基于虚拟现实技术的变电站温度监测系统设计

顾文涛

【摘 要】变电站设备的温度监测是保证变电站设备正常运行的基础，现存的检测系统存在劳动强度大、显示效果差、智能化程度低等缺点。鉴于此，基于红外在线测温技术和虚拟现实技术，本文提出了一套智能化的变电站温度虚拟监测系统。该系统由红外在线监测设备、前端数据中心服务器、变电站监控客户端等三部分组成，它通过红外图像对三维模型的纹理映射，将温度数据形象地映射到客户端三维虚拟场景的设备中，来实时地检测变电站设备温度情况。同时，它还可以在设备的三维模型上精确定位故障点，来指导电力设备的检修工作。

【关键词】变电站 虚拟现实 温度监控 纹理映射

1引言

变电站是电力系统中的重要组成部分，其可靠运行对维持电力系统的稳定有着重要的意义。在长期运行过程中，变电站设备中的开关触点、母线连接处等部位，在过载、绝缘老化、接触不良等情况下，会产生局部过热的现象，这也是诱发大面积停电的主要原因。因此，对变电站设备的温度监测是保证变电站设备正常运行的基础。

目前，监测变电站设备温度情况主要通过三种途径来实现：一、人工使用便携式红外热成像仪对设备进行检查，该方法成本较低且易于实施，但是劳动强度大，不能连续的存储和记录数据，对设备诊断的实时性较差；二、采用红外在线测温技术对设备温度情况进行实时在线监测[1-3]，该方法通过对目标设备的红外热图像监控，温度场数据采集、存储及分析等方式，做到对电力设备温度的实时监测；三、采用无线传感器网络对变电站设备的温度进行实时在线监测[4-6]，该方法采用无线通信模式，避免了复杂的布线，可以监测到内部设备的温度情况。以上三种方法都可以一定程度上对变电站设备的温度情况进行监测，但是他们对检测结果的表现形式不够形象具体，显示效果较差，同时，智能化程度低，没有实现真正意义上的数字化、智能化监测。

本文以红外在线测温技术作为根基，提出了一种虚拟现实技术的变电站监控系统。该系统通过采集红外在线测温设备的红外图像数据，传输到客户端三维虚拟现实场景中，并将采集的红外图像数据以纹理映射方式显示在变电站的相应部位，不仅可以让监控人员在这个逼真的虚拟变电站系统中查看各个部位的温度变化情况，还可以精确定位故障点，指导电力设备检修工作。因此，该系统不仅可以给用户提供沉浸式的虚拟场景接口，还可以进行故障定位、提示参数配置等智能化功能。

2系统方案设计

该系统由红外在线监测设备、前端数据中心服务器、变电站监控客户端等三部分组成，如图1。红外在线监测设备将红外热像仪采集的红外信号转化成电信号，经过放大、图像处理等手段，得到热图像、温度等数据，并传入到前端数据中心服务器上。变电站监控客户端从前端数据中心服务器上获取相应的热图像、温度等数据，经过纹理投射算法实现变电站三维温度场的还原并反映在虚拟场景中，实时显示当前变电站设备的温度变化。同时，客户端为用户提供一个沉浸式的交互界面，监控人员可以通过拖拉、旋转、缩放等方式调整观察的位置或角度，方便监控人员查看查看变电站设备的参数信息以及温度状态。同时，三维场景中的数据始终处于不断更新中，能够及时定位故障点，形象具体，简单方便。

图1 系统设计方案

3系统实现

该系统的关键技术是客户端的沉浸式交互界面的开发，它使用的虚拟现实开发平台是基于新兴的unity3D引擎，可以嵌套多种计算机语言，同时也可以跨平台的应用。

3.1 三维虚拟场景的建模

基于虚拟现实建模技术，通过模型、数据库、图片等形式，以1：1真实比例构建变电站模型与三维虚拟场景，为后面准确地在三维模型上定位故障点打下基础。同时，为增强系统逼真的效果，该系统对虚拟模型进行了真实感贴图处理。最后，将整个场景导入到unity3D工程中，为后面的虚拟现实交互技术的研发提供基础。变电站虚拟现实场景如图2所示。

图2 变电站虚拟现实场景

3.2 纹理投射算法

为了将温度数据准确而形象地反映到虚拟现实场景中，该系统需要将采集的温度数据转化成模型的纹理，并准确地贴到模型的相应部位，其中关键技术本是纹理投射算法，是整个系统实现的关键部分。

3.2.1模型的分割

在虚拟场景中，由于视角的限制，不同视角只能观察到对应物体的一部分，所获得的温度信息也对应着这个部分。同一个物体，不同视角观察到的部位不同，将被分割成不同的部分，每个部分的纹理就是该部分对应视角所获得的温度图片。在unity3D中，模型是以三角面片的形式存在的。要實现对模型的分割就会涉及到对三角面片的剖分。

