一种基于全景的输电线路可视化运维管理技术

张云飞

近年来，随着电网建设规模的激增，出现了大量多回同塔架设和同塔倒序走向的情况，导致电网的结构日趋复杂，并带来了一系列的运行管理难题。为了实现输电线路的有效运维管理，现阶段主要采用二维GIS平台来管理各等级线路，这种方式存在以下瓶颈：①线路的频繁变更带来相关技术档案资料的实时更新难题，往往造成技术档案与实际线路不符；②二维GIS平台无法表现设备的结构域关联信息，更无法获取线路运行管理所需要的线路垂直方向上的层次信息，因而不能对交叉跨越等特殊区域进行有效管理；③大多数采用加载固定三维模型的输电 GIS难以满足线路及其设备动态变化的要求；④在夜间时无法获得较好的图形质量且摄像头必须架设在稳定的角落，这会因摄像头数量的增加而导致布设成本和运维成本的提高[1-2]。

作为一种基于图像绘制的虚拟现实技术，全景技术在表达真实场景方面具有得天独厚的优势，不需要移动摄像头就能够无盲区地获得采取区域内的景物。利用全景技术来实现输电线路可视化运维管理，既填补了国内外利用虚拟现实技术在输电线路运维管理应用的技术空白，又给输电线路提供了一种迎合时代的运维管理模式。

1 基于全景的输电线路可视化运维管理方案

1.1 总体框架

基于全景的输电线路可视化运维管理在纵向上可以划分为四层：①其中用户表现层负责用户交互的控制和输电线路全景的显示；②应用逻辑层负责具体功能的运行，包括输电线路全景和业务处理等；③Web服务层负责路由处理、编程接口、请求接听、数据库持久化模型、控制器系统等功能的实现；④数据支撑层负责数据的存储和维护。在横向上，基于全景的输电线路可视化运维管理需要满足安全与标准体系的要求，包括数据存储与传输规范、接口规范、网络安全、数据安全、系统安全、用户安全等（图 1为基于全景的输电线路可视化运维管理的总体框架）。

图1 基于全景的输电线路可视化运维管理的总体框架

1.2 模块组成

基于全景的输电线路可视化运维管理分为三大模块（如图2所示）。

1）全景图像采集拼接模块。这个模块由摄像装置（安装三脚架的数码相机或全景拍摄云台）和图像采集拼接模块构成，经摄像装置采集的输电线路现场照片被输入到计算机中，由图像采集拼接模块负责将多张局部照片融合为完整的全景大图[3]。

2）全景重建贴图模块。经图像采集拼接模块拼接生成的全景大图被输入到全景重建贴图模块中作为球面模型的贴图，并在球体内中央架设一个可由鼠标在设定范围内控制角度的虚拟摄像机，从而对现场进行三维显示。此外，热点数据库中的热点信息和位置将传输到全景重建贴图模块，以便在三维场景中显示热点及对热点属性进行编辑。

图2 基于全景的输电线路可视化运维管理的三大模块

3）热点数据库。每个热点（即在全景视图的特定位置进行附着，操作人员可以与其交互并提供该位置相关信息的元件）的三维坐标和信息将被存储到热点数据库中，其中操作人员可以通过热点数据库对设备的相关信息（如型号、维护日期、检修人员等）进行录入、修改、删除和备注等操作。热点不仅可以提供坐标信息（在三维场景中的位置），而且可以提供说明信息（该位置需要给用户展示的全部信息），这使得用户可以快速了解输电线路全景视图中哪些位置具有重要信息（如维护周期），并对这些信息进行调阅[4]。热点的添加、信息编辑、重定位和删除等操作都可以在全景重建贴图模块所负责显示和互动的Flash Player中进行，然后在指定目录下以XML格式进行保存，以供操作人员日后调阅。

