基于地理信息云平台的变电站虚实交互技术研究

郝 蛟,张宗包,邓 彬

(深圳供电局有限公司,广东 深圳 518001 )

0 引言

增强现实(AR)交互系统是建立在机器视觉理论基础之上而逐步发展起来的,它是一种通过数字视觉元素、声音或其他感官刺激将数字特征叠加到现实世界中的技术。在各行各业的应用中,AR不仅可以突破物理世界的特定特征,而且能帮助人们增加对这些特征的理解进而提升对真实物理世界的洞察力。因此,AR的快速发展能为电力行业带来更多的可能性。

目前,我国大部分地区的变电站巡检还是需要实际的工作人员来进行,人工巡检流程十分复杂,效率较低,而且恶劣环境下工作人员的安全受到影响。同时缺乏数据,难以提前进行规划。尤其周围环境较为复杂的变电站,巡检要求高,巡检难度大,只靠人工费时费力,巡检效果较差。将变电站系统与地理信息云平台和虚拟现实交互技术相结合,可以对电力巡检信息、电网潮流等数据进行多视场可视化表达,弥补传统视频流方案可视化信息单一的缺陷[1-2]。

1 变电站实景三维重建

1.1 三维重建流程

三维重建通过计算机图形学技术重构客观世界中的物体,是计算机处理各种问题的基石。三维重建的关键是准确获取目标物体的深度信息,进而将物体转换为三维计算机模型。根据不同的重建原理,三维重建通常可分为主动模式和被动模式2大类。主动模式是利用预测声波、激光等信号发射至目标物体,再通过传感器捕捉返回信号,最后对比不同信号之间的差异即可获取物体的深度信息。相反,被动模式不依赖于主动发出的信号,它通过相机获取自然光在物体上反射的信号后计算物体的深度信息。由于主动模式比被动模式具备更高的建模精度,本文采用主动模式对变电站进行三维重建。

飞行时间法是常用的三维重建主动模式,它根据物理信号在不同距离上的传播时间不同来获取物体深度信息[3]。相较于其他主动模式的三维重建算法,飞行时间法依赖于传感器与目标物体的空间位置,故该方法测量精度受距离变化影响较小,抗干扰能力强,同时具备响应速度快和原理简单的优点。本文利用飞行时间法可准确采集变电站深度信息并保存在点阵中,接着使用算法将所有点阵统一至同一个坐标系中。由于点阵在同一坐标系中仍表现为无序状态,进而采用数据融合算法解决数据重叠、冗余和缺失等问题,最后根据目标物体结构信息加载纹理信息生成变电站三维模型。

1.2 计算点云

模型深度信息是通过像素坐标系采集得到,为方便后续数据处理,需将其映射至世界坐标系中[4]。图像坐标系转换为世界坐标系,变换的约束条件就是相机内参,其中,x、y、z是点云坐标系,x′、y′是图像坐标系,D为深度值,其计算式为

(1)

首先,进行世界坐标到图像的映射过程,考虑世界坐标点M(xw,yw,zw)映射到图像点m(u,v)的过程。假设u、v、u0、v0分别为不同坐标点,其中u、v位于图像坐标系,u0、v0位于世界坐标系;xw、yw、zw是世界坐标系下的三维坐标点;R、T分别为外参矩阵的3×3旋转矩阵和3×1平移矩阵[5];zc为相机坐标的z轴值,即目标到相机的距离,则有

(2)

由于世界坐标系与相机坐标系原点一致,故物体在两坐标系下没有平移旋转,且在两坐标系下的距离相机的深度一致,得到简化公式为:

(3)

(4)

利用上述公式,可得到 [u,v]T到世界坐标点[xw,yw,zw]T的映射关系式为

(5)

1.3 建立模型三维网格

点云数据本质上是离散空间点,分辨率较低,无法准确描述目标物体特性。同时,点云数据中存在噪声信息、分布密度不均匀等问题,因此需将点云进一步处理,使其变为连续表面。考虑到计算机处理数据花费成本和生成模型视觉精度,本文选择使用网格化将点云数据变为三维连续物体,进而减少数据冗余和提升计算机处理性能[6]。

