摘要：本研究通过三维场景交互平台，对电缆隧道模型、隧道传感监控设备、以及现实工作环境标准化三维建模，用三维虚拟交互技术对虚拟设备进行操作与交互，实现设备的实时信息查看、告警信息处理、以及设备的开关控制，从而实现电力电缆的在线监控。电缆隧道的三维场景交互平台使监控人员能够及时了解异常发生的区域、事故影响的设备范围，实时跟踪事态的发展。从而有效的协助监控人员及时处理危机，预防事故发生及扩展。
关键词：电力电缆；三维交互；运维管理
0 引言
随着我国电力企业信息化管理水平的快速发展，对设备的运维管理逐步由传统的管理模式演变为自动化、科学化、可视化、智能化的管理模式。电力电缆是城市的重要基础设施，如何提高电力电缆运行维护的安全性和经济性是电力运行和管理人员必须面对的问题。目前基于二维、图片和视频监控等可视化技术已经成熟应用于电力电缆的管理，但这些手段并不能直观、真实地反映电缆隧道内密集的电力电缆在三维空间的分布情况，不能有效的进行故障分析、计划检修等，为了解决该问题，通过三维场景交互平台，对电缆隧道模型、隧道传感监控设备、以及现实工作环境标准化三维建模，用三维虚拟交互技术对虚拟设备进行操作与交互，实现设备的实时信息查看、告警信息处理、以及设备的开关控制，从而实现电力电缆的在线监控。运维管理人员能够及时了解异常发生的区域、事故影响的设备范围，实时跟踪事态的发展。从而有效的协助运维管理人员及时处理危机，预防事故发生及扩展。
1 电力电缆在线检测研究目标
进行电力电缆在线监测研究的目的是为了增强电力电缆管理水平，并为加快电力电缆数字化管理[1]进程做技术储备和制度建设方面的思考。通过三维建模技术构建逼近真实的电力隧道模型和现实工作环境，采用三维交互技术使用户可通过对虚拟设备的操作与交互，完成与现场相同的操作功能，通过三维交互平台查看实时信息、处理告警信息、控制照明线路开闭、控制水泵开关、了解井盖当前的情况等。
2 基于三维交互的电力电缆在线检测研究内容
利用三维虚拟现实[2]技术对电缆隧道内各种设备进行建模，通过模型数据的累积，形成电力电缆监测设备模块库；通过组态方式，模块化的设计，形成建模编辑组态软件，利用各种设备模型方便地构建出电力电缆隧道场景模型。
三维场景采用模块化[3]建模方式，对三维场景中的设备按照对象进行区分，通过人机界面直接对场景中的设备进行操作。结合视频监控技术，通过视频视角与三维场景视角进行映射，实现虚拟场景与现实场景的接口。
在三维场景中直接展示采集到的监控设备数据，当发生报警或状态变化时，三维场景以变化的模型状态提示用户，并进行联动视频展示、预置位调用等功能。
3 总体架构
系统架构体系由技术支撑层、基础数据层、业务应用层及相关标准和保障体系组成。
系统核心为技术支撑层、基础数据层以及业务应用层，其中，技术支撑层为系统提供各种技术支撑服务，它包括了数据库管理、.NET企业框架、AutoCAD技术、三维技术、多媒体技术、DXStudio技术等。在技术支撑层之上的是基础数据层，为业务应用层提供各种基础数据，它包括了三维模型数据、CAD数据、动画视频、检修流程数据、用户数据等，业务应用层利用下层的技术支撑与基础数据，为系统用户提供各种业务应用功能，这包括检修实操动画培训、检修实操考核、设备三维模型展示等以及与系统安全相关的用户管理、角色管理、权限管理和密码管理等。
图1 系统结构图
两个保障体系分别为标准规范保障体系和信息安全保障体系。标准规范体系包括AutoCAD图纸编制规范、三维模型制作规范、数据库设计规范等。信息安全保障体系确保系统在符合电力设备安全要求的环境下运行。
4 系统功能
基于三维交互式应用的电力电缆在线监测系统平台主要包含运行监控、生产管理、应急处置三大块业务功能和基础功能。
