王興勛 趙勇 倪康婷 朱瑾

（1、北京國網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100070 2、國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090）

為了實現(xiàn)輸電線路全景感知和智能化管理[1],提升輸電線路運檢能力,本文從輸電線路智能化、數(shù)字化、精益化的需求出發(fā),重點研究了微服務(wù)、Docker 容器、消息中間件、三維可視化等關(guān)鍵技術(shù),提出了輸電線路智能化全景感知系統(tǒng)建設(shè)方案和建設(shè)內(nèi)容[2],實現(xiàn)以設(shè)備為核心的全景感知、快速分析、主動預(yù)警、智能決策、自主推送等功能,提升設(shè)備主人對輸電線路運行狀態(tài)的全面管控能力,為數(shù)字化班組賦能,助力輸電專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化提升。

1 智能化全景感知原理與方法

1.1 三維可視化

三維GIS 不僅可以表達(dá)空間要素間的水平拓?fù)潢P(guān)系,而且可以描述它們之間的垂向關(guān)系[3],因此,利用三維GIS 技術(shù),結(jié)合基礎(chǔ)影像（DOM）、三維矢量模型和數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）可以快速重構(gòu)輸電線路三維走廊場景,實現(xiàn)輸電線路三維可視化[4]。激光點云是構(gòu)建輸電線路三維場景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用點云密度、回波次數(shù)、立體形態(tài)和高度差等特征可以分離出植被、地面、建筑物、桿塔、導(dǎo)線等地物。將自動分類好的地面點構(gòu)建TIN 模型,生成高精度的輸電通道地形數(shù)據(jù)（DEM）。桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等輸電本體點云采用懸鏈線模型生成矢量化模型,以提高輸電導(dǎo)線可視化效果。航空攝影采集的影像數(shù)據(jù)通過影像糾正、增強等處理,生成高清正射影像（DOM）。輸電線路三維重建如圖1 所示。

圖1 輸電線路三維重建流程

三維場景重建除了保證三維模型的準(zhǔn)確性以外,還應(yīng)保證數(shù)據(jù)流暢顯示。系統(tǒng)采用八叉樹模型發(fā)布三維模型,算法步驟如下：（1）設(shè)置最大遞歸深度；（2）計算研究區(qū)域的空間范圍,建立第一個立方體；（3）依次將單位元素放入被包含且沒有子節(jié)點的立方體；（4）若沒達(dá)到最大遞歸深度,繼續(xù)細(xì)分八等份,將關(guān)聯(lián)的元素全部分配給八個立方體；（5）若發(fā)現(xiàn)立方體所分配的單位元素不為零且跟父立方體一樣,停止細(xì)分；（6）重復(fù)步驟3,直到到達(dá)最大遍歷深度。數(shù)據(jù)加載時候,根據(jù)可視域分辨率層級動態(tài)加載關(guān)聯(lián)的立方體節(jié)點元素,距離視點越近細(xì)節(jié)表示越精細(xì)。采用八叉樹模型可以提高三維模型繪制率,有效簡化、控制場景的數(shù)據(jù)復(fù)雜度[5]。

1.2 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是一項在云中部署應(yīng)用和服務(wù)的開源框架,通過將業(yè)務(wù)功能和需求分解到各個不同的服務(wù)中進(jìn)行管理,最大限度減少服務(wù)間的耦合度,實現(xiàn)業(yè)務(wù)和代碼的整體解耦[6],微服務(wù)架構(gòu)的出現(xiàn)是互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的必然結(jié)果。

當(dāng)前市場上微服務(wù)開源的框架主要有Spring Cloud、Dropwizard、Dubbo、Akka 等[7]。Spring Cloud 是一系列框架的有序集合,如Spring Cloud Stream、Spring Cloud Security、Spring Cloud Eureka 等,提供了搭建分布式系統(tǒng)及微服務(wù)常用的工具,如控制總線,服務(wù)發(fā)現(xiàn),斷路器,微代理,配置管理,智能路由等,滿足了構(gòu)建微服務(wù)應(yīng)用所需的所有解決方案。與其他微服務(wù)開源框架相比,Spring Cloud 具備社區(qū)支持強大、更新快、開發(fā)效率高等優(yōu)點,獲得了大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)用戶的青睞。

1.3 Docker 容器負(fù)載均衡

Docker 采用負(fù)載均衡算法將計算資源、存儲資源合理分?jǐn)偟礁鱾€節(jié)點,提高后臺Docker 容器服務(wù)器的抗并發(fā)性[8]。常用的負(fù)載均衡算法有WRR (Weighted Round Robin)、HM(Hashing Methods)、UHM(URL Hash Method)、RA(Random Algorithm) 等,其中WRR 算法在服務(wù)器負(fù)載方面的效果較好,它可以根據(jù)不同的權(quán)重值自動實現(xiàn)負(fù)載分配,服務(wù)器調(diào)用較為平滑,資源配置更加均衡,具體算法步驟如下。

1.3.1 輪詢所有服務(wù)節(jié)點,計算當(dāng)前狀態(tài)下所有服務(wù)節(jié)點的有效權(quán)重值

按照四臺服務(wù)器調(diào)用,有效權(quán)重值為{S1=4,S2=1,S3=1,S4=1},采用WRR 算法調(diào)用結(jié)果為（S1,S2,S1,S3,S1,S4,S1）,符合調(diào)用預(yù)期,如表1 所示。

