變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)三維智能布點(diǎn)軟件開發(fā)與應(yīng)用

謝曉娜，常政威，馮世林

(1.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.國網(wǎng)四川省電力公司科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)三維智能布點(diǎn)軟件開發(fā)與應(yīng)用

謝曉娜1，常政威2，馮世林2

(1.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.國網(wǎng)四川省電力公司科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

為了解決變電站攝像機(jī)的數(shù)量和安裝位置不合理、監(jiān)控效果差等問題，基于三維虛擬建模技術(shù)，開發(fā)了變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)三維輔助布點(diǎn)軟件。介紹了軟件的關(guān)鍵技術(shù)、接口和系統(tǒng)功能，將其應(yīng)用于220kV茨巫智能變電站，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

變電站；視頻監(jiān)控；三維；布點(diǎn)

0 引 言

國網(wǎng)四川省電力公司已建設(shè)省、地市、縣(僅成都市范圍內(nèi))三級變電站視頻監(jiān)控主站平臺(tái)，覆蓋了所有35 kV電壓等級以上的變電站，建設(shè)規(guī)模在國內(nèi)各省級電網(wǎng)公司中處于領(lǐng)先位置。變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)在安全防衛(wèi)、遠(yuǎn)程巡視、在線監(jiān)測、應(yīng)急指揮等方面發(fā)揮了重要作用，隨著變電站無人值守模式的推廣，將在設(shè)備監(jiān)控中發(fā)揮更大的作用[1-2]。

但現(xiàn)有變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常存在以下主要問題[3-4]：1)攝像機(jī)安裝數(shù)量偏少，制約了系統(tǒng)的功能；2)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像機(jī)布點(diǎn)不盡合理，部分重要場地、設(shè)備未覆蓋；3)在設(shè)計(jì)階段缺乏有效的攝像機(jī)布點(diǎn)手段。

為此，若在變電站中安裝攝像機(jī)等設(shè)備之前，制定好一個(gè)可行的布點(diǎn)方案，正確評估變電站中攝像頭的安裝數(shù)量、安裝位置、攝像頭攝像死角，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬顯示和修正，具有十分重要的意義。針對以上問題，開發(fā)了三維輔助布點(diǎn)軟件，并應(yīng)于新建的智能變電站中。

1 三維智能布點(diǎn)軟件

對于新建的智能變電站、已有的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造，可通過土建、一次設(shè)備、二次屏柜的設(shè)計(jì)圖紙，建立全站的三維場景模型，結(jié)合選用的攝像機(jī)類型參數(shù)，在布點(diǎn)軟件中呈現(xiàn)攝像機(jī)的虛擬安裝效果。

本軟件基于三維仿真的攝像機(jī)智能布點(diǎn)技術(shù)，選用Unity3D與Qt結(jié)合作為研發(fā)工具，選用AutoCAD 2014作為三維建模軟件。根據(jù)現(xiàn)有平面CAD圖，采用三維技術(shù)對變電站內(nèi)所有建筑物、一次設(shè)備等場景進(jìn)行建模，為三維虛擬布點(diǎn)提供基礎(chǔ)。

1.1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)三維智能布點(diǎn)軟件在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)分為6個(gè)模塊，下面逐一進(jìn)行介紹。

1.1.1 模型導(dǎo)入

本軟件的輸入是變電站的精確比例三維場景模型，可采用以下幾種方式：

1)對于采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的新建變電站，在電氣、結(jié)構(gòu)、建筑等設(shè)計(jì)完成后，已得到全站精確的三維仿真模型；

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2)對于基于傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)的新建或在運(yùn)變電站，可以利用二維CAD圖，合成三維CAD模型，從而得到其三維場景模型；

3)針對在運(yùn)變電站，只有紙質(zhì)的設(shè)計(jì)圖紙，或多次擴(kuò)、改建后設(shè)計(jì)圖等信息不完整，可以利用現(xiàn)有三維掃描技術(shù)等技術(shù)對整個(gè)變電站進(jìn)行整體掃描，得到相應(yīng)的三維模型。

