韓 磊，史令彬，沈清野，徐海寧，敬 強，韋立富，李 想，丁同臻，丁明磊，張 霞

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

海底電纜是沿海島嶼與城市之間電力傳輸?shù)闹匾侄危趯崿F(xiàn)電網(wǎng)國際化和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)進程中起著重要作用［1］。國網(wǎng)舟山供電公司管轄范圍內(nèi)具有較為復(fù)雜的海底輸電線路，當(dāng)前該公司海底電纜運維主要采用二維數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實施雷達與AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）信號融合進行目標(biāo)物識別與判斷，視頻監(jiān)控等回顧故障發(fā)生信息。該平臺不能實時立體化呈現(xiàn)海底地形地貌、船舶拋錨等相關(guān)狀態(tài)，同時也無法實現(xiàn)該區(qū)域是否符合漁船錨泊條件和多維度觀察漁船錨泊后拖錨損害等結(jié)果［2-4］。為解決此問題，本文研究了掃海數(shù)據(jù)進行三維可視化還原，導(dǎo)入Unity3D 引擎中并集成監(jiān)測硬件［5-8］，實現(xiàn)可視化海底電纜監(jiān)測中的三維海底地形地貌以及船錨纜關(guān)系的三維視覺呈現(xiàn)，為海底電纜運維中預(yù)警判斷和事故回放追責(zé)提供全方位、多維度的保障［9］，減少錨害對電纜故障造成的重大經(jīng)濟損失。

1 掃海數(shù)據(jù)解析

1.1 海底電纜數(shù)據(jù)獲取

1.1.1 舟山馬目至魚山220 kV海纜路由

舟山至馬目路由海纜敷設(shè)于2018 年3 月，共敷設(shè)7條海纜。海纜在運維監(jiān)測過程中會產(chǎn)生多源勘測的原始數(shù)據(jù)，包括海纜路由環(huán)境、海纜裸露數(shù)據(jù)、埋深、海纜本體，甚至是水文氣象數(shù)據(jù)等。通過對這些數(shù)據(jù)的綜合衡量，才能更加直觀地可視化顯示海底電纜路由以及海纜的狀態(tài)。在本次掃海數(shù)據(jù)還原中，如圖1所示，海纜路由調(diào)查區(qū)域先進行設(shè)定。

圖1 海纜路由調(diào)查區(qū)域示意圖

該掃測采用側(cè)掃聲吶進行，側(cè)掃聲納坐標(biāo)位置誤差為±2 m；GPS（全球定位系統(tǒng)）天線到拖魚實際位置誤差估算值為±2.0 m；拖魚偏離航跡線的誤差估算值為±2.0 m。由此，計算可得掃聲納拖魚坐標(biāo)位置精度為±3.46 m，側(cè)掃聲納掃側(cè)海纜坐標(biāo)位置平面精度為±3.61 m。

1.1.2 三維可視化系統(tǒng)中地形處理

掃海數(shù)據(jù)在三維可視化引擎處理之前需要進行預(yù)處理［10-14］。通過外部的預(yù)數(shù)據(jù)處理生成模型文件，在軟件中對外部模型進行動態(tài)加載。模型的生成和渲染都在引擎軟件內(nèi)進行，軟件根據(jù)用戶視角實時計算所需要的模型及精度，對地形進行三維渲染。主要經(jīng)過以下步驟：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于掃海數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度坐標(biāo)，首先對經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進行十進制轉(zhuǎn)換，再將高度數(shù)據(jù)與經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的單位進行統(tǒng)一化處理，形成XYZ坐標(biāo)形式的數(shù)據(jù)文件。

2）數(shù)據(jù)分層

在軟件實際應(yīng)用中，不同的視角高度所需要的地形精度也不同。因此根據(jù)實際的地形大小，通過多細節(jié)層次的方式生成不同精度的地形數(shù)據(jù)，以匹配不同視角范圍下的地形顯示。

3）數(shù)據(jù)分塊

地形數(shù)據(jù)量較大，如果所有的高精度模型都在軟件中同時進行加載可能會導(dǎo)致幀數(shù)不穩(wěn)定等性能問題。因此，可將地形數(shù)據(jù)進行分塊處理，通過根據(jù)顯示范圍動態(tài)加載所需要的地形塊來提高軟件運行效率。

