變電站視頻監控系統三維智能布點軟件開發與應用

謝曉娜，常政威，馮世林

(1.成都信息工程學院控制工程學院，四川 成都 610225；2.國網四川省電力公司科學研究院，四川 成都 610072)

變電站視頻監控系統三維智能布點軟件開發與應用

謝曉娜1，常政威2，馮世林2

(1.成都信息工程學院控制工程學院，四川 成都 610225；2.國網四川省電力公司科學研究院，四川 成都 610072)

為了解決變電站攝像機的數量和安裝位置不合理、監控效果差等問題，基于三維虛擬建模技術，開發了變電站視頻監控系統三維輔助布點軟件。介紹了軟件的關鍵技術、接口和系統功能，將其應用于220kV茨巫智能變電站，驗證了系統的有效性。

變電站；視頻監控；三維；布點

0 引 言

國網四川省電力公司已建設省、地市、縣(僅成都市范圍內)三級變電站視頻監控主站平臺，覆蓋了所有35 kV電壓等級以上的變電站，建設規模在國內各省級電網公司中處于領先位置。變電站視頻監控系統在安全防衛、遠程巡視、在線監測、應急指揮等方面發揮了重要作用，隨著變電站無人值守模式的推廣，將在設備監控中發揮更大的作用[1-2]。

但現有變電站視頻監控系統通常存在以下主要問題[3-4]：1)攝像機安裝數量偏少，制約了系統的功能；2)變電站視頻監控系統中的攝像機布點不盡合理，部分重要場地、設備未覆蓋；3)在設計階段缺乏有效的攝像機布點手段。

為此，若在變電站中安裝攝像機等設備之前，制定好一個可行的布點方案，正確評估變電站中攝像頭的安裝數量、安裝位置、攝像頭攝像死角，并在計算機上進行模擬顯示和修正，具有十分重要的意義。針對以上問題，開發了三維輔助布點軟件，并應于新建的智能變電站中。

1 三維智能布點軟件

對于新建的智能變電站、已有的變電站視頻監控系統改造，可通過土建、一次設備、二次屏柜的設計圖紙，建立全站的三維場景模型，結合選用的攝像機類型參數，在布點軟件中呈現攝像機的虛擬安裝效果。

本軟件基于三維仿真的攝像機智能布點技術，選用Unity3D與Qt結合作為研發工具，選用AutoCAD 2014作為三維建模軟件。根據現有平面CAD圖，采用三維技術對變電站內所有建筑物、一次設備等場景進行建模，為三維虛擬布點提供基礎。

1.1 設計與實現

如圖1所示，變電站視頻監控系統三維智能布點軟件在設計和實現時分為6個模塊，下面逐一進行介紹。

1.1.1 模型導入

本軟件的輸入是變電站的精確比例三維場景模型，可采用以下幾種方式：

1)對于采用三維數字化設計技術的新建變電站，在電氣、結構、建筑等設計完成后，已得到全站精確的三維仿真模型；

圖1 系統總體結構

2)對于基于傳統二維平面設計的新建或在運變電站，可以利用二維CAD圖，合成三維CAD模型，從而得到其三維場景模型；

3)針對在運變電站，只有紙質的設計圖紙，或多次擴、改建后設計圖等信息不完整，可以利用現有三維掃描技術等技術對整個變電站進行整體掃描，得到相應的三維模型。

1.1.2 知識庫管理

根據無人值守變電站攝像機布點規則，在設計系統中建立、維護知識庫，指導、輔助設計人員及現場人員進行攝像機的虛擬安裝。知識庫通過指定布點優先級、實施優先級的范圍和各監控區域的攝像機數量和攝像機類型，為自動生成攝像機安裝方案提供依據。

知識庫首先包含了一次設備、二次設備和大門、圍墻等附屬建筑物的布點優先級和實施優先級。布點優先級從低到高分為1、2、3、4、5共5級。在生成攝像機安裝位置時，優先生成監控優先級高的設備的攝像機。實施優先級控制攝像機的預置位的轉動，從低到高分為1、2、3、4、5共5級。當同一個攝像機的多個預置位的監控設備同時要求調用預置位時，優先轉到實施優先級高的監控設備的預置位。

1.1.3 攝像機安裝方案生成

根據已有的規則知識庫定義，針對當前導入變電站模型場景，對于指定的監控設備進行監控方案的生成。在生成過程中，約束條件有攝像機數量和攝像機類型，攝像機類型主要指是槍機和球機。比如針對大門和圍墻，在考慮到監控對象的特性，一般使用不可旋轉鏡頭的槍機來監控，而對于像變壓器這種有改變監控視角的設備，則使用球機來監控。

