基于混合現實技術的配電網運維優化

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510699）

0 引言

配電網運維是配電網管理的依據和數據來源［1］，設備開展檢修、試驗均依賴于日常對設備狀態的巡視結果，且配電網規劃與設備狀態分析緊密相連。目前配電網運維仍處于高度依賴人工的階段，與一流配電網對運維的要求存在差距： 技能培訓工作依賴于專家的現場教學，無法模擬真實場景；配電網檢修、試驗無法在現場作業的同時進行信息查閱；局限于現場環境，遇到問題無法詳細查看設備的內部結構、設備臺賬；無法將現場實時畫面傳送到后臺，解決問題的途徑有限。低效率的作業與高效可靠的現場作業管理要求矛盾日益突出，實現更高效、安全、便捷及智能的配電網運維成為一流配電網建設必須跨過的門檻。

對電纜及通道、配電房、臺區實施智能化改造［2］，是當前提高運維效率的一種探索。文獻［3］提出了基于巨磁阻效應的高性能電流傳感器，此類先進的傳感和測量技術［4-5］是實現智能化的基礎。文獻［6］結合物聯網概念及射頻識別技術，提出了電力物聯網的概念，以達到優化系統運行、提高系統的安全穩定性的目的。文獻［7-8］闡述了智能電網大數據的數據特征、研究方法，通過對數據深度挖潛，使得數據價值反哺運維。文獻［9-10］闡述了智能配電系統的內涵、架構及其關鍵技術。智能化的結果可以在一定程度上提升運維效益，但就運維人員的實際工作流程而言，仍缺乏有力的門戶界面整合資源，使其從繁重的現場實際工作中解放出來。

基于混合現實技術［11-12］，闡述了混合現實技術引入到配電網運維后的新模式，給出了建模原理，并探討了典型應用場景，為適應一流配電網要求、打造先進配電網運維提供一定參考。

1 面向配電網運維的混合現實建模

1.1 實時3D 場景模型構建

1.1.1 3D 場景模型的建立流程

3D 場景模型的建立流程分為三部分：

1）現場調研，采集現場環境及相關設備影像資料，為設備三維數字化做充足的準備。明確單位建筑的占地面積，衡量配電房內部電氣設備的尺寸，確認重點配電網設備是否具備交互體驗等。

2）確認相關硬件的設備運行性能，確認美術的制作規范，針對硬件做整體資源的開發容量評估。

3） 根據調研內容以及美術制作規范搭建3D MAX 軟件制作環境。

①確認制作模型單位尺寸，為最大限度減少虛擬空間中的比例誤差，應建立相關的等比例角色參考放在場景中。

②確定貼圖尺寸。

③確定多維子材質數量。

④布局模型UV 貼圖時，區分模型之間、模型與自身實際的對比主次關系。

⑤控制模型貼圖使用數量。

⑥控制整體場景模型面數，結合硬件性能加以控制。

⑦模型在制作過程中或者完成某個階段時進行檢查，避免模型法線錯誤。

⑧3D MAX 的幾何建模方法主要有多邊形（Polygon）建模、樣條曲線建模、細分曲面技術建模以及2D 建模，最終全部轉成Polygon 模型，以方便其他環節的讀取修改。

⑨模型制作完成后按照默認格式FBX 導出。

⑩模型貼圖采用PHOTOSHOP 繪制，jpg 格式，需要透明貼圖的采用TGA 專屬格式。

1.1.2 簡易3D 模型的建立方法

從外形上判斷，簡單的電氣設備利用系統提供的基礎模型“BOX，Cylinder”創建，模型效果如圖1所示。

圖1 “BOX，Cylinder”建模效果

同時根據前期調研，對測量所得的尺寸設置相應計量單位，將“BOX，Cylinder”轉換成Polygon 模型，并加以編輯修改。

1.1.3 多邊形建模

多邊形建模技術采用小平面來模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形（實際中多是三角形或矩形）。模型效果如圖2 所示。

