李 偉，周曉虎，宋 勤

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓中心，杭州 310015；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

電力系統(tǒng)智能化程度的提升，對變電站監(jiān)控工作提出更高的要求，變電站監(jiān)管工作在電力系統(tǒng)運行管理工作中的作用越發(fā)重要。其運行的穩(wěn)定性與安全性直接影響到電力用戶的使用體驗，在當前的電力系統(tǒng)管理過程中，人們對其的重視度不斷提升[1]。在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大的今天，電力系統(tǒng)設(shè)備性能不斷提升，變電站智能化水平越來越高，承載信息量逐漸增加。傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測方法已經(jīng)無法滿足電力高速發(fā)展的要求。因此，提出一種新型的變電站監(jiān)測方法對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展具有很重要的現(xiàn)實意義。

如今，無人看管變電站的數(shù)量不斷增加，監(jiān)控人員無法進入變電站中進行實地監(jiān)測，對于變電站場景沒有完整的認識。與此同時，由于變電站數(shù)量的激增，監(jiān)控人員負責的變電站數(shù)量相對較多，采用原有的實地監(jiān)測方法已經(jīng)無法完成變電站管理工作，因此，產(chǎn)生了變電站三維可視化模型，此模型可輔助變電站管理人員完成管理工作[2]。在多次應用過程中發(fā)現(xiàn)，當前的變電站三維可視化模型存在數(shù)據(jù)處理性能較差的問題。在對多種數(shù)據(jù)處理方法進行分析后，選擇多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)對當前的模型構(gòu)建方法展開優(yōu)化，力求在當前模型構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上，提升模型構(gòu)建過程中的數(shù)據(jù)處理能力，保證模型構(gòu)建后的可靠性，為電力系統(tǒng)的運行管理工作提供幫助。

1 基于多源數(shù)據(jù)融合的變電站三維可視化模型構(gòu)建

1.1 多源數(shù)據(jù)標準化處理

變電站的數(shù)據(jù)來源多種多樣，數(shù)據(jù)格式具有較大的差異。根據(jù)變電站監(jiān)測的需要，收集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，其中包含：基礎(chǔ)設(shè)備信息數(shù)據(jù)、變電站遙感影像信息、數(shù)字高程模型信息、精細變電站模型數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)[3]。變電站數(shù)據(jù)由于性質(zhì)的不同，可分為4類，分別為基礎(chǔ)設(shè)備信息、變電站地理位置信息、業(yè)務數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的使用效果，將此部分數(shù)據(jù)劃分為中類、子類，每種數(shù)據(jù)最多可劃分為3個級別。在數(shù)據(jù)類別劃分完成后，對數(shù)據(jù)進行標準化處理。對收集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行編碼、空間坐標、存儲格式、精度以及分辨率等內(nèi)容的規(guī)范化處理，將其納入一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)框架中。

由于變電站模型構(gòu)建過程中所需數(shù)據(jù)類別較為復雜且分散，在進行編碼的過程中采用13位編碼體系，編碼整體采用數(shù)字組成，第一位表示數(shù)據(jù)大類，為上文中設(shè)定的四種；第二、三位表示數(shù)據(jù)的第一級分類；第四、五位表示數(shù)據(jù)的第二層級信息，以此遞推到第十三位。以變壓器為例，具體編碼結(jié)構(gòu)采用圖1中形式表示：

圖1 數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述編碼形式，可對采集到的數(shù)據(jù)進行初步的分類與整理。由于多源數(shù)據(jù)具有坐標系差異性，必須將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的坐標系。在本次研究中使用ArcGIS軟件提供的坐標轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)多源的坐標系統(tǒng)歸一化處理，此部分將變電站內(nèi)部設(shè)備的空間匹配以及矢量數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換作為主要工作內(nèi)容。

在采集到的變電站多源數(shù)據(jù)中，除去傳統(tǒng)的統(tǒng)計與文字信息，同時還包含大量的圖片、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，在本次研究中將其轉(zhuǎn)化為二進制字節(jié)流存入到數(shù)據(jù)庫中，在使用時再將其恢復成原始數(shù)據(jù)類型，以便于模型構(gòu)建過程中的數(shù)據(jù)處理與查詢。

1.2 變電站三維基礎(chǔ)模型構(gòu)建

將處理后的多源數(shù)據(jù)作為變電站三維模型的數(shù)據(jù)來源，使用3D MAXS軟件構(gòu)建三維基礎(chǔ)模型。根據(jù)采集到變電站數(shù)據(jù)，使用IHS算法[4]對三維模型的色彩進行處理，通過亮度、色調(diào)、飽和度調(diào)節(jié)變電站三維可視化模型的外觀。由于IHS算法立足視覺原理，三種屬性具有差異性，可以實現(xiàn)模型色彩強度以及色彩分開。將色度學應用到此次部分處理中，將彩色圖像中的R、G、B變換成亮度（I）、色度（H）、飽和度（S）。使用上述設(shè)定可對采集的數(shù)據(jù)進行形狀變換。則變電站RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為HIS數(shù)據(jù)的過程可表示為：

