基于Unity3d的監控告警信息展示系統的設計與實現

段翔兮1，鄒 琬2，高 劍2，李 熠2，楊紫苓，宋永娟

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網南充供電公司，四川 南充 637000)

0 引 言

近年來，隨著變電站設備數量和種類的增加以及變電站智能化和無人值守的發展趨勢，傳統的變電站也將逐步更新為新一代智能變電站[1]。設備的信息共享、信息一體化、智能化管理變得越來越重要，而當前變電站的設備監控主要采用數據匯報的形式進行，存在告警展示方式不夠形象、告警信號和設備分離等問題。當站端設備出現了問題，因缺乏設備具體3D位置[2]、缺乏對告警信息流的了解，一般監控人員只能提供該設備的類型，對設備的故障原因及數據流向不清楚，且存在基礎數據收集過程復雜、信號點表版本眾多等因人的主觀性造成的編制誤差、審查信息表耗時長等問題[3]。以四川省某地區為例，該地區下轄49個變電站，僅一座110 kV變電站，就有近1000條信息，若按照傳統監控方式，運行維護人員通過查詢設備間隔內的所有光字牌獲取設備狀態，這樣效率非常低[4]。另外，較強的專業性和實踐性也迫使監控人員需要在工作實踐中積累豐富的經驗[5-6]。

針對傳統告警展示方式不夠形象、告警信號和設備分離、數據流向不明確的問題，提出了基于Unity3d的監控告警信息展示系統。該系統將從監控系統獲取的數據植入，結合3D模型進行展示[2]：可以幫助監控人員了解告警信號觸發的完整鏈路[7]；可以對設備的狀態有直觀了解，避免繁雜的數據分析和理解[8]；實現數據動態化管理，所有的變電站設備按照不同的電壓等級進行模塊化處理，不同電壓等級的變電站只需要通過后臺更新配置數據，即可達到系統更新的結果。

1 原理與系統架構

1.1 游戲引擎Unity3d作為核心平臺

Unity3d作為游戲開發平臺，對圖形圖像、3D模型、人機互動、跨平臺運行都非常友好。Unity3d作為前端系統，采用WebGL技術讓系統在網頁端在線運行系統，而無需進行安裝配置環境。后端采用Linux作為服務平臺，結合國產達夢數據庫和Java作為邏輯平臺，整體架構如圖 1所示。

圖1 項目架構設計

1.2 3D可視化動態展示告警信號

用立體動畫的方式全面展現變電站告警信號及其數據流。首先根據變電站的不同設備將信號分為3個層級，包括變電站總體信號、變電站間隔、設備組件等層級。當進入系統后，系統會提示收到的實時告警信號，告警信號附加在可視化設備上，且可以查看該層級的設備信號，并用不同色差突出顯示不同的告警信息。同時系統可以切換實體和線框模式，方便查看真實效果和透視結構，進一步了解設備結構。設備信號按照具體接點的電路結構和一、二次設備、控制設備形成的信號回路進行傳播，如圖2所示，并利用此原理將其進行3D模型和特效方式的展示。

圖2 設備信號結構

最后將該信號產生的原因進行匯總，將產生的后果進行提示，并用動畫形象展示。

1.3 GIS地理位置信息全面展現地區內所有變電站信息

系統平臺引入Google數據，在系統內進行整合，形成獨立的地理系統[9]，即改造成適合于Unity3d的OnLine Map地圖系統。系統生成每個變電站的具體經緯度，將經緯度通過Google遠端SDK接口獲取數據，并將根據經緯度給下載的貼圖進行編號,Online Map地圖系統將從Google下載的地圖轉化成png貼圖[10]，并按照橫向和縱向即X、Y軸在Unity3d中的面片上貼圖，X=[X1,X2…Xn],Y=[Y,Y2…Yn],貼圖方式如圖3所示[11]。

設C為最終得到的圖，M為每一塊貼圖，其貼圖方式可以表達為

(1)

