基于虚拟现实技术的变电站设备实时监控系统设计与实现

杨慧 谭卓强 邱海锋 余彬

摘要：当前我国视频监控的相关电力设备在进行定位的过程中，其花费的时间较长，而且监控效果并不能达到预期的理想状态，因此针对这些问题，我们要设计一种基于虚拟现实的电力设备监控系统，从而有效提高视频监控的效果。在进行采用虚拟现实技术的变电站设备进行实时监控系统设计的过程中，要想取得良好的监控效果，必须要准确计算监控摄像头的旋转角度，从而再根据计算结果旋转真实场景中的最优监控摄像头，从而积极准确的进行观察当前电力设备运行中的状态。我们在供电公司内部充分搭建该系统，一方面能够准确地对运行结果进行监控，另一方面有利于实时观察电力设备的运行状况。

关键词：虚拟现实；监控摄像头；系统设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0273-02

当前根据相关调查，SCADA系统在实际运行的过程中并不能够充分实现电力设备的钥匙功能，因此相关的监控人员必须要借助监控摄像头来进行观察电力设备的主要运行状况。而由SCADA系统进行控制的方式，不仅仅要浪费较多的时间来对电力设备所存在的定位进行寻找，同时该系统主导下的监控效果也不理想。因此，本文针对视频监控电力设备当前存在的各种问题，必须要对定位时间长和监控效果达不到预期目标的问题等进一步研究，从而依托基于虚拟现实的电力设备监控系统进行研发。

1 虚拟现实技术

1.1特征

当前我国虚拟现实技术拥有三个最基本的特征，统称为虚拟现实技术的"3I"特征，即immersion（沉浸）、interaction（交互）、imagination（构想），虚拟现实技术所拥有的这三大特征，首先必须要排除当前现实世界所产生的各种干扰。一方面能够使得用户在虚拟现实技术的引导下从而快速的沉浸在其中；而另一方面，虚拟现实技术有利于帮助用户提供更加丰富便捷的人机交互方式，通过将相关的用户指令，在传递给虚拟现实环境的过程中，不仅仅要使得虚拟现实环境提供给当时的反馈信息，更要注重其中发挥的主要交互作用。最后，虚拟现实技术必须要给予用户相关的想象空间，一方面能够满足用户对当前虚拟环境的各种应用需求，使其体现到虚拟现实技术带来的便捷性。

1.2基本概念

1.2.1增强现实

所谓的增强现实，主要是指现实中的真实场景，要同虚拟物体从而进行融合在一起的主要方法，简单来讲，将当前现实世界的实体作为主体条件，借助相关的数字技术，从而使用户能够探索现实世界和之进行交互，增强现实的主要特点是指一种虚实空间的一致性结合，并通过实时交互的线框，从而实现虚拟现实的一个重要分支。

当前的增强现实跟踪定位系统必须要及时地检测的观察者在所处场景中的主要位置，以及所观察的主要方向，甚至是进一步要预测观察者在将来不久时间段内所产生的运动状况，从而帮助系统决定索要进行展示不同虚拟物体的不同时间，从而实现虚拟物体和现实世界之间的有机融合，使用户看到虚实结合的画面。

1.2.2混合现实

过个现实主要是结合当前的AR和VR技术的特点上所发展来的一种概念技术。这是指在真实世界过程中侧呈现的可信的虚拟事物，而所虚拟出的事物必须要完全符合现实世界中透视法则，甚至是必须要体现现实中的物理规律。混合现实技术是在增桥现实技术上发展得来的。

1.2.3影像现实

影像现实技术是运用全新的显示技术概念，它已经打破了VR和AR技术之间的主要特点，通过关多产的棱镜进行设计，从而将画面直接投射于用户的视网膜上，使其与视网膜之间进行交互，让用户感觉到高层显示设备视野狭隘或出现各种眩晕的问题。

2 系统整体结构

当前，基于虚拟现实的设备监控系统主要通过变电站电气仿真程序、监控摄像头控制程序、变电站虚拟现实场景和监控摄像头，四个部分组合而成结构，如图1所示。其中所谓的变电站，电气仿真程序主要是利用当前虚拟现实技术，从而对变电站构建的虚拟变电站场景进行模拟和仿真，从而找出当前变电站进行监控的最佳位置，以后将导出的结果信息传递给监控摄像头控制程序。监控摄像头控制程序是监控摄像头通过自动控制的程序，将接收到变电站电气仿真程序进行传送数据以后，通过上下、左右来旋转监控摄像头，使得镜头转向需要监控的电力设备区域。变电站电气仿真程序和监控摄像头控制程序是整个系统地球运行的平台，从而要连接变电虚拟现实场景和监控摄像头两个内容。变电站虚拟场景一方面是通过将变电站仿真场景的界面进行显示，从而用于显示真实变电站内电力设备的主要位置等。而监控摄像头是通过彩色一体化的昼夜球形摄像机，能够实现镜头旋转变焦，或者进行自动聚集等各种有效的功能。

