基于虛擬成像技術的變電站運維系統設計

肖東裕，謝旭琛，王慧豪，朱 筠，王軍玉

（廣東電網有限公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

0 引 言

由于社會經濟的飛速發展，電力需求的日益增長，且變電站是電力傳輸網的關鍵節點，所以變電站的建設也隨之跟進提速。變電站作為電網中最為昂貴、復雜的廠站，其設備運維檢修工作量與日俱增，工作難度及技術難度也同步提高。由于變電站建設技術的提高和變電站用地的征用困難等，新建變電站一次設備大量采用HGIS、GIS及導線構架式多層掛接等技術，如圖1和圖2所示。此類技術的應用使變電站增加了在垂直空間上的利用率，減少了對土地面積的需求，但同時也增加了變電站檢修維護的難度。

圖1 GIS設備

圖2 多層導線構架

目前，變電站運維工作均由駐站運行人員或者所轄中心站的運行人員管理，對人員素質要求極為嚴格。相關人員都是經過長期電力專業知識的學習、培訓，才能勝任復雜的變電站運維工作。但變電站現場運維工作使用紙質操作指引、平面的設備圖紙及平面告示板等二維平面圖紙資料來開展。此類資料不直觀、難懂且容易脫落，往往不能保證操作、安全交底及新員工培訓相關業務的順利開展。特別是停電檢修作業時，初次進入變電站的施工人員及新員工實習生就成為了作業中的風險點。因此，本文設計的系統主要用于解決變電站平面圖紙資料不直觀的缺點，滿足變電站運維培訓、施工作業安全交底可視化、直觀化的需求。

1 系統原理

系統要將變電站設備運維信息直觀可視化，最直接的做法是將資料圖從二維空間升至人眼所觀察的三維空間。系統對比了現今AR、VR及全息投影等虛擬成像技術，綜合考慮變電站現場、成本實施難度等要素后，在系統原理上選用全息投影技術。

全息投影技術（3D front-projected holographic display）也稱虛擬成像技術，主要利用了光的干涉和衍射原理，將已經獲取的三維影像信息的投影對象，利用發光裝置“映射”到指定的位置，再現物體真實的三維圖像的技術[1]。但目前該技術在實際應用上還不太成熟，對于投影對象的細節或者成本方面都不適合本系統，所以系統采用在技術應用上更成熟的偽全息投影技術。偽全息技術實際是通過將光直射或反射到一種透明介質，給觀察者一種物體憑空出現在透明介質上的視覺假象，從而達到與3D效果。偽全息投影技術的分類方式表1所示[2]。

表1 偽全息投影技術分類

2 系統整體設計

根據系統主要需求，整體設計構架如圖3所示。系統通過運維人員在計算機終端播放視頻源，計算機內包含多視頻播放器，以輸出四路視頻信號，視頻信號通過多屏顯卡以及VGA接口連接到投影機（投影儀或顯示器），然后投影機從4個相互垂直的方向上對虛擬成像展示柜進行映射，從而在展示柜中展示虛擬成像的變電站設備，以供變電站人員使用到運維工作中。

圖3 系統整體構架

2.1 硬件設計

2.1.1 全息展柜

本系統的硬件設計中，根據所在場地變電站培訓室，選擇了四面貼全息膜的金字塔展柜，展柜選用材質較輕的亞克力板，并在板面粘貼全息薄膜。薄膜選用幻影成像膜，是一種高性能雙面顯示投影膜。膜層主要成分是一種感光材料，可讓觀察者對出現在膜上的虛擬影像產生很好的立體縱深感。

2.1.2 投影儀

投影方式選擇正面投影。因為考慮培訓室光線度較亮，對投影設備流明度要求較高，所以選擇了投影儀作為全息圖像投影設備，投影儀要求流明度在3 000以上，共4臺在4個方向上進行對展柜進行投影。

2.1.3 計算機及相應配件

系統需要一臺計算機對視頻源進行存儲播放，要求該電腦具備i3以上處理器、4G以上內存、500G以上硬盤及商用多屏顯卡（6屏）。該計算機通過VGA數據傳輸接口對四臺投影儀進行視頻信號輸出。

2.2 軟件設計

系統視頻源需要的3D圖像素材，采用3D-MAX軟件制作模型獲取，模型包括需要細節精致的主變等設備模型及可制作得相對粗糙的各電壓等級場地模型。此外，4個投影儀還需要一個與顯卡相匹配的多影像播放管理軟件（AZ PLAYER NEO）。

3 系統成效

系統的建立對變電站內的各項運維工作起到了很好的輔助作用。對于培訓方面，日常工作中平面的設備圖紙不直觀、部分設備帶電運行無法就近觀察等難以憑空形容講述的對象，可以通過虛擬成像系統直觀、立體、清晰地對新員工等受陪人員展示，大大提高了培訓效率。同時，3D模型還可以用于設備分析、缺陷分析等。對于安全管理，系統可以用于各個電壓等級區域的安全交底，利用各個場地的模擬沙盤模型，讓施工隊在進入場地施工前，從三維空間上認清帶電區域以及作用的安全空間，特別是對吊車、升降平臺及登高等需要在垂直空間上移動的作業，提供多一層可視化的安全保障。系統建立的模型也可以遷移到日后AR、VR等其他變電站運維設備。

4 結 論

基于虛擬成像技術的變電站運維系統改進了以往變電站只限于二維的培訓、安全管理等運維模式。通過對偽全息成像技術系統的研發設計，利用三維虛擬成像的模型，提高了培訓效果，實現了設備場地安全管理的全面可視化、直觀化[3]。因此，本系統的設計應用能幫助運維人員提高運維效率，并利用新技術保障電網運行安全。