圖2 Polygon 建模效果

使用多邊形建模可以通過直接創建基本的幾何體，再根據要求采用修改器調整物體形狀或通過使用放樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現實作品，復雜模型的建模效果如圖3 所示。

多邊形建模快速，但難以生成光滑的曲面，故而其適用于構造形狀規則的物體，如大部分的人造物體。同時，可根據虛擬現實系統的要求，通過調整所建立模型的參數可以獲得不同分辨率的模型，以適應虛擬場景實時顯示的需要。

1.2 場景模型UVW Map 貼圖繪制

1.2.1 UV 坐標展開方式

如圖4 所示，通常給物體紋理貼圖最標準的方法是以平面、圓柱、球形、方盒坐標方式投影貼圖。

圖3 復雜模型Polygon 建模效果

圖4 不同方式投影效果

相比單個簡單物體創建時默認特定的坐標，復雜物體的坐標須指定某個面或某些面的編碼（Identity Document，ID），并把這些ID 和貼圖關聯，使每個貼圖和復雜坐標的物體上的每個擁有ID的面相對應。

1.2.2 UV 貼圖繪制

對模型UV 展開并完成合理分布后，即可把UV坐標渲染輸出成圖片，并用PHOTOSHOP 打開，根據規范設置貼圖尺寸、分辨率，結合手繪版繪制相關內容。

利用3D MAX 建立三維模型能夠將虛擬物體與現實實體相互融合，可以為運維人員提供全新的交互方式，讓運維人員更容易掌握一些在實踐中難以認知的知識細節。

1.3 已完成建模的典型對象

如圖5、圖6 所示，按照上述建模的流程、方法，可對配電網運維過程中的電氣設備、附屬設施、生產建筑等進行建模，實現虛擬物體與現實實體相互融合，為運維人員提供全新的交互方式，幫助運維人員更加專注于解決現場問題和提高服務質量。

圖5 配電房整體外觀

圖6 配電房變壓器和低壓柜

2 基于混合現實技術的配電網運維系統搭建

2.1 系統開發

將低學習成本的混合現實技術引入配電網運維后，通過在各生產運維環節應用該技術及相關設備，能夠簡化運維人員操作流程，提升運維效率，達到降本增效的目的。

系統基于硬件HoloLens 開發，采用三層架構模式，如圖7 所示。

圖7 系統結構

在系統后端與硬件數據對接，將參數接入數據層，通過數據庫直接將需要呈現的數據流向具體的應用程序。數據經過應用的解析，根據運維人員制定的呈現方式將數據通過HoloLens 渲染，實現可視化。

該系統包括配電房三維立體展示、運維培訓、巡檢輔助、遠程協同。開發面向配電網運維的混合現實系統，不僅能節省資金，降低風險，還能使運維各環節聯系更加緊密，運維人員得以深入設備內部，梳理運維流程，對工作要求理解更加深刻。

2.2 介入配電網生產運維的流程

混合現實技術介入配電網生產運維的具體流程包括6 個步驟：

1）運維人員穿戴混合現實設備，開啟應用，首先看到啟動畫面，顯示logo、“配電網運維混合現實系統”等標題性文字。

2）初始畫面結束，運維人員面前出現主菜單面板。菜單面板始終面向運維人員，柔性跟隨運維人員視野。菜單面板內容如圖8 所示，程序共分為4 個功能模塊：三維配電房、運維培訓、巡檢輔助、遠程協同，每個功能模塊對應不同的應用場景。

