VRIC——基于VR与Iot的智慧管控新模式

孙浩鹏，徐学东，孙海波

(1.长春工程学院计算机技术与工程学院，长春130012；2.长春工程学院机电工程学院，长春130012； 3.长春工程学院审计处，长春130012)



VRIC
——基于VR与Iot的智慧管控新模式

孙浩鹏1，徐学东2，孙海波3

(1.长春工程学院计算机技术与工程学院，长春130012；2.长春工程学院机电工程学院，长春130012； 3.长春工程学院审计处，长春130012)

为解决目前视频监控无法到达的地下管线等工程环境的可视化管控问题，分析了目前虚拟现实技术(VR)、物联网技术(Iot)的应用现状及工程应用推广的瓶颈，探讨了相关问题。在此基础上提出了一种虚拟现实与物联网结合的智慧管控新模式，给出VRIC的定义，并提出一种体系结构，列举了实施这种管控模式的关键技术。最后以城市地下管道可视化智慧管控为例进行讲解。

虚拟现实；物联网；可视化；智慧管控

0　引言

2016年之所以被称为VR(Virtual reality)元年[1]，是因为虚拟现实已经在以房地产行业、虚拟旅游、游戏、工业设计等为代表的各种应用模式支撑下迅速成为目前市场的热响应模式，在各种虚拟现实引擎的支持下快速推动社会发展和进步。VR即虚拟现实，起源自美国20世纪中期，20世纪80年代，由美国宇航局(NASA)和国防部组织了一系列VR技术研究项目，且取得了丰硕成果。国内虚拟现实技术近几年在地下工程方面也得到了蓬勃发展，刘培根于2016年1月开发了基于网络的数字管网三维可视化管理平台[2]，2016年6月，赵志强等[3]利用虚拟仿真技术建立矿井巷道虚拟系统，张鹏程等[4]在2016年7月开发了城市地下管线三维建模工具等。

2005年11月17日，国际电信联盟发布的《ITU互联网报告2005：物联网》给出了物联网(Internet of Things)的定义和范围。报告指出物联网是指通过RFID、红外感应、定位系统、扫描等信息传感设备，按规定协议把物品数据与互联网连接。2012年，黄来源等[5]人提出了基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统，2013年李玉等[6]发表了基于物联网技术的地下管线智能管理系统设计构想，2014年王静远等[7]对以数据为中心的智慧城市进行了研究综述。由文献[7]可知智慧城市是科技部863计划中的指定项目，并且项目总体组提出了六横两纵的智慧城市技术框架，并以数据的获取作为整个智慧城市理念的支撑，处理数据、分析数据作为核心技术，从而为城市提供各种服务。物联网作为数据获取的最前端技术，目前已经发展出了多种模式的传感器。

由上述分析可知，虚拟现实和物联网技术的实现大大弥补了传统视频监控无法安装和到达的地下等特殊环境的可视化管控的空白。在目前推广的智慧城市项目中，地下管线的数据测量和智能管理等已经成为重中之重，一个没有可视化智慧管控的地下管线管理系统的平台是没有资格称之为智慧城市的。

近年来尽管取得了一些成果，但是目前的地下工程虚拟系统只是停留在三维建模和虚拟演示阶段，无法有效读取各种管线数据，更无法操作和控制各管网关键关节。地下管线分布复杂并纵横交错，现有层级管网的监测数据还停留在二维层面，不仅无法有效指挥施工单位，也无法对各种数据进行统一管理。所以对地下管线空间关系进行管理是地下管线数据管理的前提，三维可视化是未来所有行业管理的趋势。

本文针对此种情况，利用目前虚拟现实的广泛应用和物联网快速发展的契机，提出一种虚拟现实与物联网结合的新模式，专门针对视频监控无法到达的地下工程环境，实现智慧管控，在三维可视化、数据采集、关节控制等方面进行了讨论，为开展大规模的智慧城市地下管线三维可视化管理提供一种参考。

1　VRIC的基本概念

1.1VRIC的定义

VRIC，基于VR与Iot的智慧管控模式，是指在控制端利用虚拟现实引擎实现各种设备、管线的可视化管理，在被控制端利用物联网技术即时采集各设备端数据，同时可以利用相关技术进行自动或人工远程控制和操作的一种模式。