當用戶刷新切換坐標時，M代表每一塊貼圖位置，如果向右下移，其地圖進行相應位移，計算方式為

M=Mx+1,y+1

(2)

如果向左上移，其地圖進行相應位移，計算方式為

M=Mx-1,y-1

(3)

圖片按照二維數組方式排列，一個格子代表一張貼圖位置，每張貼圖就是一個面片，面片是一個3D模型，在上面具備材質貼圖等屬性，當動態檢查到下載的貼圖時，從緩存中加載圖片貼到相應的坐標位置。當鼠標移動到其他位置時，將重新計算地圖經緯度，并下載更新的圖片，然后重新進行貼圖操作。變電站圖標的設置方式是將設計好的變電站圖標同變電站的經緯度匹配，并同目前界面上地圖范圍的區域具體位置匹配，然后將變電站圖標放到相應位置。變電站圖標集成改變電站的信息，并將圖標添加Collider碰撞，當點擊該圖標時，就可以實現變電站主界面的跳轉[12]。

1.4 無縫對接傳統平臺和系統

數據信息的安全對于電網的安全穩定運行至關重要，所以該系統必須與傳統系統緊密融合保證其能在內部系統運行，并且將傳統平臺的數據引入系統。傳統平臺作為運行幾十年的大數據庫，已經包含每個變電站的設備點表以及管理團隊配置等信息。目前電力系統均采用Linux系統作為服務器平臺，數據庫采用國產達夢數據庫。所建系統通過數據庫分析，將后臺數據整合成設備表EquipData、信號表AlarmData、維護表MainMatinData、模型表ModelData、用戶表UserData、變電站表SubstaionData的數據，然后整合到原有服務；前端平臺通過接口獲取數據，并將數據對象化，根據數據的ID選擇需要的數據。

1.5 設備模塊化自由組合

變電站設備一般根據不同類型和具體線路有特定編號，特別是二次設備，一般都是根據具體變電站而有不同的配置。配置的方式采用事先開發一個配置客戶端，配置客戶端對設備的組合進行編輯，系統首先對設備的組件模塊進行定義，同時對設備的組合規律進行定義，設備的定義方法如圖4所示。

圖4 設備模塊的設計流程

用戶從前端選擇不同的模塊，插入到設備的相應部位，然后將設備組合信息進行記錄，并在數據庫保存。使用時首先從數據庫載入當前設備的組合數據，然后在場景中進行重現。

設物體空間用T表示，P為設備位置點,R為設備方向,在位置信息中x、y、z分別表示橫向、縱向、前后參數值；在方向信息中x、y、z分別表示橫向、縱向、前后方向的旋轉值，它們之間關系為

(4)

當設備進行組合時，物體組件A和物體B之間的位置關系為

(5)

物體的角度采用歐拉角計算。歐拉角是用來唯一地確定定點轉動剛體位置的3個一組獨立角參量[13]，由章動角θ、進動角ψ和自轉角φ組成。若令Ox′y′z′的原始位置重合于Oxyz，經過相繼繞Oz、ON和Oz′的3次轉動Z(ψ)、N(θ)、Z′(φ)后，剛體將轉到如圖5所示的任意位置(見剛體定點轉動)。

圖5 模型中旋轉示意

變換關系可寫為

R(ψ,θ,φ)=Z′(φ)N(θ)Z(φ)

(6)

設定xyz-軸為參考系的參考軸。稱xy-平面與XY-平面的相交為交點線，用英文字母N代表。如圖6所示。

2 具體實施方案步驟

2.1 系統分析

設計目標是在國家電網大數據中心的基礎上，充分利用Unity3d技術的直觀性，構建新型配電管理系統。設計時要求充分考慮實用性與行業管理特點，以達到功能需求目的，主要應遵循以下設計原則：