3）運維人員可點擊左側菜單，查看右側窗格對該模塊的功能簡介和操作指引；點擊下方 “進入場景”按鈕，開啟模塊內容。

4）每個模塊要求的網絡環境均有不同。當運維人員的啟動環境不匹配時，系統將彈出錯誤提示。

5）進入巡檢輔助等場景中后，運維人員可看到身邊有一個藍色發光的“菜單球”跟隨，可隨時點擊菜單球呼出菜單，點選“返回主菜單”。

6） 運維人員使用凝視方式觸發按鈕或操作，若視野停留在目標物體上，視野中心可見圓形進度條變化，進度條旋轉填滿后，觸發交互內容；運維人員也可直接使用點擊手勢進行點擊。對于部分模擬操作內容，需要運維人員與目標物體距離較近時，方可進行點擊或凝視交互。

圖8 菜單面板

2.3 基于混合現實的運維模式架構

基于混合現實的配電網運維模式如圖9 所示。基于混合現實的運維模式由云端數據管理和遠程指導兩大環節構成。云端數據管理是基于混合現實技術的配電網運維模式的后臺支撐總成，包括專家音視頻協同管理、智能搜索、數據和資源管理等模塊。遠程指導環節包括專家端、現場端和知識圖譜。知識圖譜通過數據訓練、智能歸集建立，包含配電網設備信息、地理信息、實時運行數據、巡視檢修和試驗記錄及其歷史記錄。知識圖譜的建立由健全的閉環管控機制提供管理保障，以應對配電網網架、設備、環境、技術條件等因素的變化。

數據、資源管理為文檔、圖紙、工單、模型等各類數據提供基于PC 網頁端訪問、云端儲存、管理、分享等功能。這些數據、資源整合于供電企業現有業務系統并生成知識圖譜，供運維人員智能搜索和快速訪問。

混合現實穿戴設備可以為現場運維人員提供友好的門戶界面，運維人員應用門戶界面快速檢索多種文件類型的后臺數據。如有需要，可語音連線技術專家，后臺與前端共享視野，技術專家針對性地進行畫面標注和推送指導文件。

圖9 混合現實技術介入配電網運維模式

3 基于混合現實技術的配電網運維優化策略

基于混合現實技術的配電網運維優化策略包括地理信息引導、配電設備操作指引、設備結構全景展示、歷史運維數據呈現、后臺專家支持等。

3.1 地理信息引導

一方面，配電房地理位置和環境較為惡劣，對其定位嚴重依賴經驗，對運維人員而言存在定位難、到位慢等痛點。另一方面，隨著自動化、智能化設備的配置，配電網設備逐漸增加，對配電房內設備進行日常巡視的工作量和難度都在不斷提高，對運維人員的素質也提出了更高要求。

配電房位置導航實現了對配電房以及房內設備位置的定位功能，使用者通過佩戴Hololens 實現虛擬場景和現實場景的虛實結合，帶來更具實用性的輔助方案。

對導航系統的基礎數據進行全場景建模，虛擬場景中的模型設備和配電房依據真實尺寸進行1∶1建模。運行系統加載出配電房虛擬模型后，通過設置中心錨點的位置將虛擬場景和現實場景重疊在相同的空間位置中，將虛擬場景的空間位置保存在Hololens 中，下次開啟時設備將自動識別空間信息，當空間信息與上次保存的信息相匹配時，虛擬場景空間位置會自動與現實場景的空間位置重合。在虛擬場景中打開設備列表，進行定位，虛擬空間中將出現指示箭頭標注設備的位置，而房間內虛擬空間和現實空間是重合的，所以虛擬指示箭頭標識的位置即為實際設備的真實位置。

3.2 配電設備操作指引

配電網運維的過程中，為保障人身和設備安全，供電企業制定了一系列組織、技術安全措施，其中組織措施需要付出大量管理成本以確保生產流程中的各環節零差錯。然而，誤入帶電間隔、誤操作等惡性事件仍偶有發生。

基于混合現實技術，可實現配電設備操作指引。運維人員在選擇工單后，使用導航功能，在配電房內根據全息影像引導提示，前往并識別工單對應的配電房設備，確保操作對象無誤。

運維人員進入正確間隔后，HoloLens 以全息影像直觀標記操作孔位置和操作方向。同時，運維人員可參照與實體設備結合的3D 模擬動畫，進行開關柜停送等工單操作，完成回單指令。

