基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法

陳莉佳, 王彥鵬， 袁昕

(國網新疆電力有限公司經濟技術研究院， 新疆， 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著中國虛擬現實技術的不斷發展[1]，越來越多的沉浸式三維仿真產品應用于變電站的仿真中[2-4]。變電站的通信設備作為變電站的重要組成部分，承載了電力語音、數據等傳輸業務[5]；變電站的通信設備眾多，主要包括光端機、交換機、調度網路由器、配線架、調度通信電源等[6-8]。若能實現變電站通信設備的三維仿真，則可實現變電站的通信設備的精益管理，提升變電站通信設備的管理水平。

國內外大量學者對變電站通信設備三維仿真進行了研究。文獻[9]提出了一種基于信息交互模式的變電站通信設備三維仿真方法，通過專家知識庫的數據交互，實現變電站通信設備三維仿真。文獻[10]提出了一種基于Revit平臺的變電站通信設備三維仿真方法，通過三維數字化協同，對變電站通信設備進行三維仿真。文獻[11]提出了一種基于魯棒性修正的變電站三維仿真方法，通過三層系統結構，實現變電站通信設備的三維仿真。文獻[12]提出了一種基于實景掃描的變電站通信設備三維仿真方法，通過照片場景三維還原，解決變電站通信設備精益化管理的問題。文獻[13]提出了一種組件配置的變電站通信設備三維仿真方法，通過組件裝配，實現變電站通信設備的三維仿真。由此可見，變電站通信設備三維仿真方法多樣，且取得一定成果，但存在場景真實性差，設備狀態預測難度大的問題。

針對現有變電站通信設備三維仿真中存在的場景真實性差、設備狀態預測難度大的問題，提出一種基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法。在提取變電站通信設備圖像信息后，通過SURF特征檢測算法從多時間尺度分析變電站通信設備的特征信息來實現三維建模，并與通信網管數據的融合，實現三維仿真。最后，通過實際案例驗證了本方法的有效性。

1 三維仿真框架

基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法框架組主要包括變電站通信設備圖像提取、多尺度特征檢測、變電站通信設備三維建模、通信網管數據融合、沉浸式三維仿真和設備狀態預測等6部分內容，如圖1所示。

圖1 變電站通信設備三維仿真框架圖

由圖1可見，在變電站通信設備圖像提取環節，通過攝像頭提取光端機、交換機、配線架等變電站通信設備的圖像信息；在多尺度特征檢測環節，通過SURF特征檢測算法從多時間尺度分析變電站通信設備的特征信息，自動構建變電站通信設備三維識別體系；在變電站通信設備三維建模環節，對變電站通信設備進行三維圖像拼接、顏色配準和3D重建，實現變電站通信設備的三維還原；在通信網管數據融合環節，實現變電站三維模型和通信設備數據的有機融合；在沉浸式三維仿真環節，對變電站通信設備進行三維漫游仿真，模擬變電站通信設備真實運行環境；在設備狀態預測環節，通過三維仿真對變電站通信設備的運行態勢進行多時間尺度分析。

2 三維仿真建模

2.1 變電站通信設備圖像提取

在變電站內，通信設備數量多、類型繁雜，若采用人工三維建模方式，將造成工作量巨大和三維場景真實度差的問題[14-16]。通過視頻讀取變電站通信設備圖像信息的方式可有效提高三維建模的場景真實性。

變電站的通信設備主要有用于調度數據通信的光端機、調度交換機、調度路由器、調度配線架和用于通信供電的電源等設備，通過視頻從多角度獲取變電站通信設備的圖像信息。設變電站的通信設備有na個，每個通信設備提取圖像為nb張，通信設備用F表示，所提取的變電站通信設備集合B為

(1)

2.2 多尺度特征檢測

由于變電站通信設備在不同的時間尺度存在不同的運行狀態，將通過SURF特征檢測算法從多時間尺度分析變電站通信設備的特征信息。

(2)

通過二階微分對變電站通信設備的圖像進行斑點分析，設通信設備的坐標分別為xa、ya，變電站通信設備用U表示，時間尺度變量為ta，坐標矩陣J(U)為

(3)

由式(3)可見，通過SURF特征檢測算法，可以從多時間尺度獲取的變電站通信設備具有魯棒特點的特征信息。

2.3 變電站通信設備三維建模

(4)

