王文旗， 蔡毅凡， 周 歡， 陳國(guó)杰

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司直流中心， 河南 鄭州 450000）

0 引言

換流站作為電力系統(tǒng)電壓變換與電力傳輸?shù)闹匾?jié)點(diǎn)，隨著其智能化水平的不斷提升，換流站的智能化運(yùn)維對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員業(yè)務(wù)水平提出新的要求。為提升智能換流站運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)能力，有必要開發(fā)換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)。通過換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)換流站故障、異常的仿真分析及輔助決策，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的三維可視化展示，能在與實(shí)際換流站完全相同的運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)正常操作、事故處理及系統(tǒng)恢復(fù)的培訓(xùn)，高度逼真地體驗(yàn)系統(tǒng)的變化情況[1-2]。因此，基于現(xiàn)有技術(shù)及智能算法支撐，開展換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)研究。

1 實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)及原則

1.1 建設(shè)目標(biāo)

1）基于計(jì)算機(jī)視覺、多視圖立體幾何原理和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重構(gòu)生成換流站實(shí)景三維模型；

2）構(gòu)建場(chǎng)景中重點(diǎn)關(guān)注的局部區(qū)域，實(shí)現(xiàn)換流站監(jiān)控?cái)z像機(jī)采集的視頻數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型的實(shí)時(shí)、無縫智能融合技術(shù)；構(gòu)建實(shí)景三維場(chǎng)景鳥瞰式、沉浸式漫游，以上帝視角及第一視角在三維場(chǎng)景中身臨其境、直觀地與巡檢人員一起對(duì)換流站進(jìn)行巡視；

3）在三維場(chǎng)景中疊加設(shè)備臺(tái)賬信息，可實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行信息和實(shí)時(shí)信息；

4）還原換流站場(chǎng)景，可進(jìn)行空間距離測(cè)量，為現(xiàn)場(chǎng)施工、大型車輛作業(yè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。

1.2 建設(shè)原則

實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分結(jié)合電力行業(yè)已有智能輔助系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行功能性提升，考慮系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)范性、兼容性、可擴(kuò)展性、業(yè)務(wù)融合、信息安全性、可推廣性等原則，系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，適應(yīng)智能化發(fā)展，采用通用化的設(shè)備和技術(shù)[4-5]。實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵守以下原則。

1.2.1 規(guī)范性原則

試點(diǎn)方案設(shè)計(jì)應(yīng)參考國(guó)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、施工等規(guī)范及試點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行，站端系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵從“規(guī)范先行”的原則進(jìn)行。

1.2.2 智能化原則

試點(diǎn)方案設(shè)計(jì)運(yùn)用智能分析、帶有智能功能的攝像機(jī)等提高系統(tǒng)智能化水平，同時(shí)通過先進(jìn)的編碼技術(shù)降低視頻碼流，減少存儲(chǔ)成本和網(wǎng)絡(luò)成本，減弱對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性，提高視頻預(yù)覽的流暢度。

1.2.3 兼容性原則

視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備良好的硬件兼容性，滿足后續(xù)新建設(shè)的終端的接入。自身具備協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件模塊，應(yīng)支持不同廠家前端設(shè)備的無縫擴(kuò)展接入。

1.2.4 可擴(kuò)展性原則

系統(tǒng)支持對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)部門需求進(jìn)行功能模塊擴(kuò)展，并預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口，考慮系統(tǒng)后期應(yīng)用的可擴(kuò)展性。

1.2.5 業(yè)務(wù)融合原則

系統(tǒng)功能及操作界面應(yīng)與生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)緊密融合，并兼顧其他業(yè)務(wù)部門使用需求，提升系統(tǒng)的實(shí)用性與多面性，提升系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值。

1.2.6 安全性原則

站端系統(tǒng)應(yīng)充分考慮信息安全問題，通過軟件、硬件確保系統(tǒng)具備抵御計(jì)算機(jī)病毒和非法入侵的能力。

1.2.7 可推廣原則

試點(diǎn)建設(shè)應(yīng)考慮今后大面積推廣應(yīng)用的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)便利性，使系統(tǒng)具備較高的可推廣性。

2 實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)支撐

2.1 實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)

在線智能巡視系統(tǒng)由高清攝像機(jī)和視頻主機(jī)、巡視主機(jī)、智能分析服務(wù)器、實(shí)景三維引擎主機(jī)、三維視頻融合主機(jī)等主要服務(wù)器組成。具體見圖1.

圖1 實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1.1 在線智能巡視主機(jī)

在線智能巡視主機(jī)搭載智能巡視系統(tǒng)軟件，制定和下發(fā)巡視任務(wù)、狀態(tài)跟蹤等指令；配置主輔監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)策略，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或其他狀況時(shí)，按預(yù)置位智能化關(guān)聯(lián)攝像機(jī)，自動(dòng)調(diào)整攝像角度進(jìn)行人工核查確認(rèn)。

2.1.2 視頻監(jiān)控主機(jī)

視頻監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)在線數(shù)量，采集、儲(chǔ)存和上傳圖片、視頻和紅外測(cè)溫等數(shù)據(jù)至在線智能巡視主機(jī)，快速響應(yīng)智能聯(lián)動(dòng)策略。

2.1.3 智能分析服務(wù)器

智能分析服務(wù)器搭載智能分析算法，接收巡視主機(jī)交互的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)智能分析站內(nèi)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.4 實(shí)景三維引擎主機(jī)（擴(kuò)展功能）

