基于混合现实技术的配电网运维优化

（广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510699）

0 引言

配电网运维是配电网管理的依据和数据来源［1］，设备开展检修、试验均依赖于日常对设备状态的巡视结果，且配电网规划与设备状态分析紧密相连。目前配电网运维仍处于高度依赖人工的阶段，与一流配电网对运维的要求存在差距： 技能培训工作依赖于专家的现场教学，无法模拟真实场景；配电网检修、试验无法在现场作业的同时进行信息查阅；局限于现场环境，遇到问题无法详细查看设备的内部结构、设备台账；无法将现场实时画面传送到后台，解决问题的途径有限。低效率的作业与高效可靠的现场作业管理要求矛盾日益突出，实现更高效、安全、便捷及智能的配电网运维成为一流配电网建设必须跨过的门槛。

对电缆及通道、配电房、台区实施智能化改造［2］，是当前提高运维效率的一种探索。文献［3］提出了基于巨磁阻效应的高性能电流传感器，此类先进的传感和测量技术［4-5］是实现智能化的基础。文献［6］结合物联网概念及射频识别技术，提出了电力物联网的概念，以达到优化系统运行、提高系统的安全稳定性的目的。文献［7-8］阐述了智能电网大数据的数据特征、研究方法，通过对数据深度挖潜，使得数据价值反哺运维。文献［9-10］阐述了智能配电系统的内涵、架构及其关键技术。智能化的结果可以在一定程度上提升运维效益，但就运维人员的实际工作流程而言，仍缺乏有力的门户界面整合资源，使其从繁重的现场实际工作中解放出来。

基于混合现实技术［11-12］，阐述了混合现实技术引入到配电网运维后的新模式，给出了建模原理，并探讨了典型应用场景，为适应一流配电网要求、打造先进配电网运维提供一定参考。

1 面向配电网运维的混合现实建模

1.1 实时3D 场景模型构建

1.1.1 3D 场景模型的建立流程

3D 场景模型的建立流程分为三部分：

1）现场调研，采集现场环境及相关设备影像资料，为设备三维数字化做充足的准备。明确单位建筑的占地面积，衡量配电房内部电气设备的尺寸，确认重点配电网设备是否具备交互体验等。

2）确认相关硬件的设备运行性能，确认美术的制作规范，针对硬件做整体资源的开发容量评估。

3） 根据调研内容以及美术制作规范搭建3D MAX 软件制作环境。

①确认制作模型单位尺寸，为最大限度减少虚拟空间中的比例误差，应建立相关的等比例角色参考放在场景中。

②确定贴图尺寸。

③确定多维子材质数量。

④布局模型UV 贴图时，区分模型之间、模型与自身实际的对比主次关系。

⑤控制模型贴图使用数量。

⑥控制整体场景模型面数，结合硬件性能加以控制。

⑦模型在制作过程中或者完成某个阶段时进行检查，避免模型法线错误。

⑧3D MAX 的几何建模方法主要有多边形（Polygon）建模、样条曲线建模、细分曲面技术建模以及2D 建模，最终全部转成Polygon 模型，以方便其他环节的读取修改。

⑨模型制作完成后按照默认格式FBX 导出。

⑩模型贴图采用PHOTOSHOP 绘制，jpg 格式，需要透明贴图的采用TGA 专属格式。

1.1.2 简易3D 模型的建立方法

从外形上判断，简单的电气设备利用系统提供的基础模型“BOX，Cylinder”创建，模型效果如图1所示。

图1 “BOX，Cylinder”建模效果

同时根据前期调研，对测量所得的尺寸设置相应计量单位，将“BOX，Cylinder”转换成Polygon 模型，并加以编辑修改。

1.1.3 多边形建模

多边形建模技术采用小平面来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或其他多边形（实际中多是三角形或矩形）。模型效果如图2 所示。

图2 Polygon 建模效果

使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体，再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品，复杂模型的建模效果如图3 所示。

多边形建模快速，但难以生成光滑的曲面，故而其适用于构造形状规则的物体，如大部分的人造物体。同时，可根据虚拟现实系统的要求，通过调整所建立模型的参数可以获得不同分辨率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要。

1.2 场景模型UVW Map 贴图绘制

1.2.1 UV 坐标展开方式

如图4 所示，通常给物体纹理贴图最标准的方法是以平面、圆柱、球形、方盒坐标方式投影贴图。

图3 复杂模型Polygon 建模效果

图4 不同方式投影效果

相比单个简单物体创建时默认特定的坐标，复杂物体的坐标须指定某个面或某些面的编码（Identity Document，ID），并把这些ID 和贴图关联，使每个贴图和复杂坐标的物体上的每个拥有ID的面相对应。

