0 引言

變電站巡視作為基層通信運維班組日常工作中重要的一環(huán),對于確保電力生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行有著非常重要的意義^[1]。在實際工作中,通信運檢班發(fā)現(xiàn)變電站巡視工作時占用工作時間太多,導(dǎo)致工作人員外出巡視時班組本部人手出現(xiàn)短缺,并且人工巡檢工作效率十分低下。針對這個問題,傳統(tǒng)的解決辦法是在各變電站附近設(shè)立工作站,常駐工作人員巡視,或者在各變電站周圍招募外包團(tuán)隊代為巡視。但是這2種方案實際效果不佳,且實施難以實現(xiàn)^[2-3]。因此本課題提出一種全新的、能夠確定“遠(yuǎn)程信息本地化、管理信息實時化”的新型巡視模式,即通過遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)手段,在基層變電站和控制中心實現(xiàn)信息實時互通、統(tǒng)一管理^[4-6]。

 1 系統(tǒng)需求目標(biāo)和可行性分析

本系統(tǒng)的目標(biāo)是可以對變電站機(jī)房內(nèi)的情況進(jìn)行遠(yuǎn)程巡視,改善實際工作中遇到的變電站巡視效率低的問題。課題的總體目標(biāo)為采用變電站遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng)在工作時間內(nèi)完全讀取變電站機(jī)房內(nèi)全部數(shù)據(jù)^[7]。由于巡視工作對于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求非常高,需要正確地獲取全部數(shù)據(jù),結(jié)合高效運維的工作需求,系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)為：30 min內(nèi)獲取的機(jī)房內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到280個以上。

根據(jù)2017年1月到4月的工作記錄統(tǒng)計分析以及最新查詢結(jié)果顯示：

1）目前的民用攝像頭已經(jīng)具備了采集數(shù)據(jù)的能力,并可以通過變電站機(jī)房與本公司之間已有的告警信息通路傳輸^[8];

2）公司大力支持創(chuàng)新,小組成員熟悉通信技術(shù)、編程和調(diào)試,并有參與QC小組活動的經(jīng)驗,有較強的方案設(shè)計和動手制作能力,并有相關(guān)人員為活動提供技術(shù)指導(dǎo);

3）有與電力行業(yè)相關(guān)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可供借鑒;課題所應(yīng)用的設(shè)備都屬于小型可控范圍,在小組的技術(shù)水平范圍之內(nèi)^[9];

4）據(jù)班組工作記錄,3月7日工作人員曾在白石巖變電站僅用30 min便采集了所有數(shù)據(jù)。

由此可見,該系統(tǒng)需求目標(biāo)完全是可以實現(xiàn)的。

 2 系統(tǒng)總體方案和功能模塊

2.1 系統(tǒng)總體方案

目前,遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng)主要有2種實現(xiàn)方式：第一種是以高清攝像頭采集預(yù)設(shè)點位的信息,將它們通過本公司設(shè)置的服務(wù)器內(nèi)置程序呈現(xiàn)在提前建好的模型上;第二種是采用全景攝像頭攝錄整個機(jī)房的情況,將得到的全部數(shù)據(jù)傳輸回本公司,以真實圖像呈現(xiàn)的全景方式^[10]。

2017年6月12日,工作人員在白石巖變電站機(jī)房內(nèi)以光纖配線架為實驗對象,取其上的72個數(shù)據(jù)為目標(biāo)樣本分別進(jìn)行對2種方案進(jìn)行實驗,實驗結(jié)果見表1所列。

表1 遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng)實現(xiàn)方式比較Tab.1 Comparison of remote inspection system implementation

由表1對比可知,全景模式雖然在獲取數(shù)據(jù)速度上比VR模式稍有優(yōu)勢,但領(lǐng)先幅度不大,且在至關(guān)重要的準(zhǔn)確度上有一定劣勢。因此本文采用VR方式作為本系統(tǒng)的呈現(xiàn)方案,并設(shè)計巡視系統(tǒng)方案架構(gòu)（見圖1）,主要由采集單元、處理單元、VR呈現(xiàn)單元等模塊組成^[11]。

圖1 巡視系統(tǒng)方案架構(gòu)Fig.1 Inspection system scheme architecture

2.2 功能模塊

2.2.1 采集單元模塊

采集單元模塊由機(jī)器人、懸掛移動控制器、高清球形攝像頭等構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集方式主要有所有實景信息采集和預(yù)設(shè)點位只抓取示數(shù)和信號燈2種,實景信息采集優(yōu)點是數(shù)據(jù)量大,峰值為200 Mb/s,靈活性高,并且后期幾乎不需要處理即可展現(xiàn);缺點是細(xì)微部分較差,對于細(xì)微問題難以發(fā)現(xiàn),預(yù)設(shè)點位的方式則和實景信息采集的特點剛好相反^[12]。為了更好的及時發(fā)現(xiàn)和處理問題并且減少后期數(shù)據(jù)處理,本系統(tǒng)采取預(yù)設(shè)點位和實景信息采集并用的方式,即：一般情況下采集預(yù)設(shè)點位的信息,同時保留實景模式作為輔助,有需要時可以查看現(xiàn)場的真實情況。并且提出了用二維碼輔助方案二的設(shè)想,通過掃描設(shè)備上的二維碼,系統(tǒng)可自動識別設(shè)備的信息,解決了該方案無法變通的缺點。