VRIC模式将现有的虚拟现实、物联网、自动化控制等技术互相结合，实现各种工业设备、地下管路等传统视频无法到达的环境，即是三维可视化，并且可以实现通过智能分析所获取的海量数据的管理和使用，为远程操作提供依据，为智慧城市项目提供安全可靠的基础服务。

1.2VRIC与现有物联网体系、虚拟现实技术的区别

VRIC与现有的物联网体系、虚拟现实技术等相比，有很明显的区别。

1)当前的物联网系统强调的是信息的获取，在数据传输方面，其主要方式是单工通道，用户是无法在控制平台对设备进行控制和整合的，现有的物联网设备每一个都是独立系统，例如温度传感器和湿度传感器就是完全不相干的两个独立系统，都需要专用线路或者独立的无线射频频段才可以，极大地限制了对各种关键设备的管控的大范围推广。而本文提出的智慧管控模式不仅可以随时采集信号，更重要的是通过改造现有设备，设计出采集控制于一体的专用终端，使得管理者可以通过分析采集到的数据，人工或者智能化地直接控制终端。

2)现有虚拟现实系统强调的是人在环境中的真实性，针对工业设备内部或者地下管线等无法利用卫星地图的特殊环境都需要人工建模，即使有团队制作了可以自动化建模的软件，也只是针对某个特殊单一的情况。除了三维模型的构建以外，现有的虚拟现实系统更多的是强调三维引擎的各种功能，强调人的感官和人对环境的视角控制。本文提出的智慧管控模式在三维可视化方面强调人对设备的控制，例如，管理端屏幕上出现地下燃气管道的泄漏现象不仅由现场物联网设备采集的数据来激活，而且泄漏的数量在控制端也实时可见。泄漏时关节阀门在智慧管控平台控制下自动关闭，在关闭的过程中阀门的开度也是由事故现场的数据得出的。

2　VRIC的工作平台和体系结构

2.1VRIC的工作平台

本文提出的VRIC工作平台不仅包含传统的虚拟现实和物联网，也包括数据库、互联网、软件工程等相关专业内容，如图1所示。一个可以满足客户三维可视化的智慧管控项目至少需要4个专业部门的通力合作。在数据获取阶段可采用现有物联网技术，数据采集后要利用数据库进行分析，利用人工智能来满足客户，对行业的专业要求，利用可控设备对需求中的关键控制点进行改造，同时，远程的可控端的一举一动都通过虚拟现实技术即时展现出来，上述过程缺一不可。

图1　VRIC平台示意图

2.2VRIC的体系结构

实现上述平台系统必须严格遵守相关体系结构，根据实际工程经验，提出了如图2所示的体系结构，主要包括以下4个层次：

1)物理层，包含物联网的探头、网络设备和设计的专用可控设备等。通过物联网技术将所有物理设备接入到数据网络内，实现物理资源的全面联网，为后面的资源管控提供接口等。这个物理层相对传统物联网的区别在于必须考虑专用可控关节设备的可控接口及控制过程的状态数据读取等。

2)虚拟层，体现真实环境的三维可视化模拟，不仅要有对任意角度、任意位置的设备的体现，还要有相关设备间关系的体现，从物理层得到的数据，以及大数据服务层对可控设备的控制和状态都要即时体现。要突破时空的限制，随时再现过去或者未来的环境状态。

3)数据层，对海量物联网探头所采集的数据进行存储和分析等，针对行业要求研发各种应用算法，利用人工智能技术对高危数据(例如供热管道温度的突变)进行预警和处理，对过去、未来时空的数据进行管理。

4)应用层，开发的管理系统应该提供PC端、移动端、各专业设备终端的接口，提供UI界面和人性化的管理方法，支持虚拟现实提供的各种虚拟手套、虚拟眼镜驱动等。

图2　VRIC 4层体系结构图

3　实现VRIC的关键技术

3.1地下管线数据采集数据模式标准设定及规范

早在1994年，魏少珊等[8]人就提出相关地下管线的测量方法，直至2015年陈杰华等[9]人利用多种手段和方法对广州狮山镇进行了实际测量，每年都有人在讨论各种探测方法，但是这些方法得到的数据没有统一的格式，不同城市甚至同一城市的两个城区数据都无法合并使用，现有数字城市的一大难题就是统一各种不同类型的数据及使用方法，所以，实现VRIC的首要任务就是依据开发环境，提出一套既能满足虚拟现实开发需求，也能满足物联网管控的数据标准和规范，在地下管线的数据管理上建立长远规划。