1.2.2 UV 贴图绘制

对模型UV 展开并完成合理分布后，即可把UV坐标渲染输出成图片，并用PHOTOSHOP 打开，根据规范设置贴图尺寸、分辨率，结合手绘版绘制相关内容。

利用3D MAX 建立三维模型能够将虚拟物体与现实实体相互融合，可以为运维人员提供全新的交互方式，让运维人员更容易掌握一些在实践中难以认知的知识细节。

1.3 已完成建模的典型对象

如图5、图6 所示，按照上述建模的流程、方法，可对配电网运维过程中的电气设备、附属设施、生产建筑等进行建模，实现虚拟物体与现实实体相互融合，为运维人员提供全新的交互方式，帮助运维人员更加专注于解决现场问题和提高服务质量。

图5 配电房整体外观

图6 配电房变压器和低压柜

2 基于混合现实技术的配电网运维系统搭建

2.1 系统开发

将低学习成本的混合现实技术引入配电网运维后，通过在各生产运维环节应用该技术及相关设备，能够简化运维人员操作流程，提升运维效率，达到降本增效的目的。

系统基于硬件HoloLens 开发，采用三层架构模式，如图7 所示。

图7 系统结构

在系统后端与硬件数据对接，将参数接入数据层，通过数据库直接将需要呈现的数据流向具体的应用程序。数据经过应用的解析，根据运维人员制定的呈现方式将数据通过HoloLens 渲染，实现可视化。

该系统包括配电房三维立体展示、运维培训、巡检辅助、远程协同。开发面向配电网运维的混合现实系统，不仅能节省资金，降低风险，还能使运维各环节联系更加紧密，运维人员得以深入设备内部，梳理运维流程，对工作要求理解更加深刻。

2.2 介入配电网生产运维的流程

混合现实技术介入配电网生产运维的具体流程包括6 个步骤：

1）运维人员穿戴混合现实设备，开启应用，首先看到启动画面，显示logo、“配电网运维混合现实系统”等标题性文字。

2）初始画面结束，运维人员面前出现主菜单面板。菜单面板始终面向运维人员，柔性跟随运维人员视野。菜单面板内容如图8 所示，程序共分为4 个功能模块：三维配电房、运维培训、巡检辅助、远程协同，每个功能模块对应不同的应用场景。

3）运维人员可点击左侧菜单，查看右侧窗格对该模块的功能简介和操作指引；点击下方 “进入场景”按钮，开启模块内容。

4）每个模块要求的网络环境均有不同。当运维人员的启动环境不匹配时，系统将弹出错误提示。

5）进入巡检辅助等场景中后，运维人员可看到身边有一个蓝色发光的“菜单球”跟随，可随时点击菜单球呼出菜单，点选“返回主菜单”。

6） 运维人员使用凝视方式触发按钮或操作，若视野停留在目标物体上，视野中心可见圆形进度条变化，进度条旋转填满后，触发交互内容；运维人员也可直接使用点击手势进行点击。对于部分模拟操作内容，需要运维人员与目标物体距离较近时，方可进行点击或凝视交互。

图8 菜单面板

2.3 基于混合现实的运维模式架构

基于混合现实的配电网运维模式如图9 所示。基于混合现实的运维模式由云端数据管理和远程指导两大环节构成。云端数据管理是基于混合现实技术的配电网运维模式的后台支撑总成，包括专家音视频协同管理、智能搜索、数据和资源管理等模块。远程指导环节包括专家端、现场端和知识图谱。知识图谱通过数据训练、智能归集建立，包含配电网设备信息、地理信息、实时运行数据、巡视检修和试验记录及其历史记录。知识图谱的建立由健全的闭环管控机制提供管理保障，以应对配电网网架、设备、环境、技术条件等因素的变化。

数据、资源管理为文档、图纸、工单、模型等各类数据提供基于PC 网页端访问、云端储存、管理、分享等功能。这些数据、资源整合于供电企业现有业务系统并生成知识图谱，供运维人员智能搜索和快速访问。

混合现实穿戴设备可以为现场运维人员提供友好的门户界面，运维人员应用门户界面快速检索多种文件类型的后台数据。如有需要，可语音连线技术专家，后台与前端共享视野，技术专家针对性地进行画面标注和推送指导文件。

