基于三維場景交互的電力電纜在線監測系統研究

華能吉林發電有限公司長春熱電廠 梁泰宇 陳大明 回大林 華能吉林發電有限公司 孟 欣 張玉剛

電力電纜是保障民生的重要基礎設施，如何有效提升電力電纜運行維護的安全性及經濟性，提高運維管理工作的質量及效率，是相關從業人員必須深入考量的問題。傳統的電力電纜監控技術和管理方法，大多是采用二維、圖文和錄像監控等表現形式，但這種形式浮于表面，無法直接、清晰地展現出電力電纜內部的分布狀況，無法及時有效地開展故障分析及計劃檢修工作。對此，三維場景交互技術應運而生，利用三維場景交互平臺，對線纜隧道模型、隧道傳感器檢測裝置及實際施工環境等進行標準化的建模，再利用三維虛擬交互技術對虛擬裝置實現操作和交互，進而完成裝置的現場信號查看、告警信息管理及裝置的開關管理等，實現電力電纜的在線監測。利用該技術，運維管理人員可以精確掌握異常狀況出現的位置及范圍，及時采取相應措施，防止安全隱患的擴大。

1 電力電纜在線監測研究目標

由于廠級電纜是隱蔽工程，其數據信息大多來源于工程項目的設計及建設階段，若沒有提前存儲好各種資料，在項目工程竣工后，會出現不同程度的資料殘缺的現象，這會導致后期的電力電纜檢測及維修工作難以順利開展。某電廠的電纜管理主要采用傳統人工管理的方式，通過手持設備測溫實現檢測工作，這種方式不僅沒有連續性、周期性、可視化的數據獲取、記錄和歸檔，而且還易受人員工作積極性不高、漏檢事件等因素的影響，尤其是電纜敷設的部分區域環境昏暗、結構復雜、屏蔽嚴重、電纜測溫不便，導致難以及時發現安全隱患。通過對基于三維場景交互的電力電纜在線監測系統的開發與建設，可實現對電力電纜安全進行有效的遠程管理，可以輔助電廠管理人員實現可視化監管、及時響應和快速決策，實現科學化、數字化、直觀化的電纜檔案、運維狀態及施工管理，從而保障電力系統的安全高效運行。如在隱患初期可實現簡潔、安全、直觀、精確地查找和判斷設備溫度異常區域，管理人員可迅速采取有效措施解除安全隱患，這樣不僅延長了設備的生命周期，也大幅減少了設備資金的投入。

2 該電力電纜在線監測系統研究內容

運用三維虛擬現實技術，對線纜隧道內各類機械設備加以建模分析，經過系統設計模型數據分析的積累，建立電力電纜監測設備數據庫；采取組態方法，模塊化設計，生成建模編輯組態軟件系統，從而運用各種模型方便快捷地模擬出電力電纜隧道工程現場模式。三維場景采取模塊化建模方法，將場景中的設備按對象類型加以劃分，并運用人機交互界面直接對場景中的設備實施操縱。綜合視頻監控技術，運用視頻視角與三維空間視覺加以反映，從而完成虛擬場景與真實場景的連接[1]。在三維場景中可以直觀顯示已收集到的監控設備數據信息，當系統出現告警或狀況改變時，三維場景將根據改變的模式狀態提醒相關人員，從而實現聯動視頻顯示、預置位調用等功能。

3 總體架構

系統架構體系由技術支撐層、基礎數據層、業務應用層及相關標準和保障體系組成。系統核心為技術支撐層、基礎數據層以及業務應用層，其中，技術支撐層為系統提供各種技術支撐服務，它包括了數據庫管理、NET 企業框架、AutoCAD 技術、三維技術、多媒體技術、DXStudio 技術等。在技術支撐層之上的是基礎數據層，為業務應用層提供各種基礎數據，它包括了三維模型數據、CAD 數據、動畫視頻、檢修流程數據、用戶數據等。業務應用層利用下層的技術支撐與基礎數據，為系統用戶提供各種業務應用功能，這包括檢修實操動畫培訓、檢修實操考核、設備三維模型展示等以及與系統安全相關的用戶管理、角色管理、權限管理和密碼管理等[2]。保障體系分別是標準規范保障體系和數據安全保障體系。標準規范保障體系涵蓋了AutoCAD 的圖紙編制標準、設備三維建模制圖標準、數據庫設計規范等；安全保障體系可以保證系統在滿足電力設備安全性條件的環境下進行工作。