實(shí)景3D 模型的加載算法植入服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)3DWeb 服務(wù)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)各類跨平臺(tái)客戶端的快速訪問。

2.1.5 三維視頻融合主機(jī)（擴(kuò)展功能）

實(shí)景3D 模型與監(jiān)控視頻的融合算法植入服務(wù)器中。部署在換流站內(nèi)與監(jiān)控視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)融合預(yù)處理，對(duì)視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼以滿足3D 模型中實(shí)時(shí)視頻融合碼率要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)景3D 模型渲染[6-7]。

2.1.6 前端采集裝置

前端采集裝置包括紅外高清網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)一體化攝像機(jī)、紅外高清網(wǎng)絡(luò)球型攝像機(jī)、紅外高清網(wǎng)絡(luò)筒型攝像機(jī)、微型攝像機(jī)、雙光譜熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)、軌道攝像機(jī)、拾音器、視頻處理服務(wù)器等。

紅外高清網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)—體化攝像機(jī)或球型攝像機(jī)：可向上/向下自由旋轉(zhuǎn)，單個(gè)設(shè)備可關(guān)聯(lián)多個(gè)角度進(jìn)行監(jiān)視，涉及常規(guī)監(jiān)視、設(shè)備巡檢分析、設(shè)備狀態(tài)分析、環(huán)境狀態(tài)分析、人員行為分析。既可以查看室外場(chǎng)地開關(guān)、刀閘分合狀態(tài)，主變油溫、油位以及機(jī)器人無法觀測(cè)到的角度，還可以查看室內(nèi)場(chǎng)景環(huán)境。具體根據(jù)立桿條件選擇使用云臺(tái)還是球型攝像機(jī)。

紅外高清網(wǎng)絡(luò)筒型攝像機(jī)：用于室內(nèi)外特殊位置的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

微型攝像機(jī)：體積小，造價(jià)低，可用于彌補(bǔ)機(jī)器人無法進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行巡視的劣勢(shì)，監(jiān)測(cè)室內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)，如GIS 站主變油溫、油位和開關(guān)、刀閘分合狀態(tài)等。

雙光譜熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)：用于采集設(shè)備本體、接頭、套管、引線等重點(diǎn)部位的紅外圖譜數(shù)據(jù)。

軌道攝像機(jī)：可監(jiān)測(cè)室內(nèi)屏柜的設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備巡檢分析、設(shè)備狀態(tài)分析。

可穿戴定位設(shè)備：可采集當(dāng)前人員或者裝置的地理位置坐標(biāo)[8]。

2.2 實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)技術(shù)支撐

2.2.1 實(shí)景三維與實(shí)時(shí)視頻融合技術(shù)

實(shí)時(shí)視頻與實(shí)景三維無縫融合，實(shí)現(xiàn)沉浸式三維模型中整體或局部區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控，有效監(jiān)視換流站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人員狀態(tài)?；趽Q流站三維模型，結(jié)合換流站中布點(diǎn)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，利用實(shí)景3D 實(shí)時(shí)視頻融合引擎的AI 算法，采集視頻數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型進(jìn)行智能融合，從而實(shí)現(xiàn)三維模型與視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、無縫融合，達(dá)到實(shí)時(shí)的可視化監(jiān)控[9-10]。

實(shí)時(shí)視頻融合需要以下步驟：

1）融合視頻預(yù)處理，基于視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼以滿足實(shí)景3D 引擎端的動(dòng)態(tài)渲染要求；

2）對(duì)視頻進(jìn)行幾何校正、噪聲消除、色彩和亮度調(diào)整、配準(zhǔn)等；

3）視頻融合投影，基于視頻與三維場(chǎng)景之間的空間位置關(guān)系、用戶視角、以及渲染所需的深度信息，根據(jù)合適的視頻映射（透視投影或正射投影）算法進(jìn)行投影計(jì)算。

通過以上步驟，實(shí)現(xiàn)三維模型與換流站監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)、無縫融合處理，以及動(dòng)態(tài)的實(shí)景三維模型渲染，當(dāng)用戶視角發(fā)生改變時(shí)，通過特有的AI 算法實(shí)現(xiàn)視頻渲染隨著用戶視角變化而變化，避免畫面出現(xiàn)畸變的情況。

2.2.2 深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練技術(shù)框架

基于深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)視頻在電網(wǎng)運(yùn)維檢修中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一套智能計(jì)算服務(wù)（深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練框架），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)用視頻數(shù)據(jù)的采集預(yù)處理，海量視頻數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，分類建設(shè)電力設(shè)備視頻圖像訓(xùn)練庫，采用GPU 與深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合的模式，提高數(shù)據(jù)處理速度，達(dá)到持續(xù)訓(xùn)練與優(yōu)化各類智能分析算法，分類輸出各類智能算法模型，并可根據(jù)配置策略分發(fā)至各個(gè)換流站智能分析模塊單元，以此不斷提高在各種環(huán)境條件下電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3 結(jié)語

為提升智能換流站運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)能力，有必要開發(fā)換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有技術(shù)及智能算法支撐，開展換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)的研究，提出了換流站實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)及原則，分析了實(shí)景三維在線智能巡視系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)換流站故障、異常的仿真分析及輔助決策，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的三維可視化展示提供相關(guān)依據(jù)。