根據現場實際需求，可以根據分辨率來選擇特定的攝像機，比如針對需要查看設備細節(變壓器油溫表)的，考慮到節約成本，以及重復利用現有設備的目的，可以選擇高清的球機來進行監控，這樣既可以滿足觀察變壓器全景的需求，又可以滿足旋轉和拉近鏡頭來觀察油溫表的需求。

在三維場景中，由于各個對象模型是和現實場景中的真實設備保持1：1的尺寸比例，并且相對位置與實際保持一致，所以在計算攝像機的安裝位置時，可以根據所監控一次設備的三維空間位置及其空間大小，同時通過計算攝像機視錐體的方式得到數個最佳監控點。在視錐體計算中，如果是相距很近的多個一次設備，則在計算時，在考慮攝像頭的焦距等條件下，盡可能的使用少的攝像頭，通過光線投影的方式，計算監控覆蓋盡可能多的一次設備；如果是孤立的一次設備，則在計算時，考慮使用盡可能靠近監控設備的方式，來滿足觀察需求。

當確定了攝像機安裝位置后，根據待監控目標的位置及其監控區域，計算攝像機相對于監控目標在三維坐標系中的二維水平旋轉角度和二維垂直旋轉角度。主要計算思路是：獲取待監控目標的三維模型，通過該模型在三維場景中的位置以及模型自身體積，計算模型的球型中心，以該球型中心與攝像機鏡頭在三維空間中連線，形成該三維空間中的空間矢量，該空間矢量為從攝像機鏡頭中心朝向模型的球型中心，最后通過計算空間矢量與變電站水平平面垂線的夾角，則可以得到相關攝像機的初始轉向參數。

圖2為根據選擇的規則庫自動生成的攝像頭觀察窗口。在三維場景中，以綠色高亮形象的顯示了監控攝像機覆蓋范圍，對比實際中，安裝攝像頭時無法直接判定攝像機監控范圍，這種在三維場景中的展現效果，更加直觀方便地對攝像機進行微調。

圖2 攝像機安裝方案實景展示圖

切換到二維平面顯示監控攝像頭安裝方案中攝像機的安裝位置，即各個攝像機的名稱、距離地面的高度，同時可以導出該二維平面圖，如圖3所示。

圖3 導出二維安裝方案圖

1.1.4 預置位生成

為了能夠顯示監控目標，并根據監控目標的位置自動生成攝像機預置位，使攝像機能夠快速、準確地轉到預置位，系統設計了預置位根據精確的三維空間信息自動生成功能。由此，可改進目前攝像機的布局都是先根據二維圖紙安裝，安裝好后再根據肉眼識別調整攝像機的預置位存在的靈活性差、準確性低、精度低等不足。

得到了攝像機的預置位角度、焦距之后。通過坐標轉換得到ONVIF協議坐標，可以批量導入到視頻監控系統平臺，實現預置位的同步。

ONVIF協議規定絕對坐標X值、Y值范圍為-1到1之間，分別代表攝像機的水平和垂直旋轉參數，而球機水平旋轉角度范圍和垂直旋轉角度范圍分別為0°到360°和-5°到185°，由此可以確定單位角度X參數的變化值為2/360°，單位角度Y參數的變化值為2/190°。ONVIF協議中對變焦參數Z的取值范圍規定為[0,1]，與攝像機的焦距有關。例如，攝像機的預置位水平、垂直旋轉角度分別為264°和78°，焦距為3.8。轉換為ONVIF協議坐標為(0.82,0.37,0.003)。

1.1.5 攝像機模擬

根據攝像機相關參數(感光器尺寸、焦距范圍等)，在三維場景中對攝像機的監控范圍進行模擬。支持手動部署攝像機安裝位置，模擬參數包括焦距、變倍、分辨率、旋轉角度、照度等。通過光學原理和攝像機參數分析并呈現虛擬攝像機照射范圍及攝像機監控范圍的示意圖，并可以進行虛擬云臺控制、添加預置位。

攝像機模擬通過在三維場景中對真實攝像機進行模擬，通過變倍、PTZ調整等操作，可以得到最佳的攝像機監控角度。

1.1.6 三維仿真巡檢

根據現場實際需求，在知識庫中選擇不同的規則，生成攝像機安裝布點方案后，所展現的是以攝像機為主體，調整新增預置點，這樣雖然能全面的展現出當前方案下所有攝像機的觀察情況，但是針對某一個重點監控對象卻無法做到全方位的觀察，不能直觀的檢測到該監控對象是否滿足監控需求。

為此，引入三維仿真巡檢，以巡檢人員的巡查習慣來檢測攝像機安裝布點方案是否合理，同時可以根據需要重點監控的對象，形成新的一套巡檢線路，對重點監控對象形成全方位的監控展現效果。