假设一个物体在建模的时候被建成一个整体，导入到unity3D后，其顶点信息（包括顶点坐标、法线、切线等信息）也是作为一个整体储存在内存中的。将模型分成能被不同位置摄像头观察到的不同部分的实质就是顶点信息的添加与重组，其工作流程如图3所示。其中分割线与三角面片的相交有三种情况，如图4所示。第一种情况，如图4（a），分割线不经过三角面片的顶点。设分割线与三角面片的两个交点分别为P1、P2，根据空间几何的知识可以求出P1、P2的坐标。P1、P2点可与A、B、C三点重新组成①、②、③三个三角面片。第二种情况，如图4（b），分割线经过三角面片的一个顶点。设分割线经过顶点A并与三角面片交于点P，可以求出P点的坐标。P点可与A、B、C三点重新组成①、②两个三角面片。第三种情况，如图4（c），分割线过三角面片的一条边，三角面片不会被分割线分割成两部分。

图3 分割模型的流程图

图4 分割线与面片相交的情况

3.2.2纹理映射

基于Direct3D和OpenGL的纹理映射[7]都要先建立物体空间坐标（x， y， z）和纹理空间坐标（u， v）之间的对应关系，这样模型的每个顶点就会对应一个唯一的uv值，二维图像才能成功地映射到三维物体的表面上。

在建立物体空间坐标和纹理空间坐标之间的对应关系时，需要借助屏幕坐标系。根据计算机图形透视投影技术[8]，可以找出物体空间坐标和屏幕坐标之间的对应关系。同样，我们可以建立纹理空间坐标（u， v）与屏幕坐标（xs， ys-）之间的关系。

为了保证纹理在输出时不产生失真的现象，在定义屏幕和纹理大小的时，必须保证屏幕和纹理图片的高度与宽度的比例相同。作了这样的规定之后，纹理空间坐标（u， v）与屏幕坐标（xs， ys?）之间的關系就转变成了计算机图形学中的等比例变换。

其中，a为比例因子。

在分别找到物体空间坐标、纹理空间坐标和屏幕坐标的对应关系后，就可以建立物体空间坐标和纹理坐标之间的关系，也就可以将纹理贴到指定的部分。

3.3 客户端与服务器之间的通信

该系统中，客户端需要从服务器读取设备的热图像、温度等大量数据，需要通过一种高效而便捷的方式进行数据交换。该系统采用了网络通信方式进行数据交换，具体实现方式为：基于TCP/IP协议，在客户端和服务器之间建立网络虚拟链路，使用ServerSocket创建TCP服务器端，在客户端使用Socket的构造器来连接服务器；服务器端开始时处于等待状态，等待客户端的连接，当客户端和服务器之间的连接建立后，服务器端就可以接受和处理来自客户端的请求，将采集的数据发送给客户端。

4结语

虚拟现实技术作为一门新兴的技术，具有巨大的发展潜力和发展前景，逐步应用于电力系统中，这也是智能电网发展的一个重要趋势。该系统，基于红外在线测温技术和虚拟现实技术，可以在客户端虚拟现实场景中实时在线监控变电站各设备的运行情况和温度信息，并且能够及时、准确地对故障点进行精确定位，直观地指导电力设备检修工作。该系统可用于无人值守的变电站中，改善变电站监控耗费大量人力和时间的问题，提高系统安全保障，对实现智能电网具有重要的意义。另外，该系统具有虚拟的设备场景，在电力系统规划设计、技能培训等方面也具有很高的应用价值。

参考文献：

[1]刘洪涛.红外在线测温技术在设备状态监测系统的应用[J].云南电力技术，2012，40（6）：44-46.

[2]夏宾，夏照国.智能型红外在线监测系统在无人值守变电站中的应用[J].供用电，2013，30（4）：63-67.

[3]Zhao Zhen-Bing， Gao Qiang， Yuan Jin-Sha， et al. Novel method of temperature on-line monitoring for power equipment in substation[J]. High Voltage Engineering， 2008， 34（8）： 1605-1609.

[4]陈静， 邓强强， 冯雁声. 智能化变电站温度在线监测系统的设计与应用[J].自动化应用，2013，（8）：65-72.

[5]Li， Xiao-Bo； Huang， Xin-Bo； Chen， Shao-Ying； ZigBee network-based intelligent substation temperature monitoring system[J]. High Voltage Apparatus， 2011， 47（8）：18-21.

[6]Yang， Jing； Xiu， Yang； Shi， Yan， Ting； Zhao， Long， Tao； Tan， Xiao， Yan. Substation equipment temperature monitoring system based on heterogeneous wireless sensor network[J].Applied Mechanics and Materials， 2014， 511-512： 165-168.

[7]孙家广，胡事民.计算机图形学基础教程[M].北京：清华大学出版社，2009.145-147.

[8]王渊，龙华，邵玉斌，李灵玥.一种图形透视投影矩阵的推导及编程实现[J].甘肃科学学报，2011，23（4）：127-129.