支持虚拟现实展示的电力综合监测系统

郑健，陈海波，王媚，费瑞轶，陈锦华（.国网上海市电力公司，上海　00；.国网上海上海市电力公司检修公司，上海　0006；.上海欣能信息科技发展有限公司，上海　0000）

支持虚拟现实展示的电力综合监测系统

郑健1，陈海波1，王媚2，费瑞轶3，陈锦华2
（1.国网上海市电力公司，上海200122；2.国网上海上海市电力公司检修公司，上海200063；3.上海欣能信息科技发展有限公司，上海200030）

传统的在线监测系统对于移动巡检和现场作业支持功能较弱，不能实现与现场作业人员交互的功能。介绍了一种支持移动作业的电力综合监测系统方案，详细描述了系统的整体结构，服务器端的实现框架，移动设备服务程序的功能结构及主要功能的实现方法。根据技术方案建立完整的监测系统，通过测试表明系统实现了综合移动监测功能，其交互方式灵活，显示信息全面、直观。

虚拟现实；监测系统；移动作业；无线通信

电力设备的实际运行条件非常复杂，运行过程中存在复杂的电、热、机械和流体作用，长期的带电运行和机械动作使设备磨损、绝缘下降，出现老化和设备性能缓慢下降，设备的可靠性逐步降低，故障率升高。大量长期服役的电力设备的状态、性能和参数的波动，工作能力和工作性能的降低是电力系统的安全稳定运行的重大隐患；由于设备改造、升级和重建需要的投入非常巨大，为了保证电网的稳定和电力系统供电的可靠性，必须对重要的电力设备的状态进行在线监测［1-3］或定期测试。

由于电子信息技术的飞速发展，在线监测设备的成本呈逐年下降的趋势，对重要的电力设备进行在线监测的技术可行性和经济合理性也越来越高，对关键电力设备的运行状态进行持续地在线监测已经发展成为一种重要的趋势。在不影响设备正常的功能和性能的前提下，智能变电站状态监测系统能的使用可以实时获取设备在运行阶段的状态信息、环境信息和动作信息。把这些信息进行结构化存储，有针对性地综合利用各种专家系统，人工智能和信号分析处理算法，可对设备的实际运行状态、性能作出准确的分析和判断，必要时可及时发预警信息，提示存在的故障或缺陷，预测可能出现的操作异常，对于提高电网可靠性非常有意义。经过多年的发展，针对变电站内各种关键的电力设备发展了一系列非常有特色的状态监测系统方案，已经发展成为智能化变电站不可或缺的重要的内容之一，可为实现电力系统设备的状态检修和全生命周期管理奠定非常重要的技术基础。

在国内，在线监测技术从20世纪80年代末开始发展，经过30多年来的探索研究、工程实践，目前已经发展了一系列有特色的在线监测技术，形成了多种多样的性能成熟、功能稳定的在线监测新产品［4］，并在电力系统设备中得到了较为广泛和深入的推广或应用。我国发展成熟并已经有典型应用的在线监测产品基本涵盖了电力系统的各个主要。其中包括避雷器在线监测、变压器在线监测、断路器在线监测和GIS组合设备在线监测等［5-6］。

传统的在线监测技术主要以固定安装的监测装置实现设备状态参数的采集、分析、诊断以及参数现实分析。在线监测装置一般设计有通信接口，多个监测装置可构成一个分布式的监测系统。传统的在线监测系统对于移动巡检和现场作业支持功能较弱，不能实现与现场作业人员交互的功能。本文主要设计一种基于移动终端的综合监测系统，通过移动终端可以实时与现场监测装置、数据中心交换作业信息，可以辅助现场作业人员安全可靠地完成作业任务。