在上述公式中，若G＜B，則H=360°-H。根據(jù)上述公式對模型的色彩進行調(diào)控后，將其他可應用到模型構(gòu)建中的多源數(shù)據(jù)整理為多維正交線性變換形式。設(shè)定A={Ai，i=1，2，…，N}∈Rn，V表示A的協(xié)方差矩陣特征向量排列組合后形成的變換矩陣，則有：

根據(jù)主成分分析算法，其中W={Wi，i=1，2，…，N}∈Rn，根據(jù)此公式，將構(gòu)建后的圖像表示為向量的形式，設(shè)變電站圖像中有J的特征組I1，I2，…，Ij，經(jīng)過色彩處理后的各圖像大小為n，將Iu，u=1，…j展開成為n×1的行向量，則三維可視化模型基礎(chǔ)圖像可表示為：

根據(jù)此公式得到變電站三維模型的外觀特征，并根據(jù)此特征選擇合適的圖像進行填充，得到模型的影像空間信息，而后，使用加權(quán)平均融合算法完成模型的拼接工作。設(shè)定處理后的圖像為E1，E2，…En，則加權(quán)過程可表示為：

將其他數(shù)據(jù)信息融合到此圖像中后，J1，J2，…Jn表示圖像處理過程中的加權(quán)系數(shù)，將此系數(shù)代入到式(1)～式(3)中，對圖像進行實時處理，得到多源數(shù)據(jù)融合圖像，提高圖像信噪比，在一定程度上模糊圖像邊緣輪廓，便于圖像的拼接。

1.3 變電站模型渲染填充處理

根據(jù)上文中處理后的圖像，拼接構(gòu)建變電站三維基礎(chǔ)模型。為實現(xiàn)模型三維可視化要求，對模型展開渲染填充處理。可視化紋理與三維模型的構(gòu)建是相互交叉、互相生成的。上文中的三維模型只是構(gòu)建變電站的幾何框架，要使此模型更加真實，需要對此模型進行紋理渲染與貼圖。在對變電站模型的使用環(huán)境進行分析后，選擇包裹貼圖方式，通過色彩處理對基礎(chǔ)圖像展開優(yōu)化，而后根據(jù)貼圖坐標將圖像位置以及大小調(diào)整好，實現(xiàn)模型圖像的無縫連接。在包裹貼圖處理過程中，由于技術(shù)的限制可能會出現(xiàn)模型中不規(guī)則物體重心與模型重心出現(xiàn)偏差的問題。為控制此問題對模型構(gòu)建結(jié)果的影響，將偏差檢測公式設(shè)定如下：

其中，d表示兩個三維模型之間的距離，以模型重心作為基準點，p1，p2表示兩個三維模型對應面的邊長。根據(jù)此公式降低模型重心設(shè)定偏差，保證模型構(gòu)建效果。

在對當前模型構(gòu)建方法進行分析后可知，由于多源數(shù)據(jù)的復雜性，三維可視化模型的明暗處理能力較差。為此，在渲染結(jié)束后，使用雙線性光強插值法[5]對模型的明暗程度進行調(diào)節(jié)。在模型構(gòu)建后，各頂點的法向量具有固定的取值結(jié)果，無需計算。設(shè)定各頂點相鄰的多邊形矢量分別為L1，L2，L3，L4，則該頂點的平均法向量可以表示為：

根據(jù)此公式得到法向均量，使用光照模型計算變電站三維模型頂點的光照度，其計算公式可表示為：

在上述公式中，Hx、Hy、Hi分別表示每個三維模型頂點以及內(nèi)部的三個光強，各頂點的坐標值分別使用x，y表示，則雙線性光強插值公式可表示為：

使用此公式可控制不同模型頂點的光照值，并根據(jù)此計算結(jié)果對不同頂點的光照值展開增強，光照增強公式可表示為：

使用式(11)與式(10)可有效提升三維模型明暗處理中的運算過程，解決簡單的三維模型色彩突變問題，使模型表面更加光滑，變電站模型的真實度得到質(zhì)的飛躍。對上文中設(shè)定的內(nèi)容展開處理與連接，將其應用到當前模型構(gòu)建方法中，至此，基于多源數(shù)據(jù)融合的變電站三維可視化模型構(gòu)建完成。

2 實驗論證分析

在本次研究中提出一種基于多源數(shù)據(jù)融合的變電站三維可視化模型設(shè)計方法，為詳細比較本設(shè)計方法與其他可視化模型設(shè)計方法的優(yōu)劣，設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，比較各方法的使用效果。

2.1 實驗平臺

為保證本次實驗結(jié)果具有真實性與可控制性，將整個實驗過程放置于Windows 10操作系統(tǒng)中，由于三維模型構(gòu)建過程對于實驗平臺的顯卡要求較高，將顯卡參數(shù)設(shè)定為ATI系列顯卡，同時使用Visual C++6.0編程語言控制模型構(gòu)建過程。在本次實驗過程中，涉及動態(tài)展示技術(shù)，故將實驗平臺的實驗結(jié)果傳輸接口設(shè)定為ObenGL API接口。通過上述設(shè)定，完成實驗平臺的組建過程，并將其應用到本次實驗中。