4 軟件平臺應用功能要求

基于三維場景交互的電力電纜在線檢測系統主要包含四大模塊的功能，基礎功能、運行管理功能、巡檢管理功能和應急管理功能。

4.1 基礎功能

基礎功能是平臺系統提供的各業務所共有的一些功能，主要包括對系統信息的配置維護和查詢統計。配置、維護管理主要包含對在線監測系統、人員基礎信息和用戶權限、三維場景及設備模型及三維GIS 電子地圖圖層數據的配置和維護等[3]。數據信息數據分析系統主要包含對設備信息、對歷史監測數據、歷史報警事件、運行日志及人員信息管理設施的查閱統計與分析等。

4.2 運行管理

運行管理功能主要是實現對生產狀況、設備狀況、環境狀況等的監測數據的可視化呈現、遠程管理及狀況評估。狀況檢測提供組態、表單、圖示、三維場景等多種方法予以呈現。遠程管理則包括了在WEB 頁面上使用組件，自動地向前端監控設備下達控制指令并傳遞開關量信息，關聯檢測對象的閾值，并按照閾值范圍自動連接前端的監控設備[4]。而運行狀況評價則是將對生產裝置運行狀況的評估結果加以標準化，并根據所檢測到的海量運行狀況數據加以自動分析運算，從而對計算結果作出合理的評價，讓相關工作人員更為明確直觀地了解生產裝置的實際工作狀況。基于三維場景中的狀態監測及人機交互系統的可操作性，用自動巡航功能來代替手動操作，遠程設置需要巡檢的設備點及各項巡檢信息，利用控制系統自動形成巡檢路線監控管理，工作人員即可借助平臺自動完成遠程巡查工作。進入預先設定好的設備點時，管理系統將集中展示相應的設備在線監測數據，檢查其變化趨勢是否正常，對檢查結果進行遠程綜合分析，并記錄分析結果。

4.3 巡檢管理

巡檢管理工作，主要指開展設備管理、過程管理和崗位信息管理等。在設備管理中，一般要求對現場的機械設備環境和監測設備數據信息實行集中管理，并支持按類型、按名稱對設備信息進程檢索和訪問。巡檢系統中可對機械設備實行GIS 自動定位，并能查詢與其有關的備品備件信息內容，如機械設備缺陷和裝置故障原因等內容[5]。在流程管理中，設備模型會依據實時收集到的數據，自主判斷設備是否在正常運轉。當設備運轉異常時，三維場景會將故障設備自動渲染成紅色警告模式，并指出其故障位置，同時不斷提醒作業人員及時排除故障，在解警后，可從設備的數據面板中查詢歷史報警記錄。在工作管理系統中，可實現對工作人員日常巡查任務和執勤排班等各項工作的管理，具體如下：其一，可對巡查工作人員下發巡檢任務或行動計劃，任務下發后，可采用短信的方式發送給相關人員。與此同時，在平臺上可獲取工作人員的位置，可實現巡檢記錄的管理等功能。其二，可實現排班值班功能，使對工作人員的排班和值班等管理工作更加方便快捷。

4.4 應急管理

應急管理系統，主要提供監控報警和預案處理信息管理功能。監控與告警管理系統涵蓋了告警選擇和告警應答的功能，可根據具體的監控設備和監測對象選擇最適宜的告警種類、告警級別、告警引發要求及告警信息形式。系統還給出了在事故報警情形下，對有關工作人員處理措施的規定、檢查和維持等功能。處置預案一般涉及事故報警時采用聲光予以提醒，采用短信通知人員，以及采用切換攝像頭預置位確定事故等。

