广西广播电视台播出供电系统三维可视化管理平台的设计与实现

杨 勇, 卢 标, 易兆祥, 黄荣考, 黄 飞, 孔祥翔, 刘 峰

(广西广播电视台, 广西 南宁 530022)

0 引 言

随着广播电视行业的快速发展及科学技术的不断进步,信息的爆炸式增长与更新推动着传统广播电视行业的转型升级,对广播电视节目的制作、播出和传输方式都有了更高的技术要求,从而对播出供电系统的稳定性和可靠性的维护保障水平也提出了更高的要求。传统的2D监控管理平台监控界面简单、不够直观,无法实现360°画面旋转,监控设备出现故障时无法及时准确地提示故障精准位置,导致运行值班人员无法第一时间确定故障设备,存在一定的安全播出供电隐患[1]。

因此,通过虚拟化建立一个“可视化、智能化、远程化”的播出供电系统三维可视化管理平台变得非常迫切。实现远程集中监控管理,实时动态呈现设备告警信息及设备参数,快速定位出故障设备,使维护和管理从人工被动看守的方式向计算机集中控制和管理的模式转变[2]。

1 项目概述

播出供电系统的稳定性和可靠性是广播电视安全播出的基本保障,传统的播出供电系统管理平台存在以下不足。

(1) 涉及到播出供电系统的各子系统分散孤立,操作不方便,无法提供统一的管理界面。

(2) 只能简单地监控供电设备的运行参数,无法对配电设施的空间布局和电缆敷设路由直观地展示出来。

(3) 只能通过人工巡检机房,巡检工作量大,人力成本高,无法实现三维自动巡检功能。

(4) 数据分析统计主要通过表格形式,不够直观生动,缺乏有效的可视化分析功能。

(5) 没有统一的预警机制,系统出现故障时,无法快速定位故障设备、明确故障影响范围和故障根源。

2 主要关键技术

本平台系统采用Ajax引擎的B/S架构、浏览器界面端采用HTML5技术,页面之间的交互通过Ajax技术来实现,三维可视化则采用WebGL技术,数据库采用的是开源对象关系型数据库PostgreSql。数据库中主要存储了各机房设备的各种信息,其中包括机房及设备的3D模型、配电设备的运行数据、供电线路的运行参数、机房温湿度、资产配置及设备告警信息等,采用JSON格式来存储相关信息。服务器利用免费开发源代码的Tomcat小型轻量级应用服务器提供Web服务,服务器启动以后,系统将自动加载应用程序。浏览器端利用JavaScript 和WebGL技术实现三维可视化的展示[3]。

2.1 WebGL

WebGL是一种把JavaScript和OpenGL ES 3.0结合在一起的3D绘图标准,这种绘图技术标准基于OpenGL的JavaScript API,它通过HTML脚本本身实现Web交互式三维动画的制作,无须安装额外的任何浏览器插件或浏览器扩展,并且通过利用底层的图形硬件加速功能进行3D图形渲染,因而可以在浏览器中更流畅地展现三维模型,大大提高了场景对象的交互性[4]。目前最新主流的电脑桌面浏览器和移动手机浏览器(Safari、Chrome和Mozilla Firefox)基本都支持WebGL,其相关引擎都是开源免费使用的。WebGL绘制三维图形的流程图如图1所示。

图1 WebGL绘制三维图形的流程图

2.2 HTML5

HTML5是HTML规范的最新版本,是一个开放性、跨平台、网络功能丰富的内容发布工具,其中3项最重要的技术分别是HTML5核心规范、层叠样式表(CSS)和JavaScript。HTML5核心规范定义用于标记内容的元素,并明确其含义。层叠样式表可控制标记过的内容呈现在用户前面的外貌。JavaScript则可以用来操作HTML文档的内容以及响应用户的操作,此外如果要想使用HTML5中一些为编程目的设计的新增元素,那么也需要用到JavaScript[5]。