1　综合监测系统整体结构

本文建立的支持虚拟现实技术的综合监测系统整体结构如图1所示。系统由监控中心，有线、无线通信网络，子站系统构成。

图1　综合监测系统整体结构Fig.1　Integrated structure of the integrated monitoring system

监控中心包含集中工作站，中央数据库系统和服务器，实现大范围的集中监控、数据记录、通信管理、远程协调控制功能。通信网络包括有线和无线通信网络。子站系统包括子网服务器、在线监测装置和移动作业终端。子网服务器负责局部范围内的数据存储和通信管理；在线监测装置固定安装在电力设备上，用以采集和传输设备的状态参数；移动作业终端用以和子网服务器、数据中心、在线监测装置实时通信，实现移动作业管理、虚拟现实模型显示、语音和视频交互。

移动作业终端和在线监测装置都支持ZigBee网络通信［6］。ZigBee是无线传感器网络的的重要技术基础，广泛应用于各种数据采集和无线数据传输的工业系统中，具有稳定可靠的技术性能，抗干扰能力强、环境适应能力强。ZigBee网络系统主要由数据采集装置（传感器）、路由器、通信节点等基本单元组成。在通信过程中，数据采集装置（传感器）通过接口与ZigBee节点交换信息，通过ZigBee节点实现数据接收和转发。

移动作业终端还支持WI-FI、3G网络通信，主要用于移动作业终端连接以太网，使得移动作业终端可以与服务器进行信息交换，方便移动作业终端与远程PC进行音频视频通信。在无线网络的支持下，系统中所有人员可以通过移动作业终端与网内其他人员进行音频视频通信。移动终端采用TCP/IP协议，可实现和网内设备的全部的数据传输功能。

2　综合监控服务端设计

监控服务端程序运行在变电站内部的子网络服务器上，负责接收移动作业终端的请求，可以从本地数据库中查询数据，进行处理后发送应答给移动作业终端，或者分析移动作业终端数据请求后将数据请求转发给数据中心进行处理，并转发远程的处理结果或响应数据到移动作业终端。

在本系统中，为了实现良好的技术性能，处理通信过程中存在的数据连接、数据交换和控制功能的并发和协同管理，采用了线程池技术实现任务的分解和并行处理，采用了连接池技术实现了连接的建立、关闭、通信服务和异常处理；这些方案可以显著提高系统的运行效率，降低了模块化软件开发的复杂性，提高程序结构得模块化和可重用性、可移植性。在为系统的各个主要任务模块定义明确的功能、接口和调用、初始化规则基础上，通过优化设计，极大地提高模块的运行性能，从而提高整体的运行性能和操作响应的即时性。

监控服务端软件系统的从功能结构上可分为2层：基础服务层（框架底层）和业务逻辑控制和协调处理层（见图2）。基础服务层实现了基本的网络通信连接、数据接收、发送和报文解析等基础网络功能；同时还实现了多线程初始化、线程服务、线程间数据传输和共享管理等基础的管理功能。业务逻辑控制和协调管理层主要实现了主要的工作任务和工作流程的管理和控制，数据库的管理、远端通信传输控制，就地通信传输控制，数据加解密，日志管理和数据同步，远程操作响应等功能。服务端核心的功能组件实现的功能如下：

图2　监控服务端层次结构图Fig.2　Structure diagram of monitoring server level

1）基础通信模块。主要负责与客户端的网络数据通信，在Socket库函数的支持下实现通信连接管理和数据交换的基础服务，包括接收报文、报文的解析和数据提取，发送报文，发送报文的构造，通信过程的监视和异常处理等功能。

2）线程管理模块。此模块主要负责系统线程的初始化、线程运行管理和线程之间的数据共享和协调控制，合理分配资源和运行时间，避免产生资源共享冲突、死锁、线程响应不及时等问题。

3）业务逻辑控制和协调管理模块。主要负责系统软件主要功能的实现和协同控制，实现预定的工作流程和工作任务目标，包括用户信息管理、远端通信管理（和集中监控系统）、数据安全管理、数据请求响应等功能。