图9 混合现实技术介入配电网运维模式

3 基于混合现实技术的配电网运维优化策略

基于混合现实技术的配电网运维优化策略包括地理信息引导、配电设备操作指引、设备结构全景展示、历史运维数据呈现、后台专家支持等。

3.1 地理信息引导

一方面，配电房地理位置和环境较为恶劣，对其定位严重依赖经验，对运维人员而言存在定位难、到位慢等痛点。另一方面，随着自动化、智能化设备的配置，配电网设备逐渐增加，对配电房内设备进行日常巡视的工作量和难度都在不断提高，对运维人员的素质也提出了更高要求。

配电房位置导航实现了对配电房以及房内设备位置的定位功能，使用者通过佩戴Hololens 实现虚拟场景和现实场景的虚实结合，带来更具实用性的辅助方案。

对导航系统的基础数据进行全场景建模，虚拟场景中的模型设备和配电房依据真实尺寸进行1∶1建模。运行系统加载出配电房虚拟模型后，通过设置中心锚点的位置将虚拟场景和现实场景重叠在相同的空间位置中，将虚拟场景的空间位置保存在Hololens 中，下次开启时设备将自动识别空间信息，当空间信息与上次保存的信息相匹配时，虚拟场景空间位置会自动与现实场景的空间位置重合。在虚拟场景中打开设备列表，进行定位，虚拟空间中将出现指示箭头标注设备的位置，而房间内虚拟空间和现实空间是重合的，所以虚拟指示箭头标识的位置即为实际设备的真实位置。

3.2 配电设备操作指引

配电网运维的过程中，为保障人身和设备安全，供电企业制定了一系列组织、技术安全措施，其中组织措施需要付出大量管理成本以确保生产流程中的各环节零差错。然而，误入带电间隔、误操作等恶性事件仍偶有发生。

基于混合现实技术，可实现配电设备操作指引。运维人员在选择工单后，使用导航功能，在配电房内根据全息影像引导提示，前往并识别工单对应的配电房设备，确保操作对象无误。

运维人员进入正确间隔后，HoloLens 以全息影像直观标记操作孔位置和操作方向。同时，运维人员可参照与实体设备结合的3D 模拟动画，进行开关柜停送等工单操作，完成回单指令。

3.3 设备结构全景展示

常规的配电网运维局限于设备表象，在获得环境检测、电气设备带电测试数据后，难以将获取的结果与设备内部建立联系。而一旦设备发生故障，缺乏设备内部构造资料的支撑，会使得故障定位时间长、定位准确性低。

利用设备结构全景展示对常规运维进行优化。采用基于配电设备内部模块构成的方式，对设备进行建模，然后辅以操作流程动画来模拟设备的操作方法。建模过程的精度控制在元件级，对设备内部的重要子原件进行分布拆分，将所有子原件进行组装成为完整的设备模型。将拆分的过程通过三维软件开发工具进行脚本流程控制，加入可逆逻辑控制，实现内部结构的组装和拆分，并可制定对与指定元件设备的细节展示。基于元件级别虚拟建模的另一个优势是可在虚拟场景中实现操作流程的模拟。除了真实还原现实情况外，还可以解决某些内部元件无法操作的缺陷，虚拟模型操作没有任何物理限制，极大方便了对设备内部结构的展示和操作。

3.4 历史运维数据呈现

运维数据在经过滚动更新之后，形成的历史数据将有力支撑对设备的状态检修。但在当前常规的运维模式之下，数据的采集、整理、分析周期长，采集数据的行为发生在现场一线，而数据的处理分析则发生在事后或者间隔较长的时间跨度。

基于混合现实技术，实现线上数据收集和分析。配电房巡视包含了工单派发、数据录入与回执3 个过程。运维人员戴上设备登录自己的账号后，系统会自动推送工单任务清单。当运维人员到达需要检查的设备地点后，打开该设备的检查工单操作，系统根据需要检查的内容数据，自动生成并显示表单，并与历史数据对比。根据设备的实际情况，将巡检信息逐条录入系统。录入完成后，检查核对巡检结果，确认后选择提交，系统自动将检查结果上传到服务器。

智能提醒模块在运维人员登录自己的账号后，系统会自动推送工单任务清单。如遇到需要排除故障的任务，系统会立即推送故障清单，帮助运维人员响应，并在规定的时间内达到指定的地点开展任务的排查和处理。处理完成后，将处理的结果上传到中心服务器。如遇设备故障处理工单，任务指派人员通过系统可以将设备故障的详细信息连同故障信息工单一同发送，为运维人员提供更多设备故障信息。

3.5 后台专家支持

为解决运维人员在日常巡检和事故处理过程中遇到一些复杂状况而无法现场进行处理的问题，引入混合现实远程专家系统。远程专家系统支持双向语音沟通和视频传输的协作环境，专家端实时查看一线人员工作场景，可标注现实场景工作文档并传送到一线工作端。

