基于三维场景交互的电力电缆在线监测系统研究

华能吉林发电有限公司长春热电厂 梁泰宇 陈大明 回大林 华能吉林发电有限公司 孟 欣 张玉刚

电力电缆是保障民生的重要基础设施，如何有效提升电力电缆运行维护的安全性及经济性，提高运维管理工作的质量及效率，是相关从业人员必须深入考量的问题。传统的电力电缆监控技术和管理方法，大多是采用二维、图文和录像监控等表现形式，但这种形式浮于表面，无法直接、清晰地展现出电力电缆内部的分布状况，无法及时有效地开展故障分析及计划检修工作。对此，三维场景交互技术应运而生，利用三维场景交互平台，对线缆隧道模型、隧道传感器检测装置及实际施工环境等进行标准化的建模，再利用三维虚拟交互技术对虚拟装置实现操作和交互，进而完成装置的现场信号查看、告警信息管理及装置的开关管理等，实现电力电缆的在线监测。利用该技术，运维管理人员可以精确掌握异常状况出现的位置及范围，及时采取相应措施，防止安全隐患的扩大。

1 电力电缆在线监测研究目标

由于厂级电缆是隐蔽工程，其数据信息大多来源于工程项目的设计及建设阶段，若没有提前存储好各种资料，在项目工程竣工后，会出现不同程度的资料残缺的现象，这会导致后期的电力电缆检测及维修工作难以顺利开展。某电厂的电缆管理主要采用传统人工管理的方式，通过手持设备测温实现检测工作，这种方式不仅没有连续性、周期性、可视化的数据获取、记录和归档，而且还易受人员工作积极性不高、漏检事件等因素的影响，尤其是电缆敷设的部分区域环境昏暗、结构复杂、屏蔽严重、电缆测温不便，导致难以及时发现安全隐患。通过对基于三维场景交互的电力电缆在线监测系统的开发与建设，可实现对电力电缆安全进行有效的远程管理，可以辅助电厂管理人员实现可视化监管、及时响应和快速决策，实现科学化、数字化、直观化的电缆档案、运维状态及施工管理，从而保障电力系统的安全高效运行。如在隐患初期可实现简洁、安全、直观、精确地查找和判断设备温度异常区域，管理人员可迅速采取有效措施解除安全隐患，这样不仅延长了设备的生命周期，也大幅减少了设备资金的投入。

2 该电力电缆在线监测系统研究内容

运用三维虚拟现实技术，对线缆隧道内各类机械设备加以建模分析，经过系统设计模型数据分析的积累，建立电力电缆监测设备数据库；采取组态方法，模块化设计，生成建模编辑组态软件系统，从而运用各种模型方便快捷地模拟出电力电缆隧道工程现场模式。三维场景采取模块化建模方法，将场景中的设备按对象类型加以划分，并运用人机交互界面直接对场景中的设备实施操纵。综合视频监控技术，运用视频视角与三维空间视觉加以反映，从而完成虚拟场景与真实场景的连接[1]。在三维场景中可以直观显示已收集到的监控设备数据信息，当系统出现告警或状况改变时，三维场景将根据改变的模式状态提醒相关人员，从而实现联动视频显示、预置位调用等功能。

3 总体架构

系统架构体系由技术支撑层、基础数据层、业务应用层及相关标准和保障体系组成。系统核心为技术支撑层、基础数据层以及业务应用层，其中，技术支撑层为系统提供各种技术支撑服务，它包括了数据库管理、NET 企业框架、AutoCAD 技术、三维技术、多媒体技术、DXStudio 技术等。在技术支撑层之上的是基础数据层，为业务应用层提供各种基础数据，它包括了三维模型数据、CAD 数据、动画视频、检修流程数据、用户数据等。业务应用层利用下层的技术支撑与基础数据，为系统用户提供各种业务应用功能，这包括检修实操动画培训、检修实操考核、设备三维模型展示等以及与系统安全相关的用户管理、角色管理、权限管理和密码管理等[2]。保障体系分别是标准规范保障体系和数据安全保障体系。标准规范保障体系涵盖了AutoCAD 的图纸编制标准、设备三维建模制图标准、数据库设计规范等；安全保障体系可以保证系统在满足电力设备安全性条件的环境下进行工作。