3.3 設備結構全景展示

常規的配電網運維局限于設備表象，在獲得環境檢測、電氣設備帶電測試數據后，難以將獲取的結果與設備內部建立聯系。而一旦設備發生故障，缺乏設備內部構造資料的支撐，會使得故障定位時間長、定位準確性低。

利用設備結構全景展示對常規運維進行優化。采用基于配電設備內部模塊構成的方式，對設備進行建模，然后輔以操作流程動畫來模擬設備的操作方法。建模過程的精度控制在元件級，對設備內部的重要子原件進行分布拆分，將所有子原件進行組裝成為完整的設備模型。將拆分的過程通過三維軟件開發工具進行腳本流程控制，加入可逆邏輯控制，實現內部結構的組裝和拆分，并可制定對與指定元件設備的細節展示。基于元件級別虛擬建模的另一個優勢是可在虛擬場景中實現操作流程的模擬。除了真實還原現實情況外，還可以解決某些內部元件無法操作的缺陷，虛擬模型操作沒有任何物理限制，極大方便了對設備內部結構的展示和操作。

3.4 歷史運維數據呈現

運維數據在經過滾動更新之后，形成的歷史數據將有力支撐對設備的狀態檢修。但在當前常規的運維模式之下，數據的采集、整理、分析周期長，采集數據的行為發生在現場一線，而數據的處理分析則發生在事后或者間隔較長的時間跨度。

基于混合現實技術，實現線上數據收集和分析。配電房巡視包含了工單派發、數據錄入與回執3 個過程。運維人員戴上設備登錄自己的賬號后，系統會自動推送工單任務清單。當運維人員到達需要檢查的設備地點后，打開該設備的檢查工單操作，系統根據需要檢查的內容數據，自動生成并顯示表單，并與歷史數據對比。根據設備的實際情況，將巡檢信息逐條錄入系統。錄入完成后，檢查核對巡檢結果，確認后選擇提交，系統自動將檢查結果上傳到服務器。

智能提醒模塊在運維人員登錄自己的賬號后，系統會自動推送工單任務清單。如遇到需要排除故障的任務，系統會立即推送故障清單，幫助運維人員響應，并在規定的時間內達到指定的地點開展任務的排查和處理。處理完成后，將處理的結果上傳到中心服務器。如遇設備故障處理工單，任務指派人員通過系統可以將設備故障的詳細信息連同故障信息工單一同發送，為運維人員提供更多設備故障信息。

3.5 后臺專家支持

為解決運維人員在日常巡檢和事故處理過程中遇到一些復雜狀況而無法現場進行處理的問題，引入混合現實遠程專家系統。遠程專家系統支持雙向語音溝通和視頻傳輸的協作環境，專家端實時查看一線人員工作場景，可標注現實場景工作文檔并傳送到一線工作端。

在配電網業務的日常巡檢過程中，發現設備異常而無法判斷原因和給出解決方案時，可通過遠程專家系統通話列表找到領域專家。確認專家處于在線狀態時，通話一鍵呼叫即可發送視頻或語音通話請求，專家端通過瀏覽器、手機等方式接受通話請求同意之后即可建立通話過程。運維人員佩戴Hololens，采用語音和手勢等自然操控方式，解放雙手的同時實現環境、語音、圖片，文字等多類實時互動。