采集單元決定了采集數(shù)據(jù)的清晰度,影響采集數(shù)據(jù)清晰度的因素有：搭載攝像頭方式、攝像頭、機(jī)柜柜門。通過綜合對比并結(jié)合實際情況,本系統(tǒng)采用益可達(dá)YKD-NSZ-10軌道式機(jī)器人搭載DS-2DC7520IW-A 500萬球形攝像頭配合玻璃柜門方案,測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果,由此確定采集數(shù)據(jù)部分為此方案。同時,考慮到光纖配線架 （Optical Distribution Frame,ODF）機(jī)柜上有部分采點對象距離地面高度僅30 cm,不易于從天花板上設(shè)立的軌道上的機(jī)器人采集,故在ODF機(jī)柜設(shè)立自動開門裝置,在機(jī)器人巡視到時自動開門。

由于傳輸最高瞬時帶寬為200 Mb/s,目前,從白石巖變電站到廣元公司已有帶寬為1 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸通道,滿足本系統(tǒng)的帶寬需求。因此決定沿用已有通信線路,對于傳輸協(xié)議的選擇,TCP協(xié)議雖然在丟包率、延遲、實際傳輸速率的實測結(jié)果中的性能比UDP協(xié)議高,但速率可能無法達(dá)到系統(tǒng)要求,并且測試結(jié)果表明UDP協(xié)議傳輸對于數(shù)據(jù)丟包率、延時等對于實際接收展示質(zhì)量可忽略不計,因此系統(tǒng)選用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸^[13-14]。

服務(wù)器選擇方面,本系統(tǒng)需要處理渲染的數(shù)據(jù)量較大,需要性能較好的服務(wù)器。本公司服務(wù)器保有量較大,為物盡其用,節(jié)約成本,本系統(tǒng)決定選用本公司閑置的E3-1230 V3服務(wù)器。

2.2.2 處理單元模塊

處理單元模塊主要由建立模型、編寫軟件、渲染引擎等組成。機(jī)房3D數(shù)據(jù)化需要對機(jī)房場景及設(shè)備進(jìn)行三維模型制作配合VR模式數(shù)據(jù)呈現(xiàn),模型制作的方式直接影響制作的效率和最終呈現(xiàn)的效果。根據(jù)實際情況,初步確定在3DS MAX、MAYA 2種建模方案中選擇,二者特點如下。

1） 3DS MAX是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的效果圖及動畫制作軟件之一 ,被廣泛應(yīng)用于影視制作、廣告設(shè)計、建筑裝潢設(shè)計、三維游戲制作等方面。3DS MAX制作團(tuán)隊數(shù)量較多。角色和游戲方面的制作不如MAYA。

2）MAYA講求細(xì)節(jié),動畫作品制作精致細(xì)膩,許多影視大片都用MAYA團(tuán)隊完成。MAYA的 POLYGONS(多邊形)建模明顯不如3DS MAX使用方便。

從精細(xì)度、易建模和經(jīng)濟(jì)性綜合對比,最終采用3DS MAX建模方案。

機(jī)房3D數(shù)據(jù)化需要對機(jī)房場景及設(shè)備進(jìn)行一些便捷操作,以便觀察記錄。系統(tǒng)選擇目前主流的Unreal Engine 4引擎,并采用C語言進(jìn)行平臺開發(fā)^[15]。

2.2.3 VR呈現(xiàn)單元模塊

作為呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)單元,VR設(shè)備是非常重要的一環(huán)。目前市面上的VR設(shè)備良莠不齊,主流設(shè)備分別是Facebook公司旗下的Oculus Rift、HTC公司旗下的Vive、索尼公司旗下的PlayStation VR。PSVR兼容性太差,首先剔除。遠(yuǎn)程巡視需要較大活動空間,在其他方面大致相同的前提下,從系統(tǒng)兼容性、分辨率以及系統(tǒng)追蹤3個方面做對比,最終選用HTC Vive作為呈現(xiàn)單元。

根據(jù)以往的機(jī)房設(shè)備巡視記錄表,需要巡視的內(nèi)容都是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字的示數(shù)、紅黃綠燈等可簡單圖像識別的數(shù)據(jù),使用簡單的圖像處理系統(tǒng)識別之后,系統(tǒng)可以自行制作電子數(shù)據(jù)報表并存檔。根據(jù)確定的最佳方案,制訂了詳細(xì)的方案實施對策表（見表2）。