4）模型生成

根據(jù)分層分塊處理完成的掃海數(shù)據(jù)生成地形網(wǎng)格，再將網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為曲面，并將地形曲面進行導(dǎo)出，作為軟件中地形數(shù)據(jù)的外部文件。

1.2 海纜線數(shù)據(jù)解析

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)中的拖魚布放采用側(cè)弦拖曳式布放。布放在測量船左弦［15］，距離船舷2 m左右，拖體入水深度約3 m，信標(biāo)機天線頭安裝在側(cè)弦距離拖魚2 m 處。系統(tǒng)甲板單元置于駕駛艙，方便保持導(dǎo)航與側(cè)掃數(shù)據(jù)實時采集的一致性。經(jīng)過掃海公司將部分海纜路由數(shù)據(jù)處理后，可見數(shù)據(jù)類型如表1所示。在三維可視化引擎軟件中，數(shù)據(jù)點較大，不容易發(fā)現(xiàn)典型錨泊區(qū)域。但是該數(shù)據(jù)有效性為接下來二次實驗數(shù)據(jù)提供了樣本參考。

表1 二次掃海測試數(shù)據(jù)

二次采集樣本數(shù)據(jù)時設(shè)置好GPS 偏移量、發(fā)射功率、增益等參數(shù)，保證現(xiàn)場測量時整個系統(tǒng)處于安全、可靠的狀態(tài)。測量前對拖魚的吃水和位置進行量測，通過軟件對系統(tǒng)設(shè)定，將拖魚位置歸算至GPS 位置處。根據(jù)技術(shù)要求，將設(shè)備安裝調(diào)試后，沿測線進行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 二次樣本數(shù)據(jù)

2 掃海數(shù)據(jù)三維可視化還原

2.1 線性插值三角網(wǎng)法還原掃測數(shù)據(jù)樣本

將掃海數(shù)據(jù)點連成海域?qū)崟r顯示是三維可視化的核心，其原理是設(shè)置點的一個集合［16-17］，相當(dāng)于將任意取相臨近Zi=INTERPTRI（TRI，X，Y，Z，Xi，Yi）對向量Y和Z的散點數(shù)據(jù)進行線性插值，如由DELAUNAY 在Xi和Yi中的各個點對處返回的三角剖分TRI 所述。也就是說，Zi（k）是點（Xi（k），Yi（k））處的線性插值。當(dāng)Xi是行向量而Yi是列向量時，Xi和Yi不會像在GRIDDATA 中那樣被網(wǎng)狀網(wǎng)格化。實際上，一個常見的三角形繪制算法是查看三角形周圍包圍框中的每個像素，然后對每個像素計算重心坐標(biāo)。如果其中一個權(quán)重是負數(shù)，那么該像素將被跳過。這種算法的一個優(yōu)點是，顯卡可以簡單地并行化邊界框中的每個像素，這使得繪制三角形非常快。

2.2 三維地形還原過程

如圖2 所示：取掃測數(shù)據(jù)臨近的3 個點V1、V2、V3，作為其中一個三角形的3 個頂點，P 作為重心點計算距離D：

圖2 任意臨近3個點的坐標(biāo)示意圖

式中：DV1、DV2、DV3分別為V1、V2、V3 到P 點的距離；XV1、XV2、XV3、XP分別為V1、V2、V3、P 點的橫坐標(biāo)值；YV1、YV2、YV3、YP分別為V1、V2、V3、P點的縱坐標(biāo)值。

再根據(jù)每個頂點的樣本坐標(biāo)定義權(quán)重W：

最后，通過三角形每個頂點到混合點的距離可以將所有的點連接成面，并且添加相關(guān)的顏色，填色后效果如圖3所示。

圖3 三點成面的顏色填充

經(jīng)過所有點的云數(shù)據(jù)處理后，采用線性插值三角網(wǎng)插值算法程序?qū)颖緮?shù)據(jù)還原，效果如圖4所示。

圖4 多個點連成的海底地形區(qū)域

3 基于真實掃海數(shù)據(jù)的三維可視化智能監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 總體架構(gòu)

3.1.1 平臺介紹

根據(jù)國網(wǎng)浙江省電力有限公司的業(yè)務(wù)需求，基于三維掃海數(shù)據(jù)還原，設(shè)計集搜索、監(jiān)視、跟蹤、報警于一體的三維可視的海底電纜運維檢修智能化綜合管控平臺。通過該平臺可以實現(xiàn)海底電纜健康管理、狀態(tài)監(jiān)測、水面目標(biāo)態(tài)狀監(jiān)測、外力破壞預(yù)警、事件急速智能處置、信息要素可視化的現(xiàn)代化管理。