表1 WRR 算法節(jié)點調(diào)用表

1.4 消息中間件

消息中間件（Message Queue,MQ)是分布式系統(tǒng)的重要組成部分,具有高并發(fā)、高可靠、高可用以及準(zhǔn)實時優(yōu)勢,可以實現(xiàn)系統(tǒng)間的解耦、錯峰流控、異步消息等問題,近年來已被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報[9]、智能交通[10]、輸電保電[11]等大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用場景。當(dāng)前比較流行的開源消息中間件有Rocket MQ、Rabbit MQ、Kafka 等。Rabbit MQ 是實現(xiàn)高級消息隊列協(xié)議的開源消息代理軟件,Rabbit MQ 中間件是采用Erlang語言開發(fā)的開源消息隊列,支持XMPP、AMQP、STOMP、SMTP 等協(xié)議,具有數(shù)據(jù)一致性、穩(wěn)定性、可靠性等特征,適合于企業(yè)級的應(yīng)用開發(fā)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

輸電線路智能化全景感知系統(tǒng)作為省級應(yīng)用平臺,旨在實現(xiàn)輸電線路三維展示、全景感知、智能決策、主動預(yù)警,支撐省級、地市級、現(xiàn)場巡檢班組等多級業(yè)務(wù)。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性和易維護,實現(xiàn)多級用戶并發(fā)訪問,系統(tǒng)基于云平臺,采用微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)（如圖2 所示）,共享服務(wù)中心遵循RESTful 協(xié)議,對外服務(wù)均注冊到API 網(wǎng)關(guān),配置服務(wù)路由,對外公開服務(wù)路由地址。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)遵循微服務(wù)架構(gòu)理念,按照模塊化設(shè)計,主要包括輸電資源管理、輸電集中監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、缺陷分析、輔助決策管理、現(xiàn)場檢修等六大功能模塊,如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 輸電資源管理。包括設(shè)備臺賬、交跨、隱患及故障跳閘等信息統(tǒng)計輸出,支持在二、三維地圖定位展示,快速展示運維區(qū)域輸電全貌。

2.2.2 輸電集中監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)端采集的數(shù)據(jù)采用消息中間件實時推送到系統(tǒng),通過圖標(biāo)方式展示,包括無人機、移動App、視頻監(jiān)測、分布式故障、微拍、微氣象等采集的信息。

2.2.3 環(huán)境監(jiān)測預(yù)警。基于數(shù)據(jù)中臺,實現(xiàn)外破、山火、雷電、覆冰、洪澇、地災(zāi)等自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和三維可視化展示。

2.2.4 缺陷分析?；跀?shù)據(jù)中臺,實現(xiàn)缺陷、故障的登記、統(tǒng)計、審核、處理等流程化管理。

2.2.5 輔助決策。應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù),實現(xiàn)模擬工況分析、植被生長分析、線路選址、帶電作業(yè)、應(yīng)急搶修、虛擬巡視等智能分析功能。

2.2.6 現(xiàn)場檢修管理。通過檢修作業(yè)全要素全局管控,實現(xiàn)計劃、隊伍、人員、現(xiàn)場、裝備的五個全覆蓋,實現(xiàn)作業(yè)、現(xiàn)場、裝備物物相聯(lián),開展輔助檢修及作業(yè)安全動態(tài)防護。

3 工程實例

3.1 試驗區(qū)域

選取某省電力檢修公司作為系統(tǒng)部署試點,輸電線路監(jiān)測設(shè)備信息及運行狀態(tài)如表2 所示。

表2 監(jiān)測設(shè)備列表

系統(tǒng)采用分布式方式部署（如圖4 所示）,由五臺服務(wù)器搭建本地集群,一臺服務(wù)器部署消息中間件,通過映射端口方式接收物聯(lián)網(wǎng)端推送的數(shù)據(jù),兩臺服務(wù)器部署應(yīng)用系統(tǒng),剩余兩臺作為數(shù)據(jù)服務(wù)器。微服務(wù)采用Docker 方式發(fā)布,實現(xiàn)負(fù)載均衡。目前系統(tǒng)已經(jīng)完成上線,運行良好。

圖4 服務(wù)器集群部署

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu),基于激光點云、三維模型、正射影像等數(shù)據(jù),構(gòu)建了全息輸電三維通道,實現(xiàn)了線路、桿塔、監(jiān)測設(shè)備臺賬的互聯(lián)互通,實現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備與三維場景的融合；通過消息中間件接收物聯(lián)網(wǎng)端的照片、視頻等信息,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)同步展示。

4 總結(jié)與展望

為了實現(xiàn)輸電線路全景感知和智能化管理,提升輸電線路運檢效率,本文深入研究了微服務(wù)框架、消息中間件、三維可視化等技術(shù),通過研發(fā)輸電線路智能化全景感知系統(tǒng),實現(xiàn)了不同系統(tǒng)資源共享、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和輸電線路全景監(jiān)控。經(jīng)過測試,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,用戶體驗良好,滿足輸電行業(yè)運維需求,有助于輸電專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化提升。