vr技術2000字論文篇壹：《試談基於虛擬現實(VR)技術的電力統壹監控平臺》
摘 要
由於無人值守變電站越來越多，這對電力管理部門在技術和管理上都帶來了新的挑戰。無人值守變電站的自動化、智能化的程度越來越高，各種在線監控系統也越來越多，對於信息化管理的要求也更高。因此亟待需要壹個統壹監控平臺將電氣設備、環境、圖像、各種報警裝置全方位直觀展現，以便管理操作人員能快速、直觀、便捷的查看到所需的實時或歷史數據。本項目即是針對以上所列出的無人值守變電站運行管理的新挑戰，通過基於虛擬現實(VR)技術的變電站遠程統壹智能監控平臺的應用研究，來提高無人值守變電站的運行管理水平。
關鍵詞虛擬現實 電力 智能 監控平臺
1 引言
隨著電力自動化技術的快速發展，越來越多的常規變電站改造為無人值守變電站，無人值守變電站的電壓等級和範圍越來越廣，成為未來發展的必然趨勢。在常規變電站改造為無人值守變電站以後，它實現了變電站運行的自動化、精度化，確保了對變電站事故的處理效率和準確性，進壹步保障了 系統安全 ，減少了人員的誤操作，減少了大量的運行值班人員，提高了勞動生產率，降低了成本，帶動了企業科技進步。
但是無人值守的模式無論是在技術上還是管理上都對原有的模式帶來了新的挑戰。無人變電站的電壓等級各站有所不同，設備型號復雜，對於管理運行人員熟悉設備的運行、維護和操作的要求高。並且無人值守變電站的自動化、智能化的程度越來越高，各種在線監控系統也越來越多，對於信息化管理的要求也更高。因此亟待需要將不同監控系統按照設備的真實場景進行統壹、整合、分析，電氣設備、環境、圖像、各種報警裝置能全方位直觀展現，以便管理操作人員能快速、直觀、便捷的查看到所需的實時或歷史數據。
2 項目內容
本項目即是針對以上所列出的無人值守變電站運行管理的新挑戰，通過基於虛擬現實(VR)技術的變電站遠程統壹智能監控平臺(以下簡稱?平臺?)的應用研究，來提高無人值守變電站的運行管理水平，如圖1所示。
2.1 平臺的功能
2.1.1 真實三維再現變電站場景
直觀再現變電站的建築、主控室、開關室及環境場景; 直觀顯示電氣壹次部分以及電氣部分的實際連接;直觀顯示開關櫃的位置、外觀 ; 直觀顯示輔控設備的現場安裝位置。
2.1.2 集中展示設備工況
3D實景中沈浸、快速、便捷地查看任意電氣設備的相關數據、數值、圖像，並可進行歷史變化趨勢的對應分析、判斷。
與Scada系統融合――實時展示電氣設備的Scada遙測、遙信數據，並統計開關跳閘次數、變壓器調檔次數及瓦斯保護動作次數;
與圖像監測系統融合――實時顯示現場監測圖像;
與在線測溫系統融合――實時顯示在線溫度;
與現場巡檢系統融合――展示設備巡檢歷史記錄。
2.1.3 自動靈活查看實時圖像
雙擊場景中的設備，圖像設備自動進行轉向、對焦，顛覆傳統人工查找攝像機、轉動雲臺、聚焦等壹系列繁瑣動作;無需查找圖像設備，可快速、便捷、準確地進行對應設備的遠程外觀察看、拍照、熱紅外成像測溫、熱紅外拍照等壹系列動作，並智能生成人性化的記錄、 報告 等。
2.1.4 設備異常告警
整個三維場景中，每個設備模型會隨著實時采集來的數據，智能判斷設備工作狀態是否正常;對於出現異常的，三維場景會自動將設備渲染成告警模式並定位，不斷提示操作人員及時排除故障;解警後，可在設備數據面板中查看歷史告警記錄。
2.1.5 遠程巡視
設定所需巡檢的設備點以及關註的數據量、視頻圖像外觀、熱紅外成像等必要的巡檢信息，系統自動生成巡檢路徑;巡視人員通過平臺隨機或定時進行遠程巡檢，當進入已設定的巡檢設備點時，系統將相關的設備相關在線監測數據，進行集中展示;對實時巡檢的結果、過去時間短的變化趨勢等進行正常與否進行巡視、判定，形成遠程綜合分析巡檢結果記錄，如圖2所示。
2.2 基於虛擬現實(VR)技術實現的變電站遠程統壹智能監控平臺的特點
2.2.1 直觀逼真
虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化、操作以及實時交互的環境。本平臺中將通過三維模型忠實逼真地再現了安陽市北郊變電站場景，產生了沈浸式的交互環境。
2.2.2 統壹管理
基於虛擬現實(VR)技術實現的變電站遠程統壹智能監控平臺可融合各種平臺系統，展示其相應數據或圖像，如Scada電氣數據(遙信、遙測數據)、在線測溫數據、輔助監控系統的視頻圖像等。
2.2.3 智能監控
基於虛擬現實(VR)技術實現的變電站遠程統壹智能監控平臺融合數字視頻監控、RFID無線識別、智能門禁、智能報警等多種監控方式：
整個三維場景中，每個設備模型會隨著實時采集來的數據，智能判斷設備工作狀態是否正常。對於出現異常的，三維場景會自動將設備渲染成告警模式並定位，不斷提示操作人員及時排除故障;
所有的圖像、安防、消防、周界、門禁、溫濕度、各種傳感設備、三維壹次電氣設備及其附件的各種屬性、數據、動作、變化規律，均可以作為告警條件，進行告警及組合告警觸發。
2.2.4 智能遠程巡檢