图2 系统功能
1）基础功能
基础功能是平台系统提供的各业务所共有的一些功能，主要包括对系统信息的配置维护和查询统计。
配置、维护管理包括对在线监测系统的配置和维护、人员基础信息和用户权限的配置和维护、三维场景及设备模型的配置和维护、三维GIS电子地图图层数据的配置和维护等。
查询统计包括对设备信息的查询统计、历史监测数据的查询统计、历史报警事件的查询统计、操作日志的查询统计、人员信息的查询统计等。
2）运行管理
运行管理提供对生产状态、设备状态、环境状态等监测数据进行可视化展示、远程控制以及状态评估。
状态监测提供组态、列表、图表、三维场景等多种方式进行展示。
远程控制包括在WEB界面通过组件手动向前端控制设备下发控制命令或输出开关量信号，以及与监测对象的阈值进行关联，并根据阈值范围自动联动前端控制设备。
运行状态评估是将工业生产设备运行状态的评价进行标准化，并结合监测到的海量运行状态数据进行自动分析计算，并对计算结果进行有效的评估，使生产管理人员更加清楚直观的掌握生产设备的运行状态。
基于三维场景的状态监控基于人机交互[4]的可操作性，提出在手动操作的基础上，添加自动巡航的功能来代替手动操作，并设计一种三维虚拟场景智能巡航的方法。支持巡航路径、巡航速度、巡航任务、巡航点停留时间可设定，提供第一视角和第三视角巡航方式以及自动巡航对异常点的自动导向。
3）巡检管理
巡检管理包括设备管理、流程管理和工作管理。
设备管理中需要对现场的设施环境和监控设备进行管理，提供按类型、按名称等对设备进行浏览和设备详细信息查询的功能。系统可对设备进行GIS定位，可关联查看其相关备品备件信息，以及设备缺陷和设备故障等技术档案信息。
提供对日常巡检任务和值班排班任务的工作管理：（1）可对巡视人员下达巡检任务或工作计划，工作任务计划下达后，可通过短信发送通知相关人员。同时在平台上可实现人员定位，巡检日志管理等功能；（2）提供值班排班管理功能实现对人员排班、交接班的管理。
对设备故障或监测状态异常等系统报警实现故障或报警上报、审核、任务下达、处理的流程化管理。主要功能包括：故障/异常数据维护、故障/异常流程化管理、故障/报警查询统计等，报警信息/故障信息可附加截图、视频文件和状态评估报告内容。
4）应急管理
应急管理部分提供监控报警、预案处理信息管理功能。
监控报警包括报警设置和报警响应功能，即可针对不同监控设备或监测对象设置不同报警类型、报警等级、报警触发条件和报警提示表现形式。
系统提供在报警情况下对相应处理预案的设置、查询和维护功能。处理预案通常包括报警时通过声光进行提示，通过短信通知相关人员，切换摄像机预置位确认事故等。
5 关键技术
1）软件开发框架
平台采用C#编程语言并基于.NET开发平台实现，完美支持分布式组件、XML、Web Service、B/S应用程序、数据库系统以及很多其他类型的程序。
2）数据库技术
数据库采用Microsoft SQL Server数据库系统，其具有丰富的数据类型，并提供多种开放式接口和多种询问方式，为系统功能扩展提供有利条件。
Microsoft SQL Server是基于服务器/客户机结构的数据库管理系统，这种结构方式能够使系统在服务器和客户机间平衡负载，有利于与中心进行联网和数据交换，大幅度提高数据存储和处理速度。
3）3D技术
融入3D建模和3D高速渲染技术，在3D实景模型中构建传感设备和被测对象，高度仿真现场，实现近似身临其境的监测效果。
4）基于模块化的开发应用
基于模块化开发，通过数据协议转换模块，实现与各子系统之间的通信连接和数据交互。外部系统借由外部扩展接口模块实现和中心系统的对接。同时所有应用系统均可以通过数据库模块实现与数据库的对接，其他系统也可通过数据库模块实现对数据库的访问和查询。
