、聲音等方式進行報警。

4）狀態(tài)展示模塊。

系統(tǒng)信息狀態(tài)采集模塊每5分鐘向網(wǎng)管系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)發(fā)起一次設備狀態(tài)采集，并將采集的設備狀態(tài)信息，使用圖形和文字展示到三維場景中的設備控制面板上。

狀態(tài)展示包括主機設備運行狀態(tài)、網(wǎng)絡設備運行狀態(tài)、UPS運行狀態(tài)、溫度探測點溫度和濕度、空調溫度等設備狀態(tài)。

5）機房巡檢模塊。

通過在三維場景中進行自動漫游功能的設計，達到模擬現(xiàn)場人員機房巡檢路線及巡檢過程，及時反饋巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題，減少工作人員現(xiàn)場巡檢的次數(shù)。

6）空間統(tǒng)計模塊。

系統(tǒng)根據(jù)機柜、設備數(shù)量等信息，統(tǒng)計分析出空間占用情況，并用餅圖、文字、列表等形式進行在三維場景中展示，為管理人員對空間的使用情況更直觀的了解。

7）設備快速定位模塊。

系統(tǒng)可通過設備名、設備Ip、設備描述、設備故障情況等方式，搜索設備并實現(xiàn)設備快速定位，讓管理人員能快速找到設備并了解設備的運行狀態(tài)。

2.2.3 信息狀態(tài)采集模塊

信息采集模塊根據(jù)設備基礎信息庫中的設備信息，主動向網(wǎng)管系統(tǒng)、環(huán)控管理系統(tǒng)等第三方平臺發(fā)起狀態(tài)采集，并將采集后的數(shù)據(jù)，進行整理后分類存放，并提供給三維展示平臺，對相應的數(shù)據(jù)進行展示。

3 研究成果及應用

3.1 研究成果

3.1.1 建立了數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境模型

完成了數(shù)據(jù)中心機房四周環(huán)境（墻壁、地面、天花板）建模、機柜建模、設備（小型機、交 換機、PC、存儲、服務器）建模、重要監(jiān)控設備（監(jiān)控探頭、溫濕度、煙感探測器）的建模工作。

3.1.2 實現(xiàn)了監(jiān)控信息在三維場景中的集中呈現(xiàn)

1）建立了監(jiān)控信息采集程序。

采集程序采集各信息設備工作狀態(tài)，經(jīng)過轉換和存入共享數(shù)據(jù)庫。

2）實現(xiàn)了監(jiān)控信息投射到三維場景中。

將信息設備和環(huán)控設備的監(jiān)控信息通過數(shù)據(jù)接口傳入三維場景中，實現(xiàn)監(jiān)控信息實時展示。

3.1.3 實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)中心場景控制及交互控制功能研制

建立了合理優(yōu)化的場景管理控制機制，支撐模型在場景中的移動、空間定位、交互漫游、拾取控制、屬性信息顯示功能。

3.1.4 實現(xiàn)了IT資產(chǎn)可視化管理

實現(xiàn)了三維環(huán)境中通過鼠標點擊實現(xiàn)機房、機房子區(qū)域、機柜、設備的分級直接瀏覽；當上架設備物理位置發(fā)生變化時，設備位置根據(jù)數(shù)據(jù)庫變化自動變更。用戶也可通過維護工具自行調整；實現(xiàn)機房可用性動態(tài)統(tǒng)計，包括空間可用性、用電量分布、溫濕度分布情況和機房承重分布情況統(tǒng)計。

3.1.5 實現(xiàn)了機房環(huán)境監(jiān)控可視化管理

實現(xiàn)了在三維環(huán)境中以虛擬現(xiàn)實的方式來展示溫度、濕度、用電量、煙感等已有監(jiān)控對象信息，采用布告板形式展示主要信息，采用具有透視效果表格展示其余詳細信息。

3.1.6 實現(xiàn)了統(tǒng)計可視化管理

實現(xiàn)了通過樹形數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和三維場景展現(xiàn)兩種方式同時表現(xiàn)機房和機柜整體使用情況，對于已用空間和可用空間進行精確統(tǒng)計和展現(xiàn)。

3.1.7 實現(xiàn)了巡檢路線設置與實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)中心巡檢路線要求，實現(xiàn)了預設和自定義設置虛擬空間巡檢路線的功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)機房自動巡檢功能。

3.2 成果應用情況

1）研究開發(fā)的階段性成果在項目的后期建設中得到了應用。設計的信息展示系統(tǒng)在實際的信息機房巡檢、預警等機房監(jiān)控管理方面中得到應用。

2）信息展示系統(tǒng)在三維環(huán)境中以虛擬現(xiàn)實的方式來展示傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提供了一個更加貼近現(xiàn)實場景的操作環(huán)境，進一步提升操作體驗，從而提高機房監(jiān)控管理的人性化、真實化。

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A

1674-6708（2015）148-0136-03