優化目前傳統的現場巡檢模式，通過在該平臺上設定巡檢路線、巡檢設備、巡檢數據量、設備外觀等不同巡檢內容，巡視人員在定時或隨機通過該平臺上進行遠程巡檢，當進入巡檢設備點時，系統將相關的設備相關在線監測數據，進行集中展示，並對實時巡檢的結果、過去時間短的變化趨勢等進行正常與否進行巡視、判定，形成綜合分析結果記錄，能遠程、高效進行電氣設備多系統、跨平臺巡測，減少現場巡檢頻次，形成和現場巡檢的高度互補、統壹。
3 技術實現 3.1 3D建模技術
三維建模軟件為3dMax，它是Autodesk公司開發的基於PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，它功能強大，擴展性好。它適合制作建築模型、物體動畫模型以及人物動畫模型等，可利用系統自帶的材質庫，或自制的貼圖，來達到逼真的效果。
3DMax還可以將模型文件導出多種格式的文件，可用於 Java3D開發的引擎平臺加載，如obj文件、3ds文件、mdl文件和smd文件等。
本平臺引擎所適用的模型有obj、3ds和ms3d。基本場景靜止模型采用obj文件格式;刀閘開合、門開合的動畫采用3ds格式;漫遊人物動畫采用ms3d格式。
3.2 平臺引擎技術
由於本平臺采用B/S架構，所以平臺引擎選擇用Java3D 來實現VR技術。Java 3D是Java語言在三維圖形領域的擴展，是壹組應用編程接口(API)。客戶端只需要使用標準的Java虛擬機就可以瀏覽，因此具有不需要安裝插件的優點。而且Java3D是基於Internet的軟件開發平臺，它能將圖形功能與Internet很好地集成在壹起，因此它非常適用於開發基於網絡的VR系統。
本平臺算法有如下創新點：
(1)創新采用雙視野模式展示變電站復雜場景中的人物/眼睛視野模式;更加直觀，沈浸地再現變電站復雜真實場景，實現變電站復雜場景及電氣設備、屏櫃等多視角三維展。
(2)針對三維變電站場景地形的復雜性，改進傳統2D啟發式搜索A*算法，大幅度提升變電站復雜三維場景自動尋徑的消耗時間。
(3)改進了三維變電站復雜場景中地面高低的檢測算法，創新地增加了多維射線，來檢測路面的高度信息，提高檢驗的精確性。
(4)根據變電站場景的復雜性、電氣設備的布局復雜以及空間局限性，改進傳統的AABB碰撞檢測算法，采用動態AABB碰撞檢測算法，大幅度提高碰撞檢測的準確性。
(5)在變電站三維復雜場景中人物平滑移動，摒棄傳統的BSP樹，采用橢球體算法並添加滑動公式，實現碰撞後的平滑移動及電力巡檢人物碰撞後的橢球體滑動處理。
3.3 系統接口技術
本平臺與 其它 所需展示的系統接口程序采用Web Service模式。它是基於網絡的、分布式的模塊化組件，它執行特定的任務，遵守具體的技術規範，這些規範使得Web Service能與其他兼容的組件進行互操作。Web Services 利用 SOAP(簡單對象訪問協議)和 XML(Extensible Markup Language可擴展標記語言 )對這些模型在通訊方面作了進壹步的擴展以消除特殊對象模型的障礙。XML是用於標記電子文件使其具有結構性的標記語言，提供統壹的 方法 來描述和交換獨立於應用程序或供應商的結構化數據，可以用來標記數據、定義數據類型，是壹種允許用戶對自己的標記語言進行定義的源語言，非常適合 Web 傳輸。
本平臺的壹大功能是可以展示不同系統的實時參數，不同的系統有不同的編程方式，而且像Scada系統，數據量大，且實時性要求很高，接口程序需要設計的靈活、高效，擴展性好。
與Scada系統接口：Scada系統中有所有電力設備所有遙測、遙信數據，本平臺需要快速、便捷的從如此龐大的數據量中檢索出所需的數據是個難點
與變電站輔控系統接口：本平臺需要從輔控系統中要快速便捷地檢索出實時圖像、及智能報警信號，而圖像的文件壹般比較大，快速流暢地在3D平臺中展示是個難點。
預留與其它系統的接口：因為本平臺可以融合其它多種系統平臺的數據，所以要求它在擴展性上做到有足夠的冗余設計。
4 結論
基於虛擬現實(VR)技術的統壹監控平臺三維系統采用先進的軟硬件技術，在系統功能方面立足電力變電站智能化管理和安全運行的實際情況，解決了傳統管理中很多人工難以解決的問題，同時面向變電站整體模塊，克服過去各系統數據條塊分割、人工關聯的弊端，從變電站實際指揮、運行診斷、檢修操作等實際使用的角度出發，實現變電運行設備數據準確及時的采集，電氣設備、各種監控裝置等真實位置場景及實時狀態進行直觀、立體、逼真的集中再現及變電站三維巡視的漫遊、數據記錄、外觀記錄、巡視分析報告錄入等數據的直觀、統壹再現。規範了業務流程的管理，減少了人工和材料損耗，實現了信息數據及分析的自動生成，實現了變電運行的智能及集中化管理。
參考文獻
[1]陳卓等.基於虛擬現實的變電站培訓仿真巡視功能研究 [J].現代計算機(下半月版)，2010(09).
[2]張照彥等.虛擬現實在變電站仿真中的應用 [J].計算機仿真，2008，25(2).
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