4）数据库管理模块。数据库管理模块实现了数据库的基础操作，实现了数据接口的基本操作，为业务逻辑控制和协调管理模块所调用和控制，主要实现数据库的读、写、删除、更新等基本操作。为了避免其他线程在执行数据操作时出现长时间的等待。数据库管理模块采用了使用了数据库的内存镜像技术和高速缓存技术，显著提高了访问数据库操作的性能。

3　移动作业终端设计

3.1移动作业终端服务程序的功能结构

移动作业终端作为移动是操作人员接触和体验的最终设备单元，负责将设备和系统信息通过终端硬件显示出来，并可接收作业人员的输入指令和交互操作，自动与现场设备、服务端应用系统交换数据和控制信息，是系统中的基础软硬件单元。根据电力系统状态监测和移动巡检作业的基本需求，设计的移动作业终端服务程序的基本结构如图3所示。

图3　移动作业终端功能结构图Fig.3　Function structure of the mobile terminal

系统功能主要包括巡检管理、虚拟展示、通信服务、多媒体交互和身份管理5个模块。通信服务模块是系统的基础，实现3G、WIFI和本地ZigBee通信服务，完成过程数据、音视频、三维模型的传输。多媒体交互模块实现与系统内移动作业终端或数据中心工作站之间的多媒体通信，实现可靠的音视频传输和显示。巡检管理是移动设备的核心模块，自动与系统网络服务器、在线监测装置进行通信，完成数据的采集、显示和判断，必要时发出报警提示。身份管理功能主要完成操作人员的身份识别和管理。

3.2移动作业终端主程序的实现

移动作业终端服务程序的主流程如图4所示。移动作业终端有一套复杂的用户身份认证功能，为了避免非法或错误使用移动作业终端，在使用移动作业终端前，操作人员在终端上录入个人信息（工号、操作密钥），系统将操作人员的照片和个人登录信息通过加密方式传输到服务端，服务端检查作业人员的作业安排、作业记录和操作权限，然后将确认结果发送给移动终端；如果不符合要求，移动终端将拒绝用户操作；否则进入运行状态，显示主运行界面，显示系统安排的用户的操作内容的详细信息和注意事项；然后用户即可通过移动终端进行检修作业，系统自动记录作业人员的作业记录、作业路径和操作的详细信息。

3.3移动作业终端音视频交互功能的实现

图4　移动作业终端的主流程Fig.4　Main stream of the mobile terminal

在移动检修作业过程中，语音和视频信息的实时交互是非常有益的。现场作业人员可以把可观测的设备和环境的信息通过视频图像的方式或通过语音描述的方式传输给监控控中心或网络中的其它作业人员和专业人员，有助于现场问题的分析、解决和方案的制定非常重要。在移动作业终端上，语音和视频的交互功能移RTP传输方式实现多媒体数据的实时传输。

采用了自定义的协议实现客户端之间和客户端与网络中心计算机系统之间的连接管理；在语音和视频的交互开始前，客户端主动发出连接请求，请求报文中包含了请求连接的基础信息（语音/视频连接，语音/视频的编码和压缩方式，视频图像的大小、帧率，通信的端口和连接方式（TCP/UDP，组播/单播）等）。收到请求的客户端根据当前的运行状态和用户的选择，确定相应或拒绝连接请求。在请求被拒绝的情况下，任务自动终止，否则系统初始化语音和视频设备，初始化数据缓冲区和RTP通信服务和视频解压、显示服务程序。然后，开始正常的语音和视频交互。在音视频交互过程中，通信双方根据事先约定的压缩和传输协议格式处理多媒体数据。

3.4虚拟现实功能的实现

虚拟现实功能模块的处理流程如图5所示。移动作业终端检测到电力设备后（通过和在线监测装置通信），获取设备的唯一代码，同时提取在线监测装置测量的设备状态参数，移动作业终端上显示附近设备的基本信息列表。当用户选择虚拟现实显示设备状态时，移动作业终端优先检测本地的模型数据库，如果本地不存在对应设备的模型时，移动作业终端自动通过WIFI或3G网络从网络服务器获取设备模型。在完成模型传输后，系统结合设备的实时状态渲染（用颜色区分带电/不带电的部件，结构件，绝缘部件等）和调整模型（调整可动部件到正确的位置）。在虚拟三维模型现实状态下，移动作业终端可以根据用户需求调整显示的视角，也可以局部放大显示用户关注的设备细节。

