顧文濤

【摘 要】變電站設(shè)備的溫度監(jiān)測是保證變電站設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)，現(xiàn)存的檢測系統(tǒng)存在勞動強(qiáng)度大、顯示效果差、智能化程度低等缺點。鑒于此，基于紅外在線測溫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，本文提出了一套智能化的變電站溫度虛擬監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由紅外在線監(jiān)測設(shè)備、前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、變電站監(jiān)控客戶端等三部分組成，它通過紅外圖像對三維模型的紋理映射，將溫度數(shù)據(jù)形象地映射到客戶端三維虛擬場景的設(shè)備中，來實時地檢測變電站設(shè)備溫度情況。同時，它還可以在設(shè)備的三維模型上精確定位故障點，來指導(dǎo)電力設(shè)備的檢修工作。

【關(guān)鍵詞】變電站 虛擬現(xiàn)實 溫度監(jiān)控 紋理映射

1引言

變電站是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其可靠運行對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的意義。在長期運行過程中，變電站設(shè)備中的開關(guān)觸點、母線連接處等部位，在過載、絕緣老化、接觸不良等情況下，會產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，這也是誘發(fā)大面積停電的主要原因。因此，對變電站設(shè)備的溫度監(jiān)測是保證變電站設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)。

目前，監(jiān)測變電站設(shè)備溫度情況主要通過三種途徑來實現(xiàn)：一、人工使用便攜式紅外熱成像儀對設(shè)備進(jìn)行檢查，該方法成本較低且易于實施，但是勞動強(qiáng)度大，不能連續(xù)的存儲和記錄數(shù)據(jù)，對設(shè)備診斷的實時性較差；二、采用紅外在線測溫技術(shù)對設(shè)備溫度情況進(jìn)行實時在線監(jiān)測[1-3]，該方法通過對目標(biāo)設(shè)備的紅外熱圖像監(jiān)控，溫度場數(shù)據(jù)采集、存儲及分析等方式，做到對電力設(shè)備溫度的實時監(jiān)測；三、采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對變電站設(shè)備的溫度進(jìn)行實時在線監(jiān)測[4-6]，該方法采用無線通信模式，避免了復(fù)雜的布線，可以監(jiān)測到內(nèi)部設(shè)備的溫度情況。以上三種方法都可以一定程度上對變電站設(shè)備的溫度情況進(jìn)行監(jiān)測，但是他們對檢測結(jié)果的表現(xiàn)形式不夠形象具體，顯示效果較差，同時，智能化程度低，沒有實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化、智能化監(jiān)測。

本文以紅外在線測溫技術(shù)作為根基，提出了一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集紅外在線測溫設(shè)備的紅外圖像數(shù)據(jù)，傳輸?shù)娇蛻舳巳S虛擬現(xiàn)實場景中，并將采集的紅外圖像數(shù)據(jù)以紋理映射方式顯示在變電站的相應(yīng)部位，不僅可以讓監(jiān)控人員在這個逼真的虛擬變電站系統(tǒng)中查看各個部位的溫度變化情況，還可以精確定位故障點，指導(dǎo)電力設(shè)備檢修工作。因此，該系統(tǒng)不僅可以給用戶提供沉浸式的虛擬場景接口，還可以進(jìn)行故障定位、提示參數(shù)配置等智能化功能。

2系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)由紅外在線監(jiān)測設(shè)備、前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、變電站監(jiān)控客戶端等三部分組成，如圖1。紅外在線監(jiān)測設(shè)備將紅外熱像儀采集的紅外信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過放大、圖像處理等手段，得到熱圖像、溫度等數(shù)據(jù)，并傳入到前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上。變電站監(jiān)控客戶端從前端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上獲取相應(yīng)的熱圖像、溫度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過紋理投射算法實現(xiàn)變電站三維溫度場的還原并反映在虛擬場景中，實時顯示當(dāng)前變電站設(shè)備的溫度變化。同時，客戶端為用戶提供一個沉浸式的交互界面，監(jiān)控人員可以通過拖拉、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式調(diào)整觀察的位置或角度，方便監(jiān)控人員查看查看變電站設(shè)備的參數(shù)信息以及溫度狀態(tài)。同時，三維場景中的數(shù)據(jù)始終處于不斷更新中，能夠及時定位故障點，形象具體，簡單方便。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

3系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是客戶端的沉浸式交互界面的開發(fā)，它使用的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺是基于新興的unity3D引擎，可以嵌套多種計算機(jī)語言，同時也可以跨平臺的應(yīng)用。

3.1 三維虛擬場景的建模

基于虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)，通過模型、數(shù)據(jù)庫、圖片等形式，以1：1真實比例構(gòu)建變電站模型與三維虛擬場景，為后面準(zhǔn)確地在三維模型上定位故障點打下基礎(chǔ)。同時，為增強(qiáng)系統(tǒng)逼真的效果，該系統(tǒng)對虛擬模型進(jìn)行了真實感貼圖處理。最后，將整個場景導(dǎo)入到unity3D工程中，為后面的虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)。變電站虛擬現(xiàn)實場景如圖2所示。