圖6 模型定位中使用的歐拉角度示意

1)標準化

本系統設計及其實施將嚴格按照國家和地方有關標準的規定進行。選用設備、產品和軟件將完全符合行業標準與主流模式。系統采用的術語、分類、編碼等的設置將完全符合或采用國家或行業標準。

2)合理性

充分考慮系統的實用性，以提高工作效率、節省人力和各種資源為目標進行設計，避免過于冗雜的設計導致性能與經濟性的負面效應。

功能設計充分考慮行業特點，使設計成果符合最終用戶的操作習慣與行業標準，從而使系統結構、系統功能都具有良好的合理性。

3)兼容性

系統結構遵循結構化、模塊化的設計目標，具有良好的兼容性。既可使用不同主流廠商的設備產品，又可便捷地擴充使其能在其他系統廠商的設備產品上運行。

2.2 系統設計

系統功能整體規劃如下：

1)3D展示系統：提供驅動圖形顯示的核心3D組件，提供將其他3D工具創建的模具進行整理導入接口。

變電站GIS展示：將用戶權限范圍內的變電站顯示在地圖上。變電站展示：提供變電站外觀與內部結構的3D展示功能。設備展示：提供變電站設備的3D展示功能。告警展示：將所有設備異動情況，第三方平臺告警信息集中展示，提供統一預警機制。

2)數據管理系統：提供用戶、角色與權限管理的功能。采用netty中間件技術，實時向前端系統發送消息。消息可以是報警信息，也可以是一個通知。接口服務中心采用RESTful風格的接口，以供足夠權限的前端系統調用。

3)美術資源加工：將從現場提取的設備資料進行加工，制作成3D模型并保存在數據庫。

4)數據庫：包括基本數據、實時數據和美術資源數據，都是經過二次加工處理后的資源。

5)數據處理系統：將變電站地理數據、設備美術資源、告警信息等進行數據分析加工，并存于數據庫。系統的交互流程圖如圖7所示。

2.3 編碼

1)MVC編碼模式

編碼階段采用MVC模式，將整個系統分為數據模型層、視圖層、邏輯控制層。數據模型層將系統數據整理成Ececl文件，并分設為管理員類、角色類、GIS信息類、設備基礎類、設備模型類、信號基礎類、實時信號類，使用管理類對數據進行統一管理。

2)單例和多例結合

在界面的編寫中，模塊的功能也獨立成不同的類。界面的通信采用單例模式讓界面的互動在單獨的類進行。控制類按照功能分成3級，分別是全站級、間隔級、設備級，分別設計3個不同的類。

3)Web視頻加載技術

動畫功能采用WebGLMovieTexture視頻紋理播放技術，具體方法是使用Movie類加載視頻到內存，然后將內存數據圖像化，最后將圖形化的數據作為材質貼圖附加在一個Plane對象上，這樣Plane對象上就可以實時呈現動畫圖像。

2.4 模型和動畫資源

獨立的資源系統，將前端、邏輯、數據和資源單獨管理。變電站設備圖形資源包括模型、貼圖、材質等，通過引擎自身的算法壓縮成AssetBundle二進制數據包，然后放入數據資源庫保存，并在運行過程中動態下載和解壓加載到場景，同時將解壓并加載到場景的資源附加互動代碼，實現互動。AssetBundle包分PC端和Web端兩個平臺，PC平臺用來開發過程的測試，Web則是運行平臺。AssetBundle的使用原理是首先將各種設備模型資源在Unity3d中進行預處理，經材質和貼圖以及模型的優化處理完畢，將模型放入一個空物體。空物體按照規范命名，如電壓等級+間隔名稱+設備名稱規則[14]。在空物體下建立一個目錄，存放該設備同其他設備的連接信息，方便重新加載后動態將這些設備用線纜連接起來。在模型上添加Collider，方便重新加載后處理。處理結束后使用打包程序將模型壓縮成AssetBundle包，并存放在服務器指定目錄。系統運行時根據服務端數據庫設備信息，加載該模型，并解壓然后實例化到場景中。最后，在該設備模型上添加用于控制的腳本，這樣就完成了一個完整的資源處理流程，如圖8所示。