图5　虚拟现实模型显示流程Fig.5　Display process of the virtual reality model

虚拟现实场景的显示和控制通过Unity3d实现。Unity 3D是目前市面上发展的比较好的商业引擎，可以开发主流操作平台的虚拟现实系统，并在网页、PC、移动设备等平台发布。对比当前其他驱动引擎性能，可知Unity 3D由于良好的跨平台支持受到了开发者极大的关注，游戏在移植过程中因操作系统平台不统一等问题等到解决，节省了游戏跨平台移植的时间。

Unity 3D的中模型的基本单位为GameObject，物体上引擎功能和脚本都以组件形式绑定在每个GanieObject物体上，控制游戏物体的行为。Unity具备了完整的物理引擎组件，主要包括刚体、关节、铰链、动画系统、碰撞器和粒子系统等。在Unity 3D系统中，用户可以通过代码控制场景的跳转，控制场景中放置的角色，UI和特效等资源。在虚拟现实系统开发过程中，预先根据各种设备的功能特点，编写控制代码；运行阶段，控制程序根据设备状态、设备的虚拟模型确定显示方式。

4　系统功能测试

根据介绍的综合监测系统方案，研制了配套的软硬件系统，完成了系统的完整部署，并依次完成了通信测试和功能测试。在变电站内，移动操作终端和本地监测装置可以通过无线网络进行通信；能够通过移动操作终端完整监视作业范围内所有设备的状态信息。移动操作终端和数据中心工作站、移动操作终端之间可以建立可靠的通信连接，进行实时语音和视频交互；在和本地监测装置建立ZigBee通信连接后，移动操作终端可以通过虚拟现实方式实现设备内部的带电结构和主要动作部件的工作位置（见图6）。

图6　移动终端上虚拟现实展示效果Fig.6　Virtual reality display effect on mobile terminals

5　结语

传统的在线监测技术主要以固定安装的监测装置实现设备状态参数的采集、分析、诊断以及参数现实分析。本文主要设计一种基于移动终端的综合监测系统，通过移动终端可以实时与现场监测装置、数据中心交换作业信息，可以辅助现场作业人员安全可靠地完成作业任务。根据介绍的综合监测系统方案，研制了配套的软硬件系统，完成了系统的完整部署，并依次完成了通信测试和功能测试。

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（编辑董小兵）

A Monitoring Scheme for Power System Supporting Virtual Reality

ZHENG Jian1，CHEN Haibo1，WANG Mei2，FEI Ruiyi3，CHEN Jinhua2
（1.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China；2.State Grid Shanghai Power Inspection& Maintenance Company，Shanghai 200063，China；3.Shanghai Xinneng Information Technology Development Company，Shanghai 200030，China）

The traditional online monitoring system is weak in supporting the mobile polling and on-site operations and it can hardly achieve the function of the interaction with field operation staff.This paper introduces a scheme of power integrated monitoring system for mobile operation with a detailed description of the overall structure of the system，implementation framework of the server side，structure of the mobile device service program and realization method of the main function.According to the technical scheme，a complete monitoring system is established and tests show that this system realize the integrated mobile monitoring function，and its interactive mode is flexible and the information display is comprehensive and intuitive.

virtual reality；monitoring system；mobile operation；wireless communication

1674-3814（2016）06-0041-05

TM73

A

2016-01-06。

郑健（1969—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统调度方面的工作；

陈海波（1970—），男，硕士，高级工程师，国网上海市电力公司副总经理，长期从事电力企业技术与管理工作。

国家自然科学基金（71303157）。

ProjectSupportedbytheNationalNaturalScienceFund （71303157）.