VRIC
——基于VR與Iot的智慧管控新模式

孫浩鵬，徐學東，孫海波

(1.長春工程學院計算機技術與工程學院，長春130012；2.長春工程學院機電工程學院，長春130012； 3.長春工程學院審計處，長春130012)

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VRIC
——基于VR與Iot的智慧管控新模式

孫浩鵬1，徐學東2，孫海波3

(1.長春工程學院計算機技術與工程學院，長春130012；2.長春工程學院機電工程學院，長春130012； 3.長春工程學院審計處，長春130012)

為解決目前視頻監控無法到達的地下管線等工程環境的可視化管控問題，分析了目前虛擬現實技術(VR)、物聯網技術(Iot)的應用現狀及工程應用推廣的瓶頸，探討了相關問題。在此基礎上提出了一種虛擬現實與物聯網結合的智慧管控新模式，給出VRIC的定義，并提出一種體系結構，列舉了實施這種管控模式的關鍵技術。最后以城市地下管道可視化智慧管控為例進行講解。

虛擬現實；物聯網；可視化；智慧管控

0　引言

2016年之所以被稱為VR(Virtual reality)元年[1]，是因為虛擬現實已經在以房地產行業、虛擬旅游、游戲、工業設計等為代表的各種應用模式支撐下迅速成為目前市場的熱響應模式，在各種虛擬現實引擎的支持下快速推動社會發展和進步。VR即虛擬現實，起源自美國20世紀中期，20世紀80年代，由美國宇航局(NASA)和國防部組織了一系列VR技術研究項目，且取得了豐碩成果。國內虛擬現實技術近幾年在地下工程方面也得到了蓬勃發展，劉培根于2016年1月開發了基于網絡的數字管網三維可視化管理平臺[2]，2016年6月，趙志強等[3]利用虛擬仿真技術建立礦井巷道虛擬系統，張鵬程等[4]在2016年7月開發了城市地下管線三維建模工具等。

2005年11月17日，國際電信聯盟發布的《ITU互聯網報告2005：物聯網》給出了物聯網(Internet of Things)的定義和范圍。報告指出物聯網是指通過RFID、紅外感應、定位系統、掃描等信息傳感設備，按規定協議把物品數據與互聯網連接。2012年，黃來源等[5]人提出了基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統，2013年李玉等[6]發表了基于物聯網技術的地下管線智能管理系統設計構想，2014年王靜遠等[7]對以數據為中心的智慧城市進行了研究綜述。由文獻[7]可知智慧城市是科技部863計劃中的指定項目，并且項目總體組提出了六橫兩縱的智慧城市技術框架，并以數據的獲取作為整個智慧城市理念的支撐，處理數據、分析數據作為核心技術，從而為城市提供各種服務。物聯網作為數據獲取的最前端技術，目前已經發展出了多種模式的傳感器。

由上述分析可知，虛擬現實和物聯網技術的實現大大彌補了傳統視頻監控無法安裝和到達的地下等特殊環境的可視化管控的空白。在目前推廣的智慧城市項目中，地下管線的數據測量和智能管理等已經成為重中之重，一個沒有可視化智慧管控的地下管線管理系統的平臺是沒有資格稱之為智慧城市的。

近年來盡管取得了一些成果，但是目前的地下工程虛擬系統只是停留在三維建模和虛擬演示階段，無法有效讀取各種管線數據，更無法操作和控制各管網關鍵關節。地下管線分布復雜并縱橫交錯，現有層級管網的監測數據還停留在二維層面，不僅無法有效指揮施工單位，也無法對各種數據進行統一管理。所以對地下管線空間關系進行管理是地下管線數據管理的前提，三維可視化是未來所有行業管理的趨勢。

本文針對此種情況，利用目前虛擬現實的廣泛應用和物聯網快速發展的契機，提出一種虛擬現實與物聯網結合的新模式，專門針對視頻監控無法到達的地下工程環境，實現智慧管控，在三維可視化、數據采集、關節控制等方面進行了討論，為開展大規模的智慧城市地下管線三維可視化管理提供一種參考。

1　VRIC的基本概念

1.1VRIC的定義

VRIC，基于VR與Iot的智慧管控模式，是指在控制端利用虛擬現實引擎實現各種設備、管線的可視化管理，在被控制端利用物聯網技術即時采集各設備端數據，同時可以利用相關技術進行自動或人工遠程控制和操作的一種模式。

