基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法

陈莉佳, 王彦鹏， 袁昕

(国网新疆电力有限公司经济技术研究院， 新疆， 乌鲁木齐 830002)

0 引言

随着中国虚拟现实技术的不断发展[1]，越来越多的沉浸式三维仿真产品应用于变电站的仿真中[2-4]。变电站的通信设备作为变电站的重要组成部分，承载了电力语音、数据等传输业务[5]；变电站的通信设备众多，主要包括光端机、交换机、调度网路由器、配线架、调度通信电源等[6-8]。若能实现变电站通信设备的三维仿真，则可实现变电站的通信设备的精益管理，提升变电站通信设备的管理水平。

国内外大量学者对变电站通信设备三维仿真进行了研究。文献[9]提出了一种基于信息交互模式的变电站通信设备三维仿真方法，通过专家知识库的数据交互，实现变电站通信设备三维仿真。文献[10]提出了一种基于Revit平台的变电站通信设备三维仿真方法，通过三维数字化协同，对变电站通信设备进行三维仿真。文献[11]提出了一种基于鲁棒性修正的变电站三维仿真方法，通过三层系统结构，实现变电站通信设备的三维仿真。文献[12]提出了一种基于实景扫描的变电站通信设备三维仿真方法，通过照片场景三维还原，解决变电站通信设备精益化管理的问题。文献[13]提出了一种组件配置的变电站通信设备三维仿真方法，通过组件装配，实现变电站通信设备的三维仿真。由此可见，变电站通信设备三维仿真方法多样，且取得一定成果，但存在场景真实性差，设备状态预测难度大的问题。

针对现有变电站通信设备三维仿真中存在的场景真实性差、设备状态预测难度大的问题，提出一种基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法。在提取变电站通信设备图像信息后，通过SURF特征检测算法从多时间尺度分析变电站通信设备的特征信息来实现三维建模，并与通信网管数据的融合，实现三维仿真。最后，通过实际案例验证了本方法的有效性。

1 三维仿真框架

基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法框架组主要包括变电站通信设备图像提取、多尺度特征检测、变电站通信设备三维建模、通信网管数据融合、沉浸式三维仿真和设备状态预测等6部分内容，如图1所示。

图1 变电站通信设备三维仿真框架图

由图1可见，在变电站通信设备图像提取环节，通过摄像头提取光端机、交换机、配线架等变电站通信设备的图像信息；在多尺度特征检测环节，通过SURF特征检测算法从多时间尺度分析变电站通信设备的特征信息，自动构建变电站通信设备三维识别体系；在变电站通信设备三维建模环节，对变电站通信设备进行三维图像拼接、颜色配准和3D重建，实现变电站通信设备的三维还原；在通信网管数据融合环节，实现变电站三维模型和通信设备数据的有机融合；在沉浸式三维仿真环节，对变电站通信设备进行三维漫游仿真，模拟变电站通信设备真实运行环境；在设备状态预测环节，通过三维仿真对变电站通信设备的运行态势进行多时间尺度分析。

2 三维仿真建模

2.1 变电站通信设备图像提取

在变电站内，通信设备数量多、类型繁杂，若采用人工三维建模方式，将造成工作量巨大和三维场景真实度差的问题[14-16]。通过视频读取变电站通信设备图像信息的方式可有效提高三维建模的场景真实性。

变电站的通信设备主要有用于调度数据通信的光端机、调度交换机、调度路由器、调度配线架和用于通信供电的电源等设备，通过视频从多角度获取变电站通信设备的图像信息。设变电站的通信设备有na个，每个通信设备提取图像为nb张，通信设备用F表示，所提取的变电站通信设备集合B为

(1)

2.2 多尺度特征检测

由于变电站通信设备在不同的时间尺度存在不同的运行状态，将通过SURF特征检测算法从多时间尺度分析变电站通信设备的特征信息。

(2)

通过二阶微分对变电站通信设备的图像进行斑点分析，设通信设备的坐标分别为xa、ya，变电站通信设备用U表示，时间尺度变量为ta，坐标矩阵J(U)为

(3)