3.1.2 平臺功能流程

該三維可視的海底電纜運維檢修智能化綜合管理平臺包含7個功能點，其功能流程如圖5所示。

圖5 平臺功能流程

1）系統(tǒng)登陸。

2）實時探測：工具（測量功能、點定位功能），圖層管理（點線面），顯示設(shè)置（目標(biāo)設(shè)置、場景設(shè)置、報警設(shè)置、光電設(shè)置），實時數(shù)據(jù)（實時船舶、已消失的船舶、實時報警列表、報警處理、實時預(yù)警列表、已結(jié)束報警列表、歷史報警列表、風(fēng)險熱點圖），海圖顯示（海纜顯示、海纜編輯功能、目標(biāo)報警狀態(tài)顯示、點目標(biāo)顯示、目標(biāo)數(shù)據(jù)源不同顯示）。

3）歷史回放。

4）CCTV（閉路電視）：相機列表樹狀圖、云臺控制功能。

5）信息管理：船舶管理、海纜管理、錨泊事件管理。

6）平臺管理：用戶管理、運維管理。

7）報警服務(wù)：輸入報警規(guī)則修改、輸出報警數(shù)據(jù)信息。

在海纜監(jiān)控方面，充分利用“大、云、物、移、智”安防領(lǐng)域新技術(shù)，將電子海圖、AR（增強現(xiàn)實技術(shù)）增強聯(lián)動視頻、船只AIS和雷達信號融合認證等結(jié)合起來。通過國內(nèi)領(lǐng)先的海纜綜合監(jiān)控預(yù)警平臺，做到海纜監(jiān)控信息分級預(yù)警及大數(shù)據(jù)綜合研判，極大地提升了海纜防外破水平。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞

系統(tǒng)可根據(jù)實際探測需要，以網(wǎng)絡(luò)接入的方式有選擇地連入包括水體、水面目標(biāo)等不同種類和數(shù)量的分布式探測傳感器，對目標(biāo)特征進行采集。各類分布式前端探測站/點均在無人值守下工作。前端各類探測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯總至探測中心站后，由部署在中心的綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（軟件）進行探測數(shù)據(jù)的融合與大數(shù)據(jù)分析。最后，依照各探測監(jiān)管部門的行業(yè)習(xí)慣和管理意圖，將各類探測及預(yù)警信息以圖形、表格或文本等多種形式呈現(xiàn)給管理者，這些信息包括：海圖背景下的目標(biāo)跟蹤態(tài)勢圖、觸發(fā)各類報警的目標(biāo)信息、特殊目標(biāo)的航行路線規(guī)劃及調(diào)度指示、監(jiān)視視頻畫面以及探測分析圖表、預(yù)警輔助決策建議信息等。此外，借助中心的管理平臺軟件，用戶還可遠程操控和管理整個系統(tǒng)中的所有設(shè)備，并可借助AIS、VHF（甚高頻）實現(xiàn)對管理對象（船舶）的航行路線規(guī)劃、調(diào)度管理及雙向?qū)崟r信息交互。平臺按照數(shù)據(jù)信息流的傳遞順序依次劃分為4個功能層次，分別是：感知層、傳輸層、支撐層及應(yīng)用層，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳遞層示意圖

來自各種類分布式探測傳感器的探測數(shù)據(jù)通過各種數(shù)據(jù)傳送形式匯聚到中心站，由該綜合數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析，并最終將探測區(qū)域內(nèi)各類識別到的目標(biāo)運動狀態(tài)疊加在海圖背景上，以態(tài)勢圖的形式呈現(xiàn)給用戶。

同時，為了豐富用戶的監(jiān)管手段，系統(tǒng)還可為操作者提供對水面目標(biāo)的手動或自動CCTV 視頻抓拍取證操作控制、各類探測數(shù)據(jù)的存儲及回放、系統(tǒng)設(shè)備的遠程操控及維護管理等多種子功能項。此外，該平臺還支持以擴展功能插件的形式不斷擴充新的功能項。