5）面向对象技术
基于用户面对的数据大都是可操作的对象，为了方便用户操作和使用，增强数据的互操作性和理解性，平台采用面向对象的数据模型直接与客观对象相对应，用户随时定义自己所需的数据类型，增强系统的二次开发能力和可扩充性。
6）电子地图技术
充分集成Google电子地图功能，支持地图多层显示，用户可自定义地图显示层级和显示模式。
7）Web Service技术
全面支持Web Service技术，将采用不同开发语言、操作系统或应用架构的子系统通过标准的XML语言进行无缝集成，实现平台对各个子系统的集中监测。
6 技术特点
1）稳固的架构设计
采用分布式架构方式，以及平台结构设计和开放式体系。同时采用业界成熟开发框架和基于C/S、B/S混合模式的多层结构体系，在数据层实现各类数据紧密集成，在应用层着眼于多系统互联互通，可以满足对实时性、可靠性、稳定性以及长期运行的各种要求。
2）便捷的操作方式
图形界面配置采用组态化编辑方式，所见即所得，并提供大量与现场系统及设备相对应的组件和诸多的展示手段，以便于定制出符合用户使用习惯的应用平台。
3）全面的应用管理
提供节点页面组态管理、设备台账管理、可视化实时监控管理、角色授权机制、内置行业多接口协议的联动管理、以及其他分布式架构设计的冗余及可靠管理等众多管理功能，通过统一的界面框架，方便用户进行操作，并可以实现与已有应用管理平台的信息交换，实现更强大的管理水平，提升本平台及现用应用管理平台价值。
4）简便的日常运维
基于三维模型库[5]的建设在面对新系统、新设备或者用户新的需求时，可以在较短的开发周期内，方便快捷地完成对新系统、新设备、新需求的快速支持，而无须投入大量的人力、物力进行系统大范围的升级与培训工作，大大降低了日常运行维护成本。
通过三维交互平台将不同的数据信息完全整合到一起，便于信息共享与交互，使用不同系统间联动操作更为便捷与高效，降低了劳动强度。大部分的繁琐联动操作，可以由交互平台内置的联动预案自动的方式，或者以确认方式半自动完成。
7 结束语
采用三维交互式应用的电力电缆在线监测系统实现了在“真实”三维实景模型下的电缆隧道设备可视化管理和交互式监控业务。从根本上解决了以往对设备运行状态、隧道环境掌握不及时、人员工作安全等问题，减少了因电缆运行故障、人为因素等导致的电网停电、火灾等事件的发生，保障了电力电缆线路的安全、稳定运行。减少了因各类事故及故障所带来的直接、间接经济损失，降低了运维管理成本，带来很大的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]李胜国. 电力电缆及其管沟在线综合监控系统的研究[D]. 山东大学，2014.
[2]崔小鹏，邵英，周羽. 基于虚拟现实的电力监控系统[J]. 兵工自动化，2009，28（8）：28-31.
[3]曾文萱. 基于Web技术的三维模型库系统的设计与开发[D]. 合肥工业大学，2005.
[4]张全贵，王普，闫健卓，等. 三维组态软件设计中场景快速组态及交互方法研究[J]. 信息与控制，2010，39（4）：492-496.
[5]曾晓芳，肖世德，余晓明. 三维场景图形建模和场景对象管理方法[J]. 机械工程与自动化，2007（6）：31-33.
作者简介：
陈晓（1974—），女，工学学士，高级工程师，主要研究输、变、配电安全运行方向。576401068@qq.com
论文作者:陈晓
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/6
标签：设备论文; 系统论文; 在线论文; 数据论文; 技术论文; 电力电缆论文; 功能论文; 《电力设备》2017年第23期论文;