由式(3)可见，通过SURF特征检测算法，可以从多时间尺度获取的变电站通信设备具有鲁棒特点的特征信息。

2.3 变电站通信设备三维建模

(4)

其次，采用多项权重回归算法计算图像的颜色校准值，设变电站通信设备上有颜色空间nc类，通信设备的颜色用三色混合维度Rd、Gd、Bd表示，颜色的矩阵Zd为

(5)

设Yd为刺激矩阵，通过多项权重回归算法计算后，颜色的校准结果Ld为

Ld=Zc×Yd

(6)

在完成变电站通信设备图像校准后，进行3D重建。在3D重建中根据图像拼接和颜色校准的结果，在通过3D重建变化不断的迭代中，实现图像的精准匹配；其次，再利用像素级3D构建算法，设定变电站通信设备的顶点，在此基础上进行图像的逐步渲染；最后，构建变电站通信设备完整的三维建模。

2.4 通信网管数据融合

在通信网管数据融合环节中，通信设备的状态数据主要来源于ECM3000、通信网管等系统中。因变电站的通信设备类型差异较大，所以本方法首先构建统一的三维数据融合模型，建立多源异构的变电站通信设备数据与三维模型规范；其次，通过数据映射关系，建立通信系统数据源和变电站通信设备三维数据源之间的对象映射策略；最后，实现多源异构的变电站通信设备数据和三维模型的实时融合。

2.5 沉浸式三维仿真

在沉浸式三维仿真中，通过虚拟现实技术，对变电站通信设备进行三维漫游处理。首先，模型模拟变电站通信设备的真实运行情况，显示包括正常、告警、入侵检测等信息，以验证变电站通信设备现场是否运行正常；其次，通过三维漫游，对通信检修人员的设备现场巡视工作进行仿真以实现变电站通信设备的远程自动巡检。

2.6 设备状态趋势预测

在变电站通信设备三维漫游的基础上，进行设备状态预测，采用随机选择法进行状态预测，设变电站通信设备输入状态pf，决策数有nj个，单个决策数的值为η，随机选择模型K(I)的决策公式为

(7)

通过变电站通信设备状态趋势预测，可准确掌握变电站通信设备可能存在问题，为检修提供依据。

3 变电站通信设备三维仿真流程

变电站通信设备三维仿真流程如图2所示。

图2 变电站通信设备三维仿真流程图

步骤1 通过变电站的摄像头，对变电站通信设备的多个方向和不同角度的图像数据进行提取。

步骤2 通过SURF特征检测算法从多时间尺度分析变电站通信设备的特征变化信息，如果检测数据存在问题，就退回步骤1再次进行图像的提取。

步骤3 开展变电站通信设备的三维建模，对变电站通信设备进行三维图像拼接、颜色配准和三维模型重建。

步骤4 开展变电站通信设备三维模型与通信网管数据的融合，实现多源异构的变电站通信设备数据和三维模型的实时融合。

步骤5 采用虚拟现实技术对变电站三维模型进行沉浸式漫游仿真。

步骤6 通过变电站通信设备状态趋势预测，分析变电站通信设备可能存在的问题。

4 算例分析

采用本文所提的基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法，在某500 kV变电站进行验证，选择图像提取样本数为20、50、100、200、500、1 000、2 000个进行图像数据三维建模，对比本方法与方向梯度直方图算法的耗时，对比结果如图3所示。

图3 变电站通信设备三维建模时间对比图

由图3可见，基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法耗时比方向梯度直方图算法的耗时短。

选择样本数据为50、100、200、500、1 000、2 000个对比基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法与方向梯度直方图模型的准确度如表1所示。

表1 变电站通信设备三维仿真准确度表变电站通信设备三维仿真准确度表

由表1可见，基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法的三维仿真准确度比方向梯度直方图模型算法更高。

5 总结

为解决变电站通信设备三维仿真中存在的场景真实性差，设备状态预测难度大的问题。本文提出了一种基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真方法，设计了一种基于SURF特征检测的变电站通信设备三维仿真工具，对所提算法在500 kV变电站进行了仿真，其结果验证了本方法的准确度和性能均高于方向梯度直方图算法。

下一步，将结合中心通信机房的通信设备三维仿真场景做进一步研究。