表2 最佳方案實施對策表Tab.2 The best implementation countermeasure table

 3 系統(tǒng)建模和測試

本系統(tǒng)通過實地測量機(jī)房內(nèi)建筑和各機(jī)柜的尺寸、構(gòu)架,用3DS MAX建立了與實景1:1的等比例模型。

3.1 根據(jù)對策表實施對策

依據(jù)方案和對策表定制了需要的懸架和軌道,于2017年6月10日將懸梁和采集單元安裝完成。在安裝完成后將機(jī)器人速度設(shè)置為沿軌道用時20 s完成一次往返,進(jìn)行8次穩(wěn)定性測試,結(jié)果見表3所列。

表3 機(jī)器人運行穩(wěn)定性測試Tab.3 The test list of robot operation stability

實驗結(jié)果非常令人滿意,系統(tǒng)安裝的軌道機(jī)器人達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.2 開發(fā)呈現(xiàn)系統(tǒng)

系統(tǒng)基于Unreal Engine 4引擎,使用C語言開發(fā)符合需求的系統(tǒng)。開發(fā)完成后,將建好的模型導(dǎo)入并測試了延遲。

經(jīng)過試驗,本系統(tǒng)的延遲時間<20 ms,達(dá)到預(yù)設(shè)要求,且非常穩(wěn)定,表明系統(tǒng)開發(fā)成功。

3.3 HTC Vive呈現(xiàn)

本系統(tǒng)根據(jù)HTC Vive套件說明書進(jìn)行了安裝調(diào)試,成功后導(dǎo)入模型和程序進(jìn)行試驗。為保證系統(tǒng)的可靠性,對設(shè)備延遲時間進(jìn)行了測試,試驗結(jié)果表明,在連續(xù)不斷運轉(zhuǎn)10 h之后,系統(tǒng)的延遲小于預(yù)設(shè)目標(biāo)100 ms,且?guī)缀鯖]有變化,達(dá)到了系統(tǒng)的預(yù)期要求。

3.4 制作數(shù)據(jù)報表

根據(jù)使用的機(jī)房設(shè)備巡視記錄表,系統(tǒng)制定了將生成的報表項目。由于所要采集的數(shù)據(jù)都是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字、紅黃綠燈等,運用簡單的圖像識別技術(shù)即可自動識別。系統(tǒng)預(yù)設(shè)置了機(jī)房內(nèi)設(shè)備的關(guān)系圖。基于此關(guān)系圖,制作完成了機(jī)房設(shè)備巡視表格式（見表4）（此處僅以第一頁為例）：

共設(shè)置了5次試驗,檢測報表生成速度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,試驗結(jié)果見表5所列。

經(jīng)過試驗,數(shù)據(jù)報表生成時間小于預(yù)設(shè)目標(biāo)10 min,且準(zhǔn)確度達(dá)到100%,試驗成功。

3.5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

9月2日,對整套系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試。實測結(jié)果見表5所列。

由于實施對策時每一步都嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行了成效檢查和分析,所以系統(tǒng)聯(lián)調(diào)取得成功。

3.6 目標(biāo)檢查

系統(tǒng)根據(jù)對策表實施完成了所有的準(zhǔn)備工作,在2017年9月10日進(jìn)行目標(biāo)檢查,檢查效果見表7所列。

表4 機(jī)房設(shè)備巡視記錄Tab.4 The inspection record of information computer room

表5 報表生成速度和準(zhǔn)確性Tab.5 The speed and accuracy of report table generation

表6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)效果測試表Tab.6 The test list of system inter modulation effect

表7 目標(biāo)檢查效果Tab.7 The effect of object check

與傳統(tǒng)方法巡視白石巖變電站用時230 min對比,應(yīng)用變電站機(jī)房遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng),在30 min內(nèi)就能完整、準(zhǔn)確地獲取所需的325個數(shù)據(jù),并且能生成巡檢報表,方便查閱,系統(tǒng)制定的方案目標(biāo)完全達(dá)到要求。

 4 結(jié)語

至2017年10月15日為止的5周時間內(nèi),該系統(tǒng)在白石巖變電站例行巡查了5次,每一次都進(jìn)行了人工巡視和利用本系統(tǒng)巡視的效果對比。本系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率都達(dá)到了100%,顯現(xiàn)出相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/span>

變電站機(jī)房遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)巡視模式,將工作人員到站巡查的傳統(tǒng)巡查模式變?yōu)檫h(yuǎn)程在線巡查模式,在30 min內(nèi)就能準(zhǔn)確獲取巡視的機(jī)房內(nèi)所需的所有數(shù)據(jù),大大提高工作效率;減少了發(fā)生故障到查出故障的時間,減少了變電站脫網(wǎng)風(fēng)險。