3.2虚拟现实方面的自动拼合算法

为了适配大众客户端，根据采集数据自动建模，包括3S技术(GIS、RS、GPS)采集获得数据，需要设计对大范围环境及设备网格化拆分及自动拼合的算法，解决针对地下管线和地下特征检测、特征匹配、误配去除、图像配准、多道图像融合等关键问题，利用构建的各种模型库高效实现城市地下管理真实展现的效果。

3.3数据处理及智慧管控响应的及时性

为解决用户多路输入情况下系统的延迟问题，需要建立优先级的用户输入相应的设定方法，拟将模糊综合评价法应用于用户响应优先级设定，通过对响应事件及其子影响因素进行权重分析与专家评判，以期达到用于用户响应的分级模块化，从而可将输入输出设备的响应独立化，用户交互行为按层级分组，重要的响应事件可以按优先级执行，以保证用户多路输入的情况下系统能够正常运转。

4　VRIC在地下管线智慧管理中的应用

根据本文提出的理论和设想，团队已经初步开发了一个VRIC的典型应用，以某高校为例，充分摸清校园内地下管线现状，利用多种综合方法对地下管线进行测量，确认掌握数据信息正确性后，建立标准规范的数据管理系统，并为未来地下管网的扩大留下接口，实现数据的时、空管理。综合利用物联网技术，设计开发了水、电地下管网的重要节点控制设备，安装了控制设备的各种数据探测仪器，保证三维可视化的即时响应。在校园监管系统的开发过程中保证了跨平台和可移植性，使得PC端、移动端等均可以实时监控，UI设计充分考虑了管理者的需求，在人工管理模式下，系统可以随时查看地下管网的各个关节点数据，也可随时对关节点进行定量开合。在自动管理模式下进行测试，当某个水管流量和压力突变情况下，系统会将警报信息发送至管理者手机，同时进行响应关节点的应急预案处理。

在不久的将来，随着物联网、虚拟现实、大数据等技术的不断发展，智慧城市将不仅仅作为科研项目存在，也会走入寻常百姓家中。本文提出的VRIC模式在智慧城市发展过程中将做出应有的贡献。

[1] 赵力璇.2016VR元年.[OL].(2016-03-17)[2016-07-30].http://net.yesky.com/226/101242226.8html

[2] 刘培根.基于网络的数字管网三维可视化管理平台[J].数字技术与应用，2016(1):94-95.

[3] 赵志强.刘洪涛.马念杰.虚拟仿真技术在地下工程教学中的应用[J].教育教学论坛，2016(26):183-185.

[4] 张鹏程，丘广新，陈鹏，等.城市地下管线三维建模工具开发及应用[J].地理空间信息，2016(14):85-87.

[5] 黄来源.基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统[J].智能处理与应用，2012(4):62-65.

[6] 李玉，张赫然.基于物联网技术的地下管线智能管理系统设计构想[J].测绘通报，2013(4):51-55.

[7] 王静远，李超，熊璋，等.以数据为中心的智慧城市研究综述[J].计算机研究与发展，2014，51(2):239-259.

[8] 魏少珊，刘少民.城市地下管线的测量与管理[J].测绘科技通讯，1994(2):12-14.

[9] 陈杰华，陈敏.城市地下管线测量方法研究[J].江西测绘，2015(2):38-41.

VRIC-A New Intelligence Control Model Based on VR and Iot

SUN Hao-peng，etc.

(SchoolofComputerTechnologyandEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to solve the visual control problem of underground pipelines which can not be reached by video surveillance，this paper analyzes the application status of virtual reality technology(VR)and Internet of things technology(Iot)and the bottleneck of project application，and discusses the related problems.On this basis，a new intelligence control mode with the combination of virtual reality and Internet of things has been proposed.The definition of VRIC is given，a system structure is presented，and the key technologies to implement this control mode are enumerated.Finally，the visualization of urban underground pipeline visual control has been introduced as an example to explain.

virtual reality；internet of things；visualization；intelligence control

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.021

2016-08-05

吉林省教育厅双十项目(吉教科合字[2014]313号)

孙浩鹏(1975-)，男(汉)，长春，副教授

主要研究虚拟现实及应用。

TP391

A

1009-8984(2016)03-0094-03