通過三維仿真巡檢，可以輔助彌補自動生成方案的不足，使方案對變電站的監控更加的合理、全面。同時，使用本高級功能，也可用于設計機器人巡檢的最佳巡視位置和其攝像機設置。

1.2 接口方案

攝像機位置是三維智能布點軟件最重要的成果，現場安裝調試人員可根據導出攝像機位置進行實際攝像機的安裝部署，也可將攝像機位置導入其它系統進行處理和展示。

攝像機位置導出分為兩個部分，一是相對于變電站大門中心點的坐標位置和攝像機的安裝角度，二是攝像機自身所在平面的圖片文件。

攝像機位置導出接口包括ID、攝像機編碼、攝像機型號、X軸坐標、Y軸坐標、Z軸坐標、水平角度、垂直角度和圖片文件名稱。X、Y、Z坐標位于以大門中心為坐標原點，以大門水平垂直方向為X軸，與地面垂直方向為Y軸，與大門水平平等方向為Z軸的空間坐標系中。

1.3 系統功能

三維智能布點軟件具有以下功能：

1)按現實世界中的真實場景，建立目標變電站內的各種工作場所及周邊環境、生產運行及輔助設備等三維模型；

2)實現在三維場景及設備3D導航表中向用戶實時展示設備關鍵運行狀態、運行數據及告警信息，同時用戶可以使用系統提供的設備控制面板對當前選擇設備進行遠程控制；

3)建立一套基于設備優先級的布點知識庫，布點知識庫包含了攝像機焦距與視角的關系、焦距與可視距離的關系等相關規則。通過布點知識庫，系統可以根據監控對象自動計算出攝像機的安裝位置、焦距等信息，并可以生成預置點。

2 實驗結果

本軟件已應用于“電力天路”工程220 kV茨巫智能變電站。茨巫變電站為GIS站，變壓器 1個，220 kV設備區域共12個GIS間隔。

如表1所示，根據茨巫變電站視頻監控設備型號和數量，將攝像機詳細參數錄入布點軟件，設置知識庫優先級。

表1 攝像機類型、參數分類表

茨巫站圍墻周長大約為414 m，而鏡頭為 1/3 CCD的槍機的鏡頭最遠照射范圍為70 m左右。

根據已設定規則及現場實際情況，系統生成布點方案。在攝像機安裝之前，根據無人值守變電站的視頻監控需求，采用本布點軟件進行了虛擬布點，指導了攝像機安裝位置的比較和選擇。

經過系統比對，本系統生成的安裝方案只需要2個攝像頭就能完成全景監控，為原方案節約了成本。系統生成的方案，可隨意根據預置位調整攝像機的安裝位置。

應用本布點軟件，達到了如下效果：

1)利用該系統安裝設備，可以大大縮短施工時間，跟以往安裝進度比較，可縮短50%的時間；

2)布點方案經過該系統優化以后，比以往經驗安裝節約成本，就本次安裝情況而言，比原計劃少安裝1個高清攝像頭；

3)布點方案在同等監控設備的情況下，給出的方案監控范圍有明顯提高；

4)布點位置符合國網四川省電力公司現有布點技術規范，滿足了無人值守變電站遙視需求，特別有利于培養視頻監控系統設計、安裝、運維新人。

3 結束語

針對變電站視頻監控攝像機存在數量和安裝位置不合理、監控效果差的問題，開發了三維智能布點軟件，并應用于220 kV茨巫變電站。

應用結果表明，布點軟件提高了變電站視頻監控系統設計、安裝的效率及準確性，并保障了系統的建設質量，對無人值守變電站的遠程監控提供了有效的手段。

下一步，將研究如何針對變電站智能輔助控制系統的動力環境、安防等子系統進行三維輔助設計。

[1] 趙樂.關于變電站視頻監控系統若干問題的探討[J].中國電力教育，2011(24):148-149.

[2] Z.W. Chang, D.S. Cai, W Zhen and Q Huang. Design and Implementation of a Measurement System for Power Station Video and Environment Surveillance System [J]. International Journal of Smart Grid and Clean Energy,2014,2(4): 221-227.

[3] 趙貴中，王克英.電力系統遠程無線視頻監控系統設計[J]. 工礦自動化，2007(4):56-58.

[4] 孫鳳杰，崔維新，張晉保.遠程數字視頻監控與圖象識別技術在電力系統中的應用[J]．電網技術，2005，29(5):81-84.

In order to solve such problems as unreasonable number or installation of cameras, and poor monitored effect of video monitoring system in substations, a three-dimensional layout design software is developed. The key techniques, interface and functions of the proposed design software are introduced. The application to 220 kV Ciwu smart substation verifies that the design is effective and reasonable.

substation; video monitoring; three-dimensional; layout

國網四川省電力公司研究開發項目 (52199713506H)

TP391

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1003-6954(2015)03-0008-04

2015-03-31)