3 系统的实现流程

当前，基于虚拟现实的变电站监控系统在操作的过程中主要的流程如图2所示。第一步，必须要利用虚拟现实技术进行购，从而显示当前和真实片段场景相同的变电站虚拟现实场景。第二步，我们必须要根据虚拟场景所提供的一系列功能，从而有针对性地对要进行监控的区域进行选择。第三步，必须要确定监控摄像头的最优位置，从而在第四步中计算摄像头旋转的角度，有利于得到最優的旋转方式，并加结果传递给监控摄像头的控制程序，最终将旋转现实场景中的摄像头从而对准将要进行监控的主要设备区域。

3.1构造显示变电站虚拟现实场景

在构建变电站虚拟线支持场景的过程中，首先必须要通过3D MAX SDK所提供的二次开发环境，在此环境中将变电站中的变压器或者电流互感器等一次设备，以及操作箱货压板等二次设备，将这些设备进行导出，一方面有利于搭建变电站虚拟现实场景的三维设备模型。我们必须要避免在生成三维设备模型的过程中，通过提高虚拟场景进行搭建的有效效率，既可以能够成功的保存并导出三维设备模型，从而赛赛三维模型库中，找出符合实际需要的主要零件，将其移动到合适的位置，与其他的设备一起作用，从而对变电站虚拟现实场景进行构造。

在变电站虚拟现实场景进行构造之后，而在该工作领域的监控人员必须要选择出进行监控的区域。但其中对于计算机的硬件性能具有超级高的要求，我们必须只有通过进行大量的图形计算之后，才能对变电站虚拟现实场景的显示进行研究。

3.2监控区域的选择

在监控区域选择的过程中，一方面我们是要对变电站虚拟现实场景中的场景漫游功能进行实现，另一方面，监控人员必须也要加强鼠标、键盘等各种设备的充分利用，从而可以对变电站虚拟现实场景进行第一人称视角的平移和旋转。同时还可以通过选中的电力设备，进行前后左右上下自由的漫游，从而帮助监控人员对需要的监控电力设备进行寻找。除此之外，工作人员也要对监控的电力设备进行编号，避免出现失误的状况，监控工作人员对设备列表中需要快速定位的电力设备，只有不断地进行场景漫游才能够利用最大的效果选择监控设备的主要区域。

3.3最优监控摄像头的选择

在变电站内如果选择将摄像头安装在位置较高，或者是视野相对开阔的位置，那么摄像头的监控范围必然能够不断扩大，从而对变电站内部的电力设备进行监控。一般情况下，监控摄像头距离监控区域越近那么其监控的效果便会越好。在此过程中，我们常常通过对每个摄像头中心点和监控区域中心点之间的距离进行科学合理的计算，从而把距离监控区域内最近的监控摄像头选择出来，将其作为该区域内的最优监控摄像头。但是这样进行选择最优监控摄像头，并不能排除可能出现视线阻挡的状况，因此，我们在选择完监控摄像头之后，也要通过相关的方法，对于监控摄像头选择进行相对的验证。

3.4监控摄像头旋转角度的确定

在变电站虚拟现实场景中，我们通过相关的计算方法，有利于快速选择出最优的监控摄像头，然而对于需要计算该监控摄像头的旋转角度，也是非常重要的一步，有利于将其传送给监控摄像头的主要控制程序通过进行旋转真实场景中的监控摄像头来达到监控的目标。而监控摄像头一方面能够从一个位置不停地旋转可以到另一个位置，其存在多种运动方式，但是其归根到底都是水平运动和俯仰运动的目的，只有不断地计算监控摄像头，水平方向和垂直方向所显示出的旋转角度，才能够将监控摄像头对准需要监控的主要位置，实现最佳的监控效果。

3.5系统运行

我们通过对虚拟现实技术，不断进行开发的流程研究可以采用OPEN GL与VC++来编写变电站电气仿真程序和摄像头进行自动控制的相关程序，在程序進行编写，完成后从而在HPZ820的图形工作站上进行运行。通过相关的运行结果显示得出，系统在运行的过程中能够及时地观察电力设备运行的实际状态，准确的确定摄像头做监控的主要位置，保证实现电力运行设备的主要功能。

4 结语

当前，随着社会科学技术的快速发展，虚拟现实技术是一种较为新型的技术，主要被用于电力仿真领域。因此我们必须要在电力仿真领域，通过努力构建基于虚拟现实的电力设备监控系统，同时要在电力设备监控系统构建完成后，选择相关的监控区域，找出最优监控摄像头的位置计算监控摄像头最优选转角度，按照相同的方式，对真实场景中的最优监控摄像头进行研究，从而保证电力设备运行状态能够进行实时观察，有利于帮助电力运行设备的遥感功能进一步实现。在电力设备监控系统研究和开发的过程中，我们必须要加强其与 SCADA系统之间的有效融合，通过接收SCADA系统中各电力设备进行运行的相关数据，保证虚拟现实场景中模拟各种电力设备的运行状态，这是该系统在未来发展中的主要改进内容。

参考文献：

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