4 软件平台应用功能要求

基于三维场景交互的电力电缆在线检测系统主要包含四大模块的功能，基础功能、运行管理功能、巡检管理功能和应急管理功能。

4.1 基础功能

基础功能是平台系统提供的各业务所共有的一些功能，主要包括对系统信息的配置维护和查询统计。配置、维护管理主要包含对在线监测系统、人员基础信息和用户权限、三维场景及设备模型及三维GIS 电子地图图层数据的配置和维护等[3]。数据信息数据分析系统主要包含对设备信息、对历史监测数据、历史报警事件、运行日志及人员信息管理设施的查阅统计与分析等。

4.2 运行管理

运行管理功能主要是实现对生产状况、设备状况、环境状况等的监测数据的可视化呈现、远程管理及状况评估。状况检测提供组态、表单、图示、三维场景等多种方法予以呈现。远程管理则包括了在WEB 页面上使用组件，自动地向前端监控设备下达控制指令并传递开关量信息，关联检测对象的阈值，并按照阈值范围自动连接前端的监控设备[4]。而运行状况评价则是将对生产装置运行状况的评估结果加以标准化，并根据所检测到的海量运行状况数据加以自动分析运算，从而对计算结果作出合理的评价，让相关工作人员更为明确直观地了解生产装置的实际工作状况。基于三维场景中的状态监测及人机交互系统的可操作性，用自动巡航功能来代替手动操作，远程设置需要巡检的设备点及各项巡检信息，利用控制系统自动形成巡检路线监控管理，工作人员即可借助平台自动完成远程巡查工作。进入预先设定好的设备点时，管理系统将集中展示相应的设备在线监测数据，检查其变化趋势是否正常，对检查结果进行远程综合分析，并记录分析结果。

4.3 巡检管理

巡检管理工作，主要指开展设备管理、过程管理和岗位信息管理等。在设备管理中，一般要求对现场的机械设备环境和监测设备数据信息实行集中管理，并支持按类型、按名称对设备信息进程检索和访问。巡检系统中可对机械设备实行GIS 自动定位，并能查询与其有关的备品备件信息内容，如机械设备缺陷和装置故障原因等内容[5]。在流程管理中，设备模型会依据实时收集到的数据，自主判断设备是否在正常运转。当设备运转异常时，三维场景会将故障设备自动渲染成红色警告模式，并指出其故障位置，同时不断提醒作业人员及时排除故障，在解警后，可从设备的数据面板中查询历史报警记录。在工作管理系统中，可实现对工作人员日常巡查任务和执勤排班等各项工作的管理，具体如下：其一，可对巡查工作人员下发巡检任务或行动计划，任务下发后，可采用短信的方式发送给相关人员。与此同时，在平台上可获取工作人员的位置，可实现巡检记录的管理等功能。其二，可实现排班值班功能，使对工作人员的排班和值班等管理工作更加方便快捷。

4.4 应急管理

应急管理系统，主要提供监控报警和预案处理信息管理功能。监控与告警管理系统涵盖了告警选择和告警应答的功能，可根据具体的监控设备和监测对象选择最适宜的告警种类、告警级别、告警引发要求及告警信息形式。系统还给出了在事故报警情形下，对有关工作人员处理措施的规定、检查和维持等功能。处置预案一般涉及事故报警时采用声光予以提醒，采用短信通知人员，以及采用切换摄像头预置位确定事故等。