其次，采用多項權重回歸算法計算圖像的顏色校準值，設變電站通信設備上有顏色空間nc類，通信設備的顏色用三色混合維度Rd、Gd、Bd表示，顏色的矩陣Zd為

(5)

設Yd為刺激矩陣，通過多項權重回歸算法計算后，顏色的校準結果Ld為

Ld=Zc×Yd

(6)

在完成變電站通信設備圖像校準后，進行3D重建。在3D重建中根據圖像拼接和顏色校準的結果，在通過3D重建變化不斷的迭代中，實現圖像的精準匹配；其次，再利用像素級3D構建算法，設定變電站通信設備的頂點，在此基礎上進行圖像的逐步渲染；最后，構建變電站通信設備完整的三維建模。

2.4 通信網管數據融合

在通信網管數據融合環節中，通信設備的狀態數據主要來源于ECM3000、通信網管等系統中。因變電站的通信設備類型差異較大，所以本方法首先構建統一的三維數據融合模型，建立多源異構的變電站通信設備數據與三維模型規范；其次，通過數據映射關系，建立通信系統數據源和變電站通信設備三維數據源之間的對象映射策略；最后，實現多源異構的變電站通信設備數據和三維模型的實時融合。

2.5 沉浸式三維仿真

在沉浸式三維仿真中，通過虛擬現實技術，對變電站通信設備進行三維漫游處理。首先，模型模擬變電站通信設備的真實運行情況，顯示包括正常、告警、入侵檢測等信息，以驗證變電站通信設備現場是否運行正常；其次，通過三維漫游，對通信檢修人員的設備現場巡視工作進行仿真以實現變電站通信設備的遠程自動巡檢。

2.6 設備狀態趨勢預測

在變電站通信設備三維漫游的基礎上，進行設備狀態預測，采用隨機選擇法進行狀態預測，設變電站通信設備輸入狀態pf，決策數有nj個，單個決策數的值為η，隨機選擇模型K(I)的決策公式為

(7)

通過變電站通信設備狀態趨勢預測，可準確掌握變電站通信設備可能存在問題，為檢修提供依據。

3 變電站通信設備三維仿真流程

變電站通信設備三維仿真流程如圖2所示。

圖2 變電站通信設備三維仿真流程圖

步驟1 通過變電站的攝像頭，對變電站通信設備的多個方向和不同角度的圖像數據進行提取。

步驟2 通過SURF特征檢測算法從多時間尺度分析變電站通信設備的特征變化信息，如果檢測數據存在問題，就退回步驟1再次進行圖像的提取。

步驟3 開展變電站通信設備的三維建模，對變電站通信設備進行三維圖像拼接、顏色配準和三維模型重建。

步驟4 開展變電站通信設備三維模型與通信網管數據的融合，實現多源異構的變電站通信設備數據和三維模型的實時融合。

步驟5 采用虛擬現實技術對變電站三維模型進行沉浸式漫游仿真。

步驟6 通過變電站通信設備狀態趨勢預測，分析變電站通信設備可能存在的問題。

4 算例分析

采用本文所提的基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法，在某500 kV變電站進行驗證，選擇圖像提取樣本數為20、50、100、200、500、1 000、2 000個進行圖像數據三維建模，對比本方法與方向梯度直方圖算法的耗時，對比結果如圖3所示。

圖3 變電站通信設備三維建模時間對比圖

由圖3可見，基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法耗時比方向梯度直方圖算法的耗時短。

選擇樣本數據為50、100、200、500、1 000、2 000個對比基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法與方向梯度直方圖模型的準確度如表1所示。

表1 變電站通信設備三維仿真準確度表變電站通信設備三維仿真準確度表

由表1可見，基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法的三維仿真準確度比方向梯度直方圖模型算法更高。

5 總結

為解決變電站通信設備三維仿真中存在的場景真實性差，設備狀態預測難度大的問題。本文提出了一種基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真方法，設計了一種基于SURF特征檢測的變電站通信設備三維仿真工具，對所提算法在500 kV變電站進行了仿真，其結果驗證了本方法的準確度和性能均高于方向梯度直方圖算法。

下一步，將結合中心通信機房的通信設備三維仿真場景做進一步研究。