圖2 變電站虛擬現(xiàn)實場景

3.2 紋理投射算法

為了將溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而形象地反映到虛擬現(xiàn)實場景中，該系統(tǒng)需要將采集的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型的紋理，并準(zhǔn)確地貼到模型的相應(yīng)部位，其中關(guān)鍵技術(shù)本是紋理投射算法，是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵部分。

3.2.1模型的分割

在虛擬場景中，由于視角的限制，不同視角只能觀察到對應(yīng)物體的一部分，所獲得的溫度信息也對應(yīng)著這個部分。同一個物體，不同視角觀察到的部位不同，將被分割成不同的部分，每個部分的紋理就是該部分對應(yīng)視角所獲得的溫度圖片。在unity3D中，模型是以三角面片的形式存在的。要實現(xiàn)對模型的分割就會涉及到對三角面片的剖分。

假設(shè)一個物體在建模的時候被建成一個整體，導(dǎo)入到unity3D后，其頂點信息（包括頂點坐標(biāo)、法線、切線等信息）也是作為一個整體儲存在內(nèi)存中的。將模型分成能被不同位置攝像頭觀察到的不同部分的實質(zhì)就是頂點信息的添加與重組，其工作流程如圖3所示。其中分割線與三角面片的相交有三種情況，如圖4所示。第一種情況，如圖4（a），分割線不經(jīng)過三角面片的頂點。設(shè)分割線與三角面片的兩個交點分別為P1、P2，根據(jù)空間幾何的知識可以求出P1、P2的坐標(biāo)。P1、P2點可與A、B、C三點重新組成①、②、③三個三角面片。第二種情況，如圖4（b），分割線經(jīng)過三角面片的一個頂點。設(shè)分割線經(jīng)過頂點A并與三角面片交于點P，可以求出P點的坐標(biāo)。P點可與A、B、C三點重新組成①、②兩個三角面片。第三種情況，如圖4（c），分割線過三角面片的一條邊，三角面片不會被分割線分割成兩部分。

圖3 分割模型的流程圖

圖4 分割線與面片相交的情況

3.2.2紋理映射

基于Direct3D和OpenGL的紋理映射[7]都要先建立物體空間坐標(biāo)（x， y， z）和紋理空間坐標(biāo)（u， v）之間的對應(yīng)關(guān)系，這樣模型的每個頂點就會對應(yīng)一個唯一的uv值，二維圖像才能成功地映射到三維物體的表面上。

在建立物體空間坐標(biāo)和紋理空間坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系時，需要借助屏幕坐標(biāo)系。根據(jù)計算機(jī)圖形透視投影技術(shù)[8]，可以找出物體空間坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。同樣，我們可以建立紋理空間坐標(biāo)（u， v）與屏幕坐標(biāo)（xs， ys-）之間的關(guān)系。

為了保證紋理在輸出時不產(chǎn)生失真的現(xiàn)象，在定義屏幕和紋理大小的時，必須保證屏幕和紋理圖片的高度與寬度的比例相同。作了這樣的規(guī)定之后，紋理空間坐標(biāo)（u， v）與屏幕坐標(biāo)（xs， ys?）之間的關(guān)系就轉(zhuǎn)變成了計算機(jī)圖形學(xué)中的等比例變換。

其中，a為比例因子。

在分別找到物體空間坐標(biāo)、紋理空間坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系后，就可以建立物體空間坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)之間的關(guān)系，也就可以將紋理貼到指定的部分。

3.3 客戶端與服務(wù)器之間的通信

該系統(tǒng)中，客戶端需要從服務(wù)器讀取設(shè)備的熱圖像、溫度等大量數(shù)據(jù)，需要通過一種高效而便捷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具體實現(xiàn)方式為：基于TCP/IP協(xié)議，在客戶端和服務(wù)器之間建立網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路，使用ServerSocket創(chuàng)建TCP服務(wù)器端，在客戶端使用Socket的構(gòu)造器來連接服務(wù)器；服務(wù)器端開始時處于等待狀態(tài)，等待客戶端的連接，當(dāng)客戶端和服務(wù)器之間的連接建立后，服務(wù)器端就可以接受和處理來自客戶端的請求，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。

4結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景，逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，這也是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個重要趨勢。該系統(tǒng)，基于紅外在線測溫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以在客戶端虛擬現(xiàn)實場景中實時在線監(jiān)控變電站各設(shè)備的運行情況和溫度信息，并且能夠及時、準(zhǔn)確地對故障點進(jìn)行精確定位，直觀地指導(dǎo)電力設(shè)備檢修工作。該系統(tǒng)可用于無人值守的變電站中，改善變電站監(jiān)控耗費大量人力和時間的問題，提高系統(tǒng)安全保障，對實現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要的意義。另外，該系統(tǒng)具有虛擬的設(shè)備場景，在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、技能培訓(xùn)等方面也具有很高的應(yīng)用價值。

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