VRIC模式將現有的虛擬現實、物聯網、自動化控制等技術互相結合，實現各種工業設備、地下管路等傳統視頻無法到達的環境，即是三維可視化，并且可以實現通過智能分析所獲取的海量數據的管理和使用，為遠程操作提供依據，為智慧城市項目提供安全可靠的基礎服務。

1.2VRIC與現有物聯網體系、虛擬現實技術的區別

VRIC與現有的物聯網體系、虛擬現實技術等相比，有很明顯的區別。

1)當前的物聯網系統強調的是信息的獲取，在數據傳輸方面，其主要方式是單工通道，用戶是無法在控制平臺對設備進行控制和整合的，現有的物聯網設備每一個都是獨立系統，例如溫度傳感器和濕度傳感器就是完全不相干的兩個獨立系統，都需要專用線路或者獨立的無線射頻頻段才可以，極大地限制了對各種關鍵設備的管控的大范圍推廣。而本文提出的智慧管控模式不僅可以隨時采集信號，更重要的是通過改造現有設備，設計出采集控制于一體的專用終端，使得管理者可以通過分析采集到的數據，人工或者智能化地直接控制終端。

2)現有虛擬現實系統強調的是人在環境中的真實性，針對工業設備內部或者地下管線等無法利用衛星地圖的特殊環境都需要人工建模，即使有團隊制作了可以自動化建模的軟件，也只是針對某個特殊單一的情況。除了三維模型的構建以外，現有的虛擬現實系統更多的是強調三維引擎的各種功能，強調人的感官和人對環境的視角控制。本文提出的智慧管控模式在三維可視化方面強調人對設備的控制，例如，管理端屏幕上出現地下燃氣管道的泄漏現象不僅由現場物聯網設備采集的數據來激活，而且泄漏的數量在控制端也實時可見。泄漏時關節閥門在智慧管控平臺控制下自動關閉，在關閉的過程中閥門的開度也是由事故現場的數據得出的。

2　VRIC的工作平臺和體系結構

2.1VRIC的工作平臺

本文提出的VRIC工作平臺不僅包含傳統的虛擬現實和物聯網，也包括數據庫、互聯網、軟件工程等相關專業內容，如圖1所示。一個可以滿足客戶三維可視化的智慧管控項目至少需要4個專業部門的通力合作。在數據獲取階段可采用現有物聯網技術，數據采集后要利用數據庫進行分析，利用人工智能來滿足客戶，對行業的專業要求，利用可控設備對需求中的關鍵控制點進行改造，同時，遠程的可控端的一舉一動都通過虛擬現實技術即時展現出來，上述過程缺一不可。

圖1　VRIC平臺示意圖

2.2VRIC的體系結構

實現上述平臺系統必須嚴格遵守相關體系結構，根據實際工程經驗，提出了如圖2所示的體系結構，主要包括以下4個層次：

1)物理層，包含物聯網的探頭、網絡設備和設計的專用可控設備等。通過物聯網技術將所有物理設備接入到數據網絡內，實現物理資源的全面聯網，為后面的資源管控提供接口等。這個物理層相對傳統物聯網的區別在于必須考慮專用可控關節設備的可控接口及控制過程的狀態數據讀取等。

2)虛擬層，體現真實環境的三維可視化模擬，不僅要有對任意角度、任意位置的設備的體現，還要有相關設備間關系的體現，從物理層得到的數據，以及大數據服務層對可控設備的控制和狀態都要即時體現。要突破時空的限制，隨時再現過去或者未來的環境狀態。

3)數據層，對海量物聯網探頭所采集的數據進行存儲和分析等，針對行業要求研發各種應用算法，利用人工智能技術對高危數據(例如供熱管道溫度的突變)進行預警和處理，對過去、未來時空的數據進行管理。

4)應用層，開發的管理系統應該提供PC端、移動端、各專業設備終端的接口，提供UI界面和人性化的管理方法，支持虛擬現實提供的各種虛擬手套、虛擬眼鏡驅動等。

圖2　VRIC 4層體系結構圖

3　實現VRIC的關鍵技術

3.1地下管線數據采集數據模式標準設定及規范

早在1994年，魏少珊等[8]人就提出相關地下管線的測量方法，直至2015年陳杰華等[9]人利用多種手段和方法對廣州獅山鎮進行了實際測量，每年都有人在討論各種探測方法，但是這些方法得到的數據沒有統一的格式，不同城市甚至同一城市的兩個城區數據都無法合并使用，現有數字城市的一大難題就是統一各種不同類型的數據及使用方法，所以，實現VRIC的首要任務就是依據開發環境，提出一套既能滿足虛擬現實開發需求，也能滿足物聯網管控的數據標準和規范，在地下管線的數據管理上建立長遠規劃。