3.3 三維可視化子系統(tǒng)構(gòu)建

3.3.1 三維可視化子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

該三維可視化的海底電纜運維檢修智能綜合管控平臺按照功能模塊可分為以下幾個子系統(tǒng)：海纜海底地貌的三維可視化子系統(tǒng)、海纜線路由的三維可視子系統(tǒng)、水文氣象子系統(tǒng)、AIS 電子圍欄子系統(tǒng)、先進雷達探測子系統(tǒng)、海底電纜全生命周期管理子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1）海纜海底地貌的三維可視化子系統(tǒng)：利用聲吶探測技術(shù)，對試點海域的海纜所轄區(qū)域完成聲吶掃測，回波數(shù)據(jù)通過4G/5G 專用網(wǎng)絡(luò)或離線的方式上傳至海底電纜運維檢修智能綜合管控平臺。開發(fā)對回波數(shù)據(jù)三維成像的算法，實現(xiàn)掃測數(shù)據(jù)的三維成像及完成與歷史數(shù)據(jù)的比對工作。對產(chǎn)生變化的部分，在平臺上給出提示。

2）海纜線路由的三維可視子系統(tǒng)：利用高精度磁探技術(shù)（原子磁力儀），對試點海域的海纜完成磁探掃測，掃測數(shù)據(jù)通過4G/5G 專用網(wǎng)絡(luò)或離線的方式傳輸至海底電纜運維檢修智能綜合管控平臺。開發(fā)對磁探數(shù)據(jù)三維成像的算法，實現(xiàn)海纜路由三維成像及完成歷史路由的比對工作。對產(chǎn)生變化的部分，在平臺上給出提示。

3）水文氣象子系統(tǒng)：在三維可視化的海底電纜運維檢修智能綜合管控平臺接入水文氣象信息的接口，并在平臺上融合展示的水文氣象信息，在海纜所在海域?qū)崟r展現(xiàn)水文氣象數(shù)據(jù)，并為海纜運行、海面船舶管理、運維檢修工作安排等提供氣象環(huán)境影響的數(shù)據(jù)依據(jù)，為生產(chǎn)安全提供水文氣象信息支持。

4）基于AIS 的電子圍欄子系統(tǒng)：在充分利用現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，整合現(xiàn)有信息、組織、資源，加強綜合管理能力，實現(xiàn)海纜監(jiān)控海域的船舶動態(tài)監(jiān)控平臺的智能化和自動化，完善船舶動態(tài)管理機制。為了保障運檢和其他部門在緊急事件的處理過程中快速、準(zhǔn)確、及時地收集各類信息，通過多種方式進行高效溝通，獲得科學(xué)的輔助決策信息，利用信息技術(shù)和決策支持技術(shù)，建立具有先進性海纜保護區(qū)域的電子圍欄。

系統(tǒng)整體采用通用的C/S 構(gòu)架、前后端分離的開發(fā)技術(shù)，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的前端展示與人機交互功能。系統(tǒng)提供PC端應(yīng)用界面及大屏可視化展現(xiàn)，完成原舟山海纜一體化監(jiān)控平臺的所有功能，并實現(xiàn)后續(xù)子模塊接入的接口開發(fā)工作。通過多源設(shè)備感知，融合雷達、AIS、氣象、磁探、聲吶、光電形成目標(biāo)的多源頭探測及3D展示，集雷達數(shù)據(jù)、AIS 數(shù)據(jù)、光電數(shù)據(jù)進行船只目標(biāo)的綜合管理與預(yù)告警，建立全生命周期管理，提供磁探、聲吶、氣象、AIS電子圍欄數(shù)據(jù)接口。

3.3.2 三維可視化子系統(tǒng)實現(xiàn)流程

通過對三維可視化模型的數(shù)據(jù)環(huán)境與數(shù)據(jù)格式進行全面分析，實現(xiàn)了對不同格式的規(guī)則格網(wǎng)DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，最終得到三維可視化所需要的數(shù)據(jù)，從而形成一維完整的DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理、檢驗機制。對三維可視化效果進行了擴展，除三角形網(wǎng)和紋理效果圖外，增加了光影效果和分層著色三維圖效果。詳細討論了實現(xiàn)光影效果的不同算法的效率，并找到了一種高效的地平面計算方法。反投影變換實現(xiàn)過程，簡要疊加了常見的三維分析方法以及地圖代數(shù)在三維分析中的作用。對三維可視化模型提出了更為合理的單層多比例尺表達的實現(xiàn)模式，討論了其實現(xiàn)方法以及數(shù)據(jù)組織形式；根據(jù)對模型的認識，從整體上提出一個全面的、開放式的應(yīng)用程序構(gòu)架藍圖，為后續(xù)的軟件開發(fā)提供支持。實現(xiàn)了三維可視化應(yīng)用程序的功能開發(fā)。