在配电网业务的日常巡检过程中，发现设备异常而无法判断原因和给出解决方案时，可通过远程专家系统通话列表找到领域专家。确认专家处于在线状态时，通话一键呼叫即可发送视频或语音通话请求，专家端通过浏览器、手机等方式接受通话请求同意之后即可建立通话过程。运维人员佩戴Hololens，采用语音和手势等自然操控方式，解放双手的同时实现环境、语音、图片，文字等多类实时互动。

4 配电网运维场景应用

以运维人员日常巡视为例，对混合现实技术在配电网运维中的应用做说明，混合现实便携式穿戴设备为HoloLens。

4.1 远程协同及巡检辅助功能说明

1）专家管理。统一管理内外部专家信息，根据需求帮助运维人员快速查询和匹配最相关专家，进行一键远程呼叫，快速与专家实现语音视频对接。

2）远程协同。支持双向语音沟通和单向视频传输的协作环境，专家端实时查看现场端工作场景，通过截屏标注的方式为运维人员提供技术支持。

3）远程指导标定。通过远程服务，可实现快速标定、跨地域指导。

4）混合现实操作辅助。基于HoloLens 可实现虚拟与现实同时呈现，专家可通过后台操作平台对运维人员进行远程辅助操作。

5）MR 巡检辅助。基于HoloLens，运维人员在机房内可开启配电房巡视记录单窗口，以手势点选巡检记录，并可进行部分数据的自动获取。

4.2 实现过程

运维人员佩戴HoloLens，在配电房内点击或凝视身边跟随的菜单球，执行呼叫专家、巡检辅助等功能。

1）运维人员在菜单球点击“巡检辅助”条目，可呼出一个动态跟随巡检记录单。

巡检记录单窗口右上角附加“最小化”按钮，点击后，收缩至一个菜单条目大小，横插在菜单球旁边。运维人员可随时放大、缩小记录单，避免影响视野。

巡检记录单分四栏显示： 配电房安健环、开关柜、变压器、低压设备。点击分栏活页夹，可切换至分栏页面。

2）巡检记录单上侧设有一个“自动填写”按钮。运维人员可点击按钮，自动填写日期、配电房名、班组（部分内容可由本地配置文件预设并修改），以及系统获取的各设备运行数据（可获取主要设备的温度、电流等）。

3）配电房安健环一栏中，每个检查条目为一个小窗格。运维人员手势点击小窗格，可自动切换填写本窗格内容，包括“有／无”“是／否”等。“备注信息”窗格设有录音按钮，虚拟键盘手动输入，运维人员还可点击录音按钮直接录音备注。

4）开关柜、变压器、低压设备三栏中，运维人员可通过“自动填写”功能，获取多数数值；“是／否”或“有／无”类检查条目，同样采用点击切换方式记录；其他巡检需填写内容，运维人员可通过虚拟键盘输入，下拉菜单选择，或录音记录。

5）根据实际巡检情况，可设置部分巡检单填写内容为下拉菜单选项，或自动继承上次填写内容。

6）运维人员可点击巡检记录窗口的“提交记录”按钮完成巡检。点击提交时，系统将检查漏填项，并提示运维人员补填。

4.3 应用效果

如图10 所示，室外导航指引运行人员抵达指定配电房，室内导航指引运维人员抵达指定操作间隔，并采用虚拟悬浮箭头标识每一步操作部位，避免走错配电房、带电间隔及误操作等问题。

图10 地理信息引导应用效果

如图11 所示，巡检辅助功能提供设备状态记录和上送功能。当系统接收到某配电房的作业任务后，自动生成作业表单，运维人员到达指定位置，观察、测量得到设备状态信息，调出电子表单对设备状态进行勾选填写，加快后台获取现场数据的速度，提高对现场情况的了解程度和关键时刻的应急处理能力。

图11 巡检辅助效果

5 结语

提出面向配电网运维的混合现实建模方案，引入混合现实技术实现了配电网运维新模式。针对典型设备和环境讨论建模流程，所建模型良好地适应了配电网运维涉及的应用场景，可以实现配电房三维展示、运维培训、巡检辅助、远程协同等功能。混合现实穿戴设备充当配电网运维的门户界面，而后台对海量数据做整合、分析，运维人员在现场无缝获得所需信息，工作效率进一步提升，安全风险进一步降低。基于混合现实技术的配电网运维囊括最新的通信、大数据分析、人工智能等技术，具备了未来运维模式的雏形，将有力支撑一流配电网的建设。