5 該電力電纜在線監測系統關鍵技術

5.1 軟件開發框架

開發框架采用C#編程語言并基于.NET 開發平臺實現，完美支持分布式組件、XML、Web Service、B/S 應用程序、數據庫系統以及很多其他類型的程序。

5.2 數據庫技術

數據庫采用Microsoft SQL Server 數據庫系統，該系統數據類型豐富，可以提供多種開放式接口和多種詢問方式，這為系統功能的擴展提供了非常有利的條件。Microsoft SQL Server 是基于服務器/客戶機結構的數據庫管理系統，這種結構方式能夠使系統在服務器和客戶機間平衡負載，有利于與中心進行聯網和數據交換，大幅度提高數據存儲量和數據處理速度[6]。

5.3 3D 技術

在該系統中融入3D 建模和3D 高速渲染技術，在3D 實景模型中構建傳感設備和被測對象，高度仿真現場，可以實現近似身臨其境的監測效果。

5.4 基于模塊化的開發應用

基于模塊化開發，通過數據協議轉換模塊，實現與各子系統之間的通信連接和數據交互。外部系統借由外部擴展接口模塊實現和中心系統的對接。同時，所有應用系統都可以通過數據庫模塊實現與數據庫的對接，其他系統也可以通過數據庫模塊實現對數據庫的訪問和查詢[7]。

5.5 面向對象技術

基于用戶面對的數據大都是可操作的對象，為了方便用戶操作和使用，增強數據的互操作性和理解性，平臺采用面向對象的數據模型直接與客觀對象相對應，用戶隨時定義自己所需的數據類型，增強系統的二次開發能力和可擴充性。

5.6 電子地圖技術

充分集成Google 電子地圖功能，支持地圖多層顯示，用戶可自定義地圖顯示層級和顯示模式。

5.7 Web Service 技術

全面支持Web Service 技術，將采用不同開發語言、操作系統或應用架構的子系統通過標準的XML 語言進行無縫集成，實現平臺對各個子系統的集中監測。

6 該電力電纜在線監測系統技術特點

6.1 架構設計穩定

可以滿足對通用性、擴展性、安全性以及可靠性等要求。其一，通用性。軟件平臺可支持主流的三維系統模型（3DSMax、Maya）、支持主流的商業數據庫、支持主流工業實時數據通訊協議（ModBus、TCP、OPC)、支持主流無線通信技術（NB、LORA、Zigbee）。其二，擴展性。軟件平臺需具備較好的兼容性和通用接口，以便兼容主流設備。提供引擎的二次開發包，可以對三維引擎，場景美術系統，紅外熱成像系統，無線溫度監測系統、其他對接數據進行交互以及GUI 定制。其三，安全性。安全性主要指的是設備、網絡及數據的安全。通過前端分布和集中存儲相結合的方式存儲數據，通過權限控制限制數據的訪問，并做好日志記錄。其四，可靠性。軟件的設計思想是模塊化和分層隔離，可以保障系統能夠長期平穩的運行。系統響應和交互響應時間＜1s。并發用戶數大于1000，注冊和在線使用用戶數無限制，系統年無故障連續運行時間＞98%。

6.2 應用管理全面

提供了節點頁面的組態管理工作、設備工作臺賬信息管理、可視化現場監控信息管理、角色權限機制、內部業務多端口技術的聯合信息管理、或者一些分布式結構設計工作中的數據冗余和可靠性信息管理等多個功能，并采用統一的界面結構，便于使用者進行操作，并能夠與現有應用管理平臺之間的信息進行互動，從而達到更加強大的信息管理水平，提高電力電纜監測平臺的應用價值。

6.3 日常運維簡單

基于三維模型的建設運維較為簡單，當操作系統、技術設備或應用需求需要更新時，企業可迅速便捷地實現對新系統、新設備、新需求的支持，開發周期短暫，有效降低了電力電纜運營維護的成本。不僅如此，該平臺還可實現數據信息的匯集與共享，大幅減輕了工作強度。

基于三維場景交互的電力電纜在線監測系統的研究，將帶動各大電力生產企業實現自動化、科學化、可視化、智能化發展，促使電纜運營管理工作高效、快速、便捷、順利地開展與落實，不僅保障了電力電纜的安全運行，也將促進三維技術與電力行業的深度融合，助力電力企業更好更快的發展。