4 配電網運維場景應用

以運維人員日常巡視為例，對混合現實技術在配電網運維中的應用做說明，混合現實便攜式穿戴設備為HoloLens。

4.1 遠程協同及巡檢輔助功能說明

1）專家管理。統一管理內外部專家信息，根據需求幫助運維人員快速查詢和匹配最相關專家，進行一鍵遠程呼叫，快速與專家實現語音視頻對接。

2）遠程協同。支持雙向語音溝通和單向視頻傳輸的協作環境，專家端實時查看現場端工作場景，通過截屏標注的方式為運維人員提供技術支持。

3）遠程指導標定。通過遠程服務，可實現快速標定、跨地域指導。

4）混合現實操作輔助。基于HoloLens 可實現虛擬與現實同時呈現，專家可通過后臺操作平臺對運維人員進行遠程輔助操作。

5）MR 巡檢輔助。基于HoloLens，運維人員在機房內可開啟配電房巡視記錄單窗口，以手勢點選巡檢記錄，并可進行部分數據的自動獲取。

4.2 實現過程

運維人員佩戴HoloLens，在配電房內點擊或凝視身邊跟隨的菜單球，執行呼叫專家、巡檢輔助等功能。

1）運維人員在菜單球點擊“巡檢輔助”條目，可呼出一個動態跟隨巡檢記錄單。

巡檢記錄單窗口右上角附加“最小化”按鈕，點擊后，收縮至一個菜單條目大小，橫插在菜單球旁邊。運維人員可隨時放大、縮小記錄單，避免影響視野。

巡檢記錄單分四欄顯示： 配電房安健環、開關柜、變壓器、低壓設備。點擊分欄活頁夾，可切換至分欄頁面。

2）巡檢記錄單上側設有一個“自動填寫”按鈕。運維人員可點擊按鈕，自動填寫日期、配電房名、班組（部分內容可由本地配置文件預設并修改），以及系統獲取的各設備運行數據（可獲取主要設備的溫度、電流等）。

3）配電房安健環一欄中，每個檢查條目為一個小窗格。運維人員手勢點擊小窗格，可自動切換填寫本窗格內容，包括“有／無”“是／否”等。“備注信息”窗格設有錄音按鈕，虛擬鍵盤手動輸入，運維人員還可點擊錄音按鈕直接錄音備注。

4）開關柜、變壓器、低壓設備三欄中，運維人員可通過“自動填寫”功能，獲取多數數值；“是／否”或“有／無”類檢查條目，同樣采用點擊切換方式記錄；其他巡檢需填寫內容，運維人員可通過虛擬鍵盤輸入，下拉菜單選擇，或錄音記錄。

5）根據實際巡檢情況，可設置部分巡檢單填寫內容為下拉菜單選項，或自動繼承上次填寫內容。

6）運維人員可點擊巡檢記錄窗口的“提交記錄”按鈕完成巡檢。點擊提交時，系統將檢查漏填項，并提示運維人員補填。

4.3 應用效果

如圖10 所示，室外導航指引運行人員抵達指定配電房，室內導航指引運維人員抵達指定操作間隔，并采用虛擬懸浮箭頭標識每一步操作部位，避免走錯配電房、帶電間隔及誤操作等問題。

圖10 地理信息引導應用效果

如圖11 所示，巡檢輔助功能提供設備狀態記錄和上送功能。當系統接收到某配電房的作業任務后，自動生成作業表單，運維人員到達指定位置，觀察、測量得到設備狀態信息，調出電子表單對設備狀態進行勾選填寫，加快后臺獲取現場數據的速度，提高對現場情況的了解程度和關鍵時刻的應急處理能力。

圖11 巡檢輔助效果

5 結語

提出面向配電網運維的混合現實建模方案，引入混合現實技術實現了配電網運維新模式。針對典型設備和環境討論建模流程，所建模型良好地適應了配電網運維涉及的應用場景，可以實現配電房三維展示、運維培訓、巡檢輔助、遠程協同等功能。混合現實穿戴設備充當配電網運維的門戶界面，而后臺對海量數據做整合、分析，運維人員在現場無縫獲得所需信息，工作效率進一步提升，安全風險進一步降低。基于混合現實技術的配電網運維囊括最新的通信、大數據分析、人工智能等技術，具備了未來運維模式的雛形，將有力支撐一流配電網的建設。