1.3 三维输电线路场景应满足的功能

在采用全景技术构建三维输电线路场景时，应满足如下功能：

1）三维输电线路场景能自动漫游。三维输电线路场景应能够根据指定的特定路线进行视点移动，并且输电线路相关信息的设置越全面越好，以满足用户的需求[5]。

2）三维输电线路场景的调入显示。根据观察点所处位置的不同，用户可以调度不同的输电线路场景，必要时还可以打印所需信息。

3）设备信息的查询。用户可以对主屏幕上相关设备进行点击，查看设备的生产厂家、检修时间、型号等信息，从而对输电线路设备的信息情况进行全面了解。

4）三维输电线路场景漫游的可控性。用户在查看三维输电线路场景时，可以通过鼠标及键盘等对漫游进行控制，从而实现三维输电线路场景的自由浏览。

5）输电线路设备的搜索。通过在主屏幕上输入输电线路设备的名称，然后快速进入到相应栏目来查看设备的详细信息。

6）特定位置的指定。例如，如果用户想查看某条线路上变压器的实际运行状态，那么可以选定到相应的界面，然后点击变压器一栏进行信息的查看。

2 输电线路场景的建模和全景拍摄点的坐标获取

2.1 输电线路场景的建模

1）快速建模方法

要想给人舒适感和真实感，就需要通过合理建模来构建三维输电线路场景，而本文采用了如下的快速建模方法：利用全景技术来采集输电线路的现场照片，经全景拼接后获得360°全景图片，然后以次为背景构建输电线路场景；在设备建模上，利用透明模型区域覆盖来代替具体的设备[6]。

传统建模方法需要对设备进行精确建模，如果模型想给用户好的外观体验，那么就必须精确到每个部件，这意味着传统建模方法的真实感与模型的精确程度是呈正比的。然而精确建模会使建模工作量激增，故良好的外观体验必须会导致整体建模周期的大大延长[7]。而采用此种快速建模方法，虽然可能会导致模型精准度的相对下降，但可以在确保虚拟现实真实体验的基础上，避免传统建模复杂耗时的缺陷。

2）图像采集与拼接的要点

在构建输电线路场景时，需要对输电线路现场进行实地图像采集，如果硬件条件允许，就可以使用全景云台来采集图像，而通常带有三脚架的数码相机就能够满足拍摄需求。

（1）图像采集前的工作。通常希望用较少的拍摄次数来获得所需图像，因此，要选用视角尽量大的数码相机，即使用焦距较小的镜头。使用数码相机进行图像采集时，可以采用不同镜头（表1为3种镜头的性能对比），而本文在综合考虑成本、拍摄质量等因素的基础上，最终采用标准变焦镜头+单反相机。

（2）图像的拍摄。为了确保输电线路设备细节的可见，拍摄时应尽量选择晴好天气，根据光线情况调整单反相机的曝光参数并按一定顺序从多个角度进行取景。在拍摄时要注意如下事项：①取景时如果有近距离的行人或车辆，就应等待其离开或静止后方可拍摄；②确保水平和垂直相邻的图片有20%左右的重合范围；③三脚架应尽量保持水平，避免拍摄图像倾斜而增加图像处理的运算量。

表1 三种镜头的性能对比

2.2 全景采集点的坐标获取

作为全景数据的重要组成部分，全景采集点坐标的准确获取对于输电线路可视化运维管理的顺利实施至关重要，而现阶段全景采集点的GPS坐标获取，可通过如表2所示的途径实施。而本文中，采用的是数码相机拍摄+手动标定的方式来获得全景采集点的GPS坐标。

表2 全景采集点的GPS坐标获取方案

3 结论

基于全景的输电线路可视化运维管理中，虚拟现实的引入使得输电线路设备的分布通过三维形式还原到计算机上，所有图像信息都是实地取景，通过漫游功能，用户能够直观地了解输电线路设备布局；全景技术热点功能的应用，使得输电线路各设备的位置得以标注，并且输电线路设备的位置与性能参数一一对应，在性能参数能够同步传输给系统的基础上，用户能够实时掌握输电线路设备的运行状态，以便判断输电线路设备的运行是否存在安全隐患并及时排除。基于上述分析，利用全景技术这种具备优秀展示性的技术，给输电线路的运维管理带来了直观可靠的技术路线。

[1] 曲朝阳, 熊泽宇, 颜佳, 等. 基于空间分割的电力大数据三维全景可视化场景管理方法[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2016, 43(2)： 23-29.

[2] 俞容江, 徐强, 胡晨刚, 等. 基于三维全景可视化的输电线路架空线路选线平台研究[J]. 科技创新导报,2016(36)： 22-23.

[3] 黄彭, 金欢, 马潇, 等. 三维GIS技术在输电线路选线中的应用[J]. 电气技术, 2015, 16(3)： 125-128.

[4] 陈汉苑. 基于鱼眼镜头的全景图像生成算法研究[D].泉州： 华侨大学, 2015.

[5] 马巍. 基于全景技术的沈北国管小区可视化运维管理平台的研究与应用[J]. 黑龙江科技信息, 2015(30)：79-79.

[6] 王涛, 李渝, 顾雪平, 等. 电网关键线路序元搜索方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(2)： 153-162.

[7] 罗容波, 江聪世, 曾庆辉. 一种面向可扩展三维可视化的电力设备标记语言研究[J]. 电气技术, 2016,17(4)： 139-141.