2.2 實驗數(shù)據(jù)來源

本次實驗過程中，將實驗數(shù)據(jù)設(shè)定為可進行批量轉(zhuǎn)化的某變電站攝影測量模型以及變電站多源數(shù)據(jù)，并使用專用的數(shù)據(jù)服務器發(fā)布相應數(shù)據(jù)的存儲地址。由于變電站攝像測量模型中會存在遮擋部分，這樣觀察不到變電站模型的渲染效果，因此，在本次實驗中將對基礎(chǔ)攝像測量模型進行預處理，為后續(xù)的實驗提供幫助。為了保證本次實驗結(jié)果具有真實性，對采集到的變電站數(shù)據(jù)進行分類處理，具體結(jié)果如表1所示。

表1中數(shù)據(jù)為實驗前期獲取的變電站相關(guān)數(shù)據(jù)，本次實驗將上述數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)來源。根據(jù)上述內(nèi)容對文中提出的多源數(shù)據(jù)融合模型設(shè)計方法進行驗證。

表1 變電站數(shù)據(jù)采集結(jié)果及類別劃分

2.3 實驗方案

本次實驗為驗證實驗，用以驗證文中提出的基于多源數(shù)據(jù)融合的變電站三維可視化模型設(shè)計方法的實現(xiàn)效果。將本次實驗劃分為兩部分，一方面測定模型設(shè)計方法在變電站場景切換過程中能否實現(xiàn)渲染；另一方面，如渲染效果符合要求，能否調(diào)節(jié)模型明暗程度，從而確定模型設(shè)計方法的渲染精細程度。

僅對文中提出方法展開實驗驗證具有一定的片面性，為此選擇三維全景快速模型設(shè)計方法以及WebGIS三維模型設(shè)計方法與多源數(shù)據(jù)融合設(shè)計方法展開對比，以此確定不同方法使用后的優(yōu)劣性。

2.4 實驗測定指標

根據(jù)上述設(shè)定的實驗方法，將渲染流暢程度指標通過模型的幀率體現(xiàn)，其計算公式可表示為：

其中，frameNum表示模型構(gòu)建完成后固定幀數(shù)；elapsedTime表示模型幀數(shù)的使用時間。根據(jù)此公式可得到模型渲染流暢程度，根據(jù)以往研究結(jié)果，在本次實驗中，將幀率指標標準值設(shè)定為[30fpb，40fpb]之間，如實驗結(jié)果符合此區(qū)間，說明模型渲染流暢度較好。根據(jù)此標準，完成實驗過程。

2.5 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述實驗方案，得到模型幀率實驗結(jié)果，具體如圖2所示：

圖2 三維模型幀率實驗結(jié)果

在以往的研究中，幀率通常表示單位時間內(nèi)，相同模型圖像在顯示器上出現(xiàn)的頻率，其單位為（f/s），幀率高的模型表示其在展示與使用的過程中更加流暢、更加穩(wěn)定。根據(jù)此理論對上述實驗結(jié)果展開分析可以看出，多源數(shù)據(jù)融合方法使用后，模型的幀率為三種方法使用后最高幀率，說明此方法可一直保持較高的流暢性與穩(wěn)定性。與此同時可以發(fā)現(xiàn)，三種方法均符合當前模型幀率要求，為此，可進行后續(xù)的明暗度對比過程。為了降低操作難度，將變壓器三維模型作為對比對象，對三種模型設(shè)計方法展開對比，實驗結(jié)果如圖3所示：

圖3 模型明暗程度實驗結(jié)果

對上述實驗結(jié)果進行直觀觀察后可以發(fā)現(xiàn)，不同的建模方法使用后造成模型明暗程度差異較大。對實驗結(jié)果圖像進行分析后可以看出，三維全景快速模型設(shè)計方法使用后所構(gòu)建的模型較為明亮，使用此模型對變電站進行監(jiān)測會對工作人員的日常使用造成不便；WebGIS三維模型設(shè)計方法使用后所構(gòu)建模型較為灰暗，部分細節(jié)內(nèi)容無法突出顯示，不利于日常工作的進行；多源數(shù)據(jù)融合設(shè)計方法所構(gòu)建的模型色彩較為穩(wěn)定、適中，不會對變電站監(jiān)測工作造成不良影響。由此，可以判定多源數(shù)據(jù)融合設(shè)計方法的模型構(gòu)建效果更佳。

3 結(jié)語

本次研究中，使用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)對當前變電站三維可視化模型構(gòu)建過程展開了優(yōu)化。同時，在優(yōu)化的過程中增加三維地理信息系統(tǒng)，提升了模型構(gòu)建速度，并取得了相應的研究成果：完成變電站三維可視化模型數(shù)據(jù)標準化；構(gòu)建變電站數(shù)據(jù)庫。本次研究在為變電站監(jiān)測工作提供便利的同時，存在部分需要優(yōu)化的問題，在未來的研究工作中，還應選擇合適的技術(shù)完善本次研究中提出方法的不足。