3.2虛擬現實方面的自動拼合算法

為了適配大眾客戶端，根據采集數據自動建模，包括3S技術(GIS、RS、GPS)采集獲得數據，需要設計對大范圍環境及設備網格化拆分及自動拼合的算法，解決針對地下管線和地下特征檢測、特征匹配、誤配去除、圖像配準、多道圖像融合等關鍵問題，利用構建的各種模型庫高效實現城市地下管理真實展現的效果。

3.3數據處理及智慧管控響應的及時性

為解決用戶多路輸入情況下系統的延遲問題，需要建立優先級的用戶輸入相應的設定方法，擬將模糊綜合評價法應用于用戶響應優先級設定，通過對響應事件及其子影響因素進行權重分析與專家評判，以期達到用于用戶響應的分級模塊化，從而可將輸入輸出設備的響應獨立化，用戶交互行為按層級分組，重要的響應事件可以按優先級執行，以保證用戶多路輸入的情況下系統能夠正常運轉。

4　VRIC在地下管線智慧管理中的應用

根據本文提出的理論和設想，團隊已經初步開發了一個VRIC的典型應用，以某高校為例，充分摸清校園內地下管線現狀，利用多種綜合方法對地下管線進行測量，確認掌握數據信息正確性后，建立標準規范的數據管理系統，并為未來地下管網的擴大留下接口，實現數據的時、空管理。綜合利用物聯網技術，設計開發了水、電地下管網的重要節點控制設備，安裝了控制設備的各種數據探測儀器，保證三維可視化的即時響應。在校園監管系統的開發過程中保證了跨平臺和可移植性，使得PC端、移動端等均可以實時監控，UI設計充分考慮了管理者的需求，在人工管理模式下，系統可以隨時查看地下管網的各個關節點數據，也可隨時對關節點進行定量開合。在自動管理模式下進行測試，當某個水管流量和壓力突變情況下，系統會將警報信息發送至管理者手機，同時進行響應關節點的應急預案處理。

在不久的將來，隨著物聯網、虛擬現實、大數據等技術的不斷發展，智慧城市將不僅僅作為科研項目存在，也會走入尋常百姓家中。本文提出的VRIC模式在智慧城市發展過程中將做出應有的貢獻。

[1] 趙力璇.2016VR元年.[OL].(2016-03-17)[2016-07-30].http://net.yesky.com/226/101242226.8html

[2] 劉培根.基于網絡的數字管網三維可視化管理平臺[J].數字技術與應用，2016(1):94-95.

[3] 趙志強.劉洪濤.馬念杰.虛擬仿真技術在地下工程教學中的應用[J].教育教學論壇，2016(26):183-185.

[4] 張鵬程，丘廣新，陳鵬，等.城市地下管線三維建模工具開發及應用[J].地理空間信息，2016(14):85-87.

[5] 黃來源.基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統[J].智能處理與應用，2012(4):62-65.

[6] 李玉，張赫然.基于物聯網技術的地下管線智能管理系統設計構想[J].測繪通報，2013(4):51-55.

[7] 王靜遠，李超，熊璋，等.以數據為中心的智慧城市研究綜述[J].計算機研究與發展，2014，51(2):239-259.

[8] 魏少珊，劉少民.城市地下管線的測量與管理[J].測繪科技通訊，1994(2):12-14.

[9] 陳杰華，陳敏.城市地下管線測量方法研究[J].江西測繪，2015(2):38-41.

VRIC-A New Intelligence Control Model Based on VR and Iot

SUN Hao-peng，etc.

(SchoolofComputerTechnologyandEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to solve the visual control problem of underground pipelines which can not be reached by video surveillance，this paper analyzes the application status of virtual reality technology(VR)and Internet of things technology(Iot)and the bottleneck of project application，and discusses the related problems.On this basis，a new intelligence control mode with the combination of virtual reality and Internet of things has been proposed.The definition of VRIC is given，a system structure is presented，and the key technologies to implement this control mode are enumerated.Finally，the visualization of urban underground pipeline visual control has been introduced as an example to explain.

virtual reality；internet of things；visualization；intelligence control

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.021

2016-08-05

吉林省教育廳雙十項目(吉教科合字[2014]313號)

孫浩鵬(1975-)，男(漢)，長春，副教授

主要研究虛擬現實及應用。

TP391

A

1009-8984(2016)03-0094-03