2.3 Ajax

Ajax是一种创建交互式网页应用的Web开发技术,其核心是Java Script 可以通过对象XMLHttpRequest在浏览器和Web服务器之间建立异步数据传输请求,不需要重新加载页面完成一个数据请求到服务器并且接收返回信息,不会阻塞前端Web页面的用户响应,增强用户体验感。

2.4 PostgreSql

PostgreSql是一个免费的开源关系数据库管理系统(RDBMS),是目前功能最强大的开源数据库之一,支持多种丰富的数据类型(如JSON、JSONB、数组类型及二进制格式)和用户自定义的类型。可提供丰富的数据接口,具有高扩展性的功能,如可以在GIST框架下实现自己的索引类型等。同时PostgreSQL是完全的事务安全性数据库,完整地支持外键、视图、触发器和存储过程(函数),不但支持使用C语言编译自定义函数及触发器,还支持多种流行语言开发存储过程,如PL/PGSQL、Perl、Python等。

3 可视化平台软件架构

平台软件架构主要由底层数据采集层、网络通信层、三维服务器层和可视化展示层组成[6]。软件架构图如图2所示。

图2 软件架构图

(1) 数据采集层:由电力监控系统、安防监控系统、环境监控系统、资产管理系统和其他第三方监控系统提供实时数据。

(2) 网络通信层:按照国家广电总局第62令的要求,播出配电监控系统需要独立组网,由独立局域网组成,将数据采集层实时采集到的异构数据推送到三维服务器层。

(3) 三维服务层:主要是对采集的异构数据进行处理并存储在数据库中,接收客户端的Ajax请求,并将相应的请求数据发送给客户端。

(4) 可视化展示层:主要是数据的处理转换、可视化映射、三维视图变换等过程。将底层采集的原始数据转换为三维可视化的图像和图形进行直观明了的展示,可通过自行安装浏览器(如Firefox、Chrome)访问平台的用户界面,客户端发送Ajax需求从服务器端获取数据,利用WebGL对数据进行解析重构实现三维图形的展示。

4 总体设计思路

在做好播出供电系统三维可视化的功能需求分析和业务逻辑架构设计工作的基础上,对平台的整个构建流程进行总体设计[7]。总体流程可以分为以下方面:3D可视化模型准备、Web端页面设计、Client端数据传输。总体流程示意图如图3所示。

图3 总体流程示意图

(1) 通过前期台区的高清图片影像、真实的地理影像数据以及技术业务综合楼机房的相对坐标系信息,利用专业软件进行三维建模,并在建模工作完成后进行格式转换,最终得到 GLTF 模型文件。

(2) 通过 Three.js引擎执行渲染创建一个WebGL三维场景,构建前端Web显示页面,登录系统后,显示整个台区的三维浏览场景。

(3) 服务器后台管理平台根据底层设备的通信协议,采集终端设备的实时运行信息数据返回至服务器时,将这些数据根据传输协议统一编译成供前端调用的接口模式。

(4) 通过鼠标点击任一楼层机房可以进入内部查看该机房的供配电设备实时运行参数、机房温湿度、现场视频及消防设施等,此时根据后台数据库唯一的ID在后台服务器调取相应的数据,并将该ID返回至前台。

(5) 前端页面根据用户的操作向后端服务器发送请求指令,并且以唯一的ID作为信息数据的指令识别码,信息数据在前后端通过JSON形式进行传输。

(6) 根据用户鼠标点击功能的不同,由前端Wed页面决定是采用Three.js三维引擎执行3D可视化渲染加载,还是采用JavaScript进行相关设备运行参数的显示。

(7) 用户所有的操作完成以后,通过鼠标点击关闭页面系统,此时系统流程结束。

5 功能介绍

本平台实现了播出供电系统的三维可视化和浸入式的感官体验,可对涉及安全播出供电系统的所有配电设施进行可视化管理,所有监控子系统和告警信息均统一在一个平台上展示,从顶层视角掌握播出供电系统的实时运行状况,提高管理效率和保障播出供电系统的稳定运行,主要功能有以下5个方面。