5 该电力电缆在线监测系统关键技术

5.1 软件开发框架

开发框架采用C#编程语言并基于.NET 开发平台实现，完美支持分布式组件、XML、Web Service、B/S 应用程序、数据库系统以及很多其他类型的程序。

5.2 数据库技术

数据库采用Microsoft SQL Server 数据库系统，该系统数据类型丰富，可以提供多种开放式接口和多种询问方式，这为系统功能的扩展提供了非常有利的条件。Microsoft SQL Server 是基于服务器/客户机结构的数据库管理系统，这种结构方式能够使系统在服务器和客户机间平衡负载，有利于与中心进行联网和数据交换，大幅度提高数据存储量和数据处理速度[6]。

5.3 3D 技术

在该系统中融入3D 建模和3D 高速渲染技术，在3D 实景模型中构建传感设备和被测对象，高度仿真现场，可以实现近似身临其境的监测效果。

5.4 基于模块化的开发应用

基于模块化开发，通过数据协议转换模块，实现与各子系统之间的通信连接和数据交互。外部系统借由外部扩展接口模块实现和中心系统的对接。同时，所有应用系统都可以通过数据库模块实现与数据库的对接，其他系统也可以通过数据库模块实现对数据库的访问和查询[7]。

5.5 面向对象技术

基于用户面对的数据大都是可操作的对象，为了方便用户操作和使用，增强数据的互操作性和理解性，平台采用面向对象的数据模型直接与客观对象相对应，用户随时定义自己所需的数据类型，增强系统的二次开发能力和可扩充性。

5.6 电子地图技术

充分集成Google 电子地图功能，支持地图多层显示，用户可自定义地图显示层级和显示模式。

5.7 Web Service 技术

全面支持Web Service 技术，将采用不同开发语言、操作系统或应用架构的子系统通过标准的XML 语言进行无缝集成，实现平台对各个子系统的集中监测。

6 该电力电缆在线监测系统技术特点

6.1 架构设计稳定

可以满足对通用性、扩展性、安全性以及可靠性等要求。其一，通用性。软件平台可支持主流的三维系统模型（3DSMax、Maya）、支持主流的商业数据库、支持主流工业实时数据通讯协议（ModBus、TCP、OPC)、支持主流无线通信技术（NB、LORA、Zigbee）。其二，扩展性。软件平台需具备较好的兼容性和通用接口，以便兼容主流设备。提供引擎的二次开发包，可以对三维引擎，场景美术系统，红外热成像系统，无线温度监测系统、其他对接数据进行交互以及GUI 定制。其三，安全性。安全性主要指的是设备、网络及数据的安全。通过前端分布和集中存储相结合的方式存储数据，通过权限控制限制数据的访问，并做好日志记录。其四，可靠性。软件的设计思想是模块化和分层隔离，可以保障系统能够长期平稳的运行。系统响应和交互响应时间＜1s。并发用户数大于1000，注册和在线使用用户数无限制，系统年无故障连续运行时间＞98%。

6.2 应用管理全面

提供了节点页面的组态管理工作、设备工作台账信息管理、可视化现场监控信息管理、角色权限机制、内部业务多端口技术的联合信息管理、或者一些分布式结构设计工作中的数据冗余和可靠性信息管理等多个功能，并采用统一的界面结构，便于使用者进行操作，并能够与现有应用管理平台之间的信息进行互动，从而达到更加强大的信息管理水平，提高电力电缆监测平台的应用价值。

6.3 日常运维简单

基于三维模型的建设运维较为简单，当操作系统、技术设备或应用需求需要更新时，企业可迅速便捷地实现对新系统、新设备、新需求的支持，开发周期短暂，有效降低了电力电缆运营维护的成本。不仅如此，该平台还可实现数据信息的汇集与共享，大幅减轻了工作强度。

基于三维场景交互的电力电缆在线监测系统的研究，将带动各大电力生产企业实现自动化、科学化、可视化、智能化发展，促使电缆运营管理工作高效、快速、便捷、顺利地开展与落实，不仅保障了电力电缆的安全运行，也将促进三维技术与电力行业的深度融合，助力电力企业更好更快的发展。