网格化是将点云数据变换为便于计算机处理的图元,合理的网格能有效提升计算机处理精度和速度。本文研究的变电站中包含各种各样的电力元件,且每种元件外形纹理复杂、差异明显,因而选用三角网络分割点云数据。三角网格以三角形作为基本单元,具有稳定性强、生成速度快等优点,能够快速恢复物体表面细节。由于每个点云数据量巨大,如果直接存储数据会极大地限制该方法的使用范围,所以先对数据进行采样操作,以某一间隔值选取点云数据并将其保存到索引中,最后程序通过点云数据索引再进行三角网格化。间隔值的选取与模型的精度和实时性密切相关,间隔值过大会导致模型精度较低但实时性高,反之,间隔值过小模型实时性降低而精度提高。为兼顾模型的精度和实时性,本文采用自适应间隔值递归细分逼近最初模型的三角网格,最终得到三角网格模型,进而提升三维重建性能。

1.4 模型渲染

三角网格化得到的变电站模型能清晰展示真实变电站轮廓,但不利于工作人员观看和具体使用,为此还需对三角网格进行渲染,使其具备真实世界的质感。三角网格中每个顶点包含坐标、RGB颜色和分类值等信息,三角形内的点可通过插值算法得到对应的RGB值,进而使三角网格出现明暗效果,实现图形纹理表达[7-8]。此外,还可通过改变三角形顶点的高度和法线向量信息使模型出现凹凸不平的特质,最终得到具有物理世界同样真实感和材质感的模型。

2 基于地理信息云平台的变电站调度运维指导

对于电力变电站巡检,目前有很多种新技术应用进来,如图像分析、传感器和物联网等[9]。但应用效果最好的还是基于地理信息云平台的变电站调度运维指导。

地理信息云平台有着十分庞大的数据库,通过将地理潮流信息、电力巡检信息和电网潮流信息等统一处理,整合到一个平台之中,经过大量的地理分析,可以有效处理许多问题,既可以为已发生事故的处理提供方案规划,也可以通过分析预测对有可能发生的事故进行预警。

地理信息云平台可以对变电站数据(外部环境、设施和维护情况等)进行管理。也可以将变电站数据可视化在大比例尺地形和影像上,通过浏览器或者客户端软件来对变电站的各种信息进行相关操作,从而帮助相关部门和电力巡检人员进行规划和管理。同时,这种地理信息云平台还可以架设在移动端上,如平板、手机等,运维巡检人员可以通过这些移动设备随时随地查看和管理变电站数据。巡检人员也可以通过这些移动设备在巡检和维护过程中拍照上传正在维护的变电站设备的详细数据,供后续运维处理。

对变电站的运维来讲,通过激光雷达对变电站附近的杆塔、导线、交跨线、植被和建筑等地物以及变电站内部的各种线路和设备进行扫描,能够生成完整的点云成果、电力线路及变电站倾斜模型和全景照片。将采集的激光点云成果、电力线路及变电站倾斜模型等一系列数据导入地理信息云平台中,快速实现数据可视化与具象化的分析,及时发现各类设备缺陷、隐患以及线路附近可能对线路造成威胁的各类危险源,为变电站的维护和电力巡检方案的规划提供数据支持。

同时,地理信息云平台中也有各维护机构的详细信息,当变电站发生异常或收到预警时,可以及时发送信息,使变电站对应的负责人员获知具体情况并拿到由平台分析所得的初步维护方案,提升变电站的运维效率。

3 GICP+AR平台的变电站多视场虚拟交互技术

3.1 地理信息云平台巡检

地理信息云平台(GICP),对于电力巡检,尤其是变电站的运维和巡检来说是十分有效的系统,在平台上变电站的地理信息属性可以充分体现[10]。变电站需要一个整体的管理平台来对其进行信息整合、运行维护[11]。通过互联网技术与地理信息的结合,相关人员可以通过系统提供的地理信息对变电站周围的地质环境进行初步判断,并通过虚拟技术模拟变电站环境,将其与变电站内部设施等内容作为维护的基础信息,如图1所示。此外,相关人员还可通过对管理系统的运用,对变电站过去维护的记录等进行查询,并将其进行收集,便于日后管理,为实际运维提供有效信息。

图1 GICP云平台上的变电站三维模型

作为建立在互联网系统上的平台,地理信息云平台可实现信息内容方面的共享。相关工作人员可通过对内容的上传,不断充实系统的信息库,及时更新地理信息,还可与其他信息平台进行联动,以对现有地理信息进行补全,保证电网和变电站信息的时效性。同时,输变电施工方还可将当地地理信息发送至施工管理方,在施工管理方对地理信息进行整理后,将其导入输变电工程管理信息系统的信息库,将旧信息进行更新,以便后续管理。