(1) 三维实景仿真。用3D虚拟仿真的模式完整展示我台技术业务综合楼建筑的整体状况、重点实现建筑外观、楼层及各配电机房内部实际情况的虚拟仿真,为用户带来沉浸式的 3D 场景漫游体验,可以详细直观地了解涉及安全播出供电的所有机房的分布规划情况,同时为整个播出供电系统对外展示搭建了一个基础平台。三维实景仿真界面如图4所示。

图4 三维实景仿真界面

(2) 统一监控。不但实现了传统电力监控系统的采集和展示,而且实现了安防监控系统、环境监控系统、资产管理系统和其他第三方监控系统等的统一可视化展示。点击相应的设备,就可以方便地查看设备的实际运行参数,可通过资产搜索或者三维场景找到需要查看的固定资产的品牌、型号、位置等信息,方便对资产的统计管理,运行维护人员不需要熟悉掌握多套监控系统,可大大减轻了值班工作强度。统一监控界面如图5所示。

图5 统一监控界面

(3) 巡检演示功能。可以通过第一人称或者第三人称巡检模式对整个播出供电系统的机房设施和设备的运行状况进行自动定时循环巡检演示。同时根据日常巡检的需求规划设置自动巡检路径,并自定义设置定时巡检时间间隔,自动巡检过程中可实时判断巡检路径点关联的所有供配电设备和机房摄像头实时画面,巡检完成以后可自动形成巡检日志报表并保存入库,方便后期查询。智能巡检界面如图6所示。

(4) 联动告警功能。有设备出现故障告警时,平台能自动快速识别具体告警设备,并能自动播放语音提醒具体告警信息,同时通过短信第一时间通知运行值班人员故障设备的位置和具体故障情况,用鼠标点击故障设备的报警标识可以展示详细的告警信息情况,具有历史报警查询功能,可设置告警类型、级别和阈值等参数。智能联动告警界面如图7所示。

(5) 供电线路可视化。根据播出供电线路的CAD实际布线图,以三维可视化的形式展示出播出供电系统的具体敷设路由,可实现对配电设备及电缆等固定资产信息的链路查看,线路出现故障会通过警示颜色进行提醒具体故障线路的位置,对整条播出供电链路实现可视化智能管理,有效提高了播出供电线路的管理维护水平。供电线路可视化界面如图8所示。

图8 供电线路可视化界面

6 后台框架的设计

为了适应平台功能模块的多样化,更好地实现前后端数据的分离,使平台具有高可用性、易于维护性和良好的扩展性,采用经典的Spring+Spring MVC+Mybatis后台开发框架,使用SpringMVC作用于Web层,分离了控制器、模型对象、分配器和处理程序对象的角色,负责用户请求的转发及视图管理[8]。Spring就像是项目中装配bean的大工厂,实现业务对象管理,可以简称为项目的黏合剂。Mybatis作为数据对象的持久化引擎,支持定制化SQL、存储过程和高级映射,使用简单的XML或注释来配置和映射原始信息。该平台的后台管理模块具有首页管理、动环管理、温度云图、监控管理、资产管理、基础数据、用户管理、工具管理、系统配置等功能。后台管理界面如图9所示。

图9 后台管理界面

7 结 语

广西广播电视台播出供电系统三维可视化管理平台,不需要安装客户端及相关插件,通过浏览器登录平台即可进行操作查看。实现了配电机房设施可视化、供电线路可视化、固定资产可视化、自动巡检可视化、动环可视化、报警可视化等功能。该平台有效地提升了广西广播电视台播出供电系统的运行维护保障水平,同时降低了风险和运行成本,减轻了运行值班人员的工作强度,更好地保障播出供电系统的安全稳定运行。