本系統(tǒng)基于二維的舟山電力海纜監(jiān)控一體化平臺，采用Unity3D 的三維引擎技術(shù)以及C#編程語言、WPF界面框架升級構(gòu)建了三維可視的海底電纜運維檢修智能化綜合管控平臺。通過對Unity3D 場景坐標(biāo)的綜合轉(zhuǎn)換，設(shè)計基于Unity3D場景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，實現(xiàn)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)Unity3D 場景坐標(biāo)，解決了二、三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)易偏移的問題。二、三維系統(tǒng)切換界面如圖8所示。

圖8 三維可視化主場景界面示意圖

3.3.3 三維可視化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

Unity3D 也稱Unity，是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型引擎工具。Unity3D 可以運行在Win?dows 和MacOS X 下，可發(fā)布至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL（需要HTML5）、Windows Phone 8 和Android 平臺。也可以利用Unity Web Player插件發(fā)布網(wǎng)頁版內(nèi)容，支持Mac和Windows平臺的網(wǎng)頁瀏覽，是一個全面整合的專業(yè)實時渲染引擎。在本項目中應(yīng)用其三維場景進行海面和海底關(guān)系表現(xiàn)，如以下代碼以及效果圖（圖9）所示。

圖9 三維可視化平臺海纜與海面

3.3.4 三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲

建立新的MySQL Command 變量，通過以太網(wǎng)與MySQL數(shù)據(jù)庫連接，通過ExecuteReader（）函數(shù)讀取MULTBEANSONARTARGETDATA 表內(nèi)的聲吶探測到的目標(biāo)物的類型（type），ID（id），三維UTM坐標(biāo)（UTM_X，UTM_Y，UTM_X）以及入侵時間（time1），通過ExecuteReader（）函數(shù)來讀取數(shù)據(jù)庫中AISTRAJDATA 表內(nèi)的AIS 信息，mmsi（mmsi）row（row），時間（time），ID（id），三維UTM 坐標(biāo)（UTM3_X，UTM3_Y，UTM3_Z），類型（type）。最后將讀取到的數(shù)據(jù)存入軟件內(nèi)的相應(yīng)變量中。

建立新的SqlConnection 變量，通過以太網(wǎng)與Sql數(shù)據(jù)庫建立連接。將讀取到的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)寫入到Sql的MULTBEANSONARTARGETDATA表與AISTRAJDATA表內(nèi)。篩選最近新的目標(biāo)物信息。將最近目標(biāo)物信息三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換格式。將AIS 報文信息轉(zhuǎn)換格式。最后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至三維視景軟件。

4 結(jié)語

三維可視的海底電纜運維檢修智能化綜合管控平臺是一套對海底電纜全生命周期運檢管控的自動化、智能化、現(xiàn)代化的管理系統(tǒng)。該平臺為原平臺的升級版本，在原有平臺系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下，集成已有全部系統(tǒng)和技術(shù)、引入前沿監(jiān)測預(yù)警技術(shù)、提高雷達與AIS融合輔助判斷能力、集成數(shù)據(jù)分析與智能輔判，將當(dāng)前系統(tǒng)升級成三維可視化的海底電纜運維檢修智能綜合管控平臺。主要突出地貌、海纜三維可視化、相關(guān)數(shù)據(jù)可視化分析、水文氣象信息可視化和基于雷達與AIS融合探測海面目標(biāo)監(jiān)視輔助預(yù)警成像等技術(shù)，在技術(shù)、經(jīng)濟、操作、法律方面都是可行的，可以進行平臺開發(fā)。

本文將掃海數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終在引擎中展示效果，能夠為海纜的三維可視化監(jiān)控中數(shù)據(jù)還原提供一定的參考。本文中是基于線性插值三角網(wǎng)法進行計算、程序批量運算、引擎中引用等步驟進行基本的處理，在采樣數(shù)據(jù)過程中分批次進行，彌補數(shù)據(jù)量粗糙帶來的不直觀準(zhǔn)確性。在接下來的研究中，將注重海量數(shù)據(jù)實時還原的問題，針對局部海纜進行三維可視化輔助預(yù)判，但是目前還不具備甄別淤泥、礁石、淺灘等地形的能力。