地理信息云平台采用了电子地图,可以将变电站的外围环境、线路和内部的结构、设备进行整合叠加,通过信息和数据的整合分析,形成变电站的空间模型,对变电站巡检提供极大帮助。并且,结合对变电站的三维建模,可以在GICP中创建三维场景,将变电站内部和变电站外部环境的实景三维模型加载进来,使得运维人员能够不用亲临现场就能够直观地查看变电站的运行状况,对突发情况做出及时判断,提出处置措施。

3.2 AR变电站虚拟仿真实训系统

增强现实(augmented reality,AR)来自于计算机视觉技术。它能够将数字信息叠加到周围环境,使数字图像信息与真实视觉无缝结合。增强现实技术是人工智能技术的核心组成部分,并逐渐成为新一代人机交互技术的主要方向[12]。

当采用GICP进行变电站巡检运维的预警和规划后,仍需要派专业人员前往对应变电站进行实操,而变电站巡检操作烦琐、危险性高、操作严流程长且对员工效率要求高,同时传统的电力设备落后、感知差、上手机会少,往往造成高技能人才少、新人培养成本高和差旅支出大等局面。AR变电站虚拟仿真实训系统为实习员工提供解放双手的工作助手,借助AR一体机可以进行工作任务分发、接收,巡检线路设定,自动识别现场环境、设备并进行实时可视化的作业指导,根据需要调取设备型号、线路图和以往的巡检记录等。

AR地图解决了传统地图识别困难的问题,让地图不仅是信息的载体,更具有了感知能力。基于AR技术的二维、三维GICP能够解决二三维一体化问题,并为用户带来更好的应用体验。通过现实世界与虚拟的二维地图的融合,能够有效地帮助电力巡检人员进行巡检和维护任务。

在变电站运维管理调度中,可以让设计、巡检工程师通过AR技术将GICP中的变电站三维建模快速地展示,同时利用高度可视化的虚拟建模技术和现场模拟比对,快速发现需要进行解决的维护问题,并将遇到的问题及时展开交流,制定方案。同时,在维护或巡检的过程中,当AR设备识别到变电站机房设备相关特征后,AR设备即可在变电站真实场景中叠加虚拟组件(如定位导航菜单),然后对变电站机械室管理运维巡查工作人员的巡检过程和方式加以指示。AR设备也可以实时显示后台数据资料,为作业人员提供更丰富可靠的实时信息。在作业人员进行现场操作时,AR设备能监控并分析工作流程,如果发现不规范操作,后台系统会紧急报警并上报监督人员。此外,携带AR设备后,巡检人员可以利用设备的摄像头对作业的流程进行记录,通过上传视频,可以使远程的运维专家查看实时作业进展,由专家及时纠正错误操作并提供一定的作业建议,而且可以随时查看录像,在运维结束后总结作业流程,为以后的运维巡检提供经验和帮助,避免更多的错误和事故发生。

4 实验验证

针对基于变电站的虚拟仿真实训系统,本文在Window+Visual Studio稳定开发环境下进行实验,以采集的视频图像数据集作为样本数据集,根据仿真效果来检验系统的优劣。本文实验以某变电站实景平台标准数据集图像为输入,如图2所示。开发环境为Windows10 64位操作系统,机器配置为:GeForce GTX 2060显卡,Intel i7-10400的CPU,32 GB内存,搭配OpenCV4.1.10计算机视觉算法库编译,使用VS 2020环境下的C++语言进行算法编码,支撑整体系统运维。

图2 某变电站虚拟仿真实训平台

通过大量实际虚拟仿真培训模拟过程,验证了本文系统的有效性。某变电站虚拟仿真实训平台可以仿真实际变电站值班人员的工作职能,如巡察和监视变电站所有电气设备、电气设备的倒闸操作等,以达到对变电站各种事故、不正常工作状态的及时有效处理。

5 结束语

综上所述,将变电站系统与地理信息云平台和虚拟现实交互技术相结合,为变电站进行实景三维建模,在地理信息云平台上加装基于变电站实景三维重建模型的AR设备,以实现虚拟现实展示功能,对地理潮流信息、电力巡检信息和电网潮流等数据进行多视场可视化表达,打造智能化变电站,可有效减小巡检人员工作量并提升工作质量。