圖7 流程

圖8 AsseBundle壓縮包的使用原理

通過資源包ID的辦法，每一種設備對應一種資源包，每個資源包對應數據庫模型數據，同一種設備可以反復使用同一個資源包，這樣所有設備都具有通用性，整個系統資源庫最后覆蓋所有的變電站類型，使該系統能推廣到所有的行業進行使用[14]。

2.5 測試

測試項目的時候為了方便，做了多平臺的開發，包括編輯器端、PC端、Web端。3個端使用不同的資源路徑和資源格式，根據Unity3d的平臺檢測方法，選擇不同的平臺。

3 實施效果

經過前期一系列的測試，系統完成了預定目標，實現了如下功能。

3.1 用戶后臺管理

通過管理端，可以實現不同等級的權限，包括管理員、一級用戶、二級用戶、三級用戶。不同用戶權限查看不同等級的變電站范圍。變電站資源實現后臺管理，添加和刪除都實現自動更新，如圖9所示。

圖9 資源管理界面

3.2 區域選擇和變電站選擇

根據用戶權限的不同，加載的地圖范圍不同，并能隨時切換不同的區域范圍，然后進入相應的變電站進行查看，如圖10所示。

圖10 GIS變電站信息

3.3 實現全站模型的查看

進入變電站層級，系統開始初始化加載變電站模型數據，完成全站加載時間約10～20 s。如圖11所示。

圖11 全站設備展示

3.4 模型顯示模式

根據不同的需求，模型顯示方式可以切換成線框或者實體模式，線框模式支持PC和Web平臺，如圖12所示。

圖12 設備線框模式

3.5 模型的組合

完成了系統設備的動態組合，根據后臺管理端的配置，加載不同的設備模型。

3.6 設備的預警

當有設備出現故障，設備會顯示高亮提示，用戶可以選擇其中一個設備切換到設備級查看故障，如圖13所示。

圖13 設備告警模式

3.7 設備的關聯

實現設備組件和原理原因的關聯，當選擇故障設備時，用戶可以看到其出現的故障，選擇故障可以彈出其故障的原理和原因動畫，并隨時進行切換。

3.8 設備拆分查看

實現設備的拆分展示，在設備層用戶可以使用爆炸圖的方式查看設備的主要組件結構，如圖14所示。

圖14 設備展開模式

3.9 實施效果分析

通過本項目實施，以主變壓器的告警為例，從員工培訓需要的周期、交流學習所需的時間、常規檢查檢修所花的時間(用小時計算)的效率進行分析，不難看出，本系統在常規管理和智能化管理基礎上有了長足的提高。實施效果數據如表1所示，在使用常規管理方式進行培訓、會議、檢修分別花去120 h、72 h、20 h，是非常消耗時間的。目前新建電站幾乎拋棄這種方式，而采用智能方式進行管理，進行培訓、會議和檢修時分別花去50 h、8 h和2 h，效率提高幾倍，在這個基礎上，使用本系統，進行這3項測試，效率又有30%以上的提高，項目實施效果明顯。

表1 實施效果數據 單位：h

從上面分析可以看出，使用傳統的常規管理是效率最低的方式，這種變電站逐步被智能變電站代替。智能電站雖然數據收集控制都比較方便，但由于信息量過大，也存在不直觀、效率不高等問題。采用了3D模式的監控系統，整個系統的設備和信號完整鏈接在一起，在電力監控領域的使用也非常廣泛，為監控領域的工作做出了明顯的改進。

4 結 語

綜上所述，所建系統解決了長期困擾整個行業的難題，其將生產、監控、培訓的幾個過程集為一體，同時也方便變電站系統內部進行匯報活動，達到了項目設計的初衷，將設備同故障信號關聯提高了對變電站的管理效率。