1.1.2 知識(shí)庫管理

根據(jù)無人值守變電站攝像機(jī)布點(diǎn)規(guī)則，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中建立、維護(hù)知識(shí)庫，指導(dǎo)、輔助設(shè)計(jì)人員及現(xiàn)場人員進(jìn)行攝像機(jī)的虛擬安裝。知識(shí)庫通過指定布點(diǎn)優(yōu)先級、實(shí)施優(yōu)先級的范圍和各監(jiān)控區(qū)域的攝像機(jī)數(shù)量和攝像機(jī)類型，為自動(dòng)生成攝像機(jī)安裝方案提供依據(jù)。

知識(shí)庫首先包含了一次設(shè)備、二次設(shè)備和大門、圍墻等附屬建筑物的布點(diǎn)優(yōu)先級和實(shí)施優(yōu)先級。布點(diǎn)優(yōu)先級從低到高分為1、2、3、4、5共5級。在生成攝像機(jī)安裝位置時(shí)，優(yōu)先生成監(jiān)控優(yōu)先級高的設(shè)備的攝像機(jī)。實(shí)施優(yōu)先級控制攝像機(jī)的預(yù)置位的轉(zhuǎn)動(dòng)，從低到高分為1、2、3、4、5共5級。當(dāng)同一個(gè)攝像機(jī)的多個(gè)預(yù)置位的監(jiān)控設(shè)備同時(shí)要求調(diào)用預(yù)置位時(shí)，優(yōu)先轉(zhuǎn)到實(shí)施優(yōu)先級高的監(jiān)控設(shè)備的預(yù)置位。

1.1.3 攝像機(jī)安裝方案生成

根據(jù)已有的規(guī)則知識(shí)庫定義，針對當(dāng)前導(dǎo)入變電站模型場景，對于指定的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控方案的生成。在生成過程中，約束條件有攝像機(jī)數(shù)量和攝像機(jī)類型，攝像機(jī)類型主要指是槍機(jī)和球機(jī)。比如針對大門和圍墻，在考慮到監(jiān)控對象的特性，一般使用不可旋轉(zhuǎn)鏡頭的槍機(jī)來監(jiān)控，而對于像變壓器這種有改變監(jiān)控視角的設(shè)備，則使用球機(jī)來監(jiān)控。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，可以根據(jù)分辨率來選擇特定的攝像機(jī)，比如針對需要查看設(shè)備細(xì)節(jié)(變壓器油溫表)的，考慮到節(jié)約成本，以及重復(fù)利用現(xiàn)有設(shè)備的目的，可以選擇高清的球機(jī)來進(jìn)行監(jiān)控，這樣既可以滿足觀察變壓器全景的需求，又可以滿足旋轉(zhuǎn)和拉近鏡頭來觀察油溫表的需求。

在三維場景中，由于各個(gè)對象模型是和現(xiàn)實(shí)場景中的真實(shí)設(shè)備保持1：1的尺寸比例，并且相對位置與實(shí)際保持一致，所以在計(jì)算攝像機(jī)的安裝位置時(shí)，可以根據(jù)所監(jiān)控一次設(shè)備的三維空間位置及其空間大小，同時(shí)通過計(jì)算攝像機(jī)視錐體的方式得到數(shù)個(gè)最佳監(jiān)控點(diǎn)。在視錐體計(jì)算中，如果是相距很近的多個(gè)一次設(shè)備，則在計(jì)算時(shí)，在考慮攝像頭的焦距等條件下，盡可能的使用少的攝像頭，通過光線投影的方式，計(jì)算監(jiān)控覆蓋盡可能多的一次設(shè)備；如果是孤立的一次設(shè)備，則在計(jì)算時(shí)，考慮使用盡可能靠近監(jiān)控設(shè)備的方式，來滿足觀察需求。

當(dāng)確定了攝像機(jī)安裝位置后，根據(jù)待監(jiān)控目標(biāo)的位置及其監(jiān)控區(qū)域，計(jì)算攝像機(jī)相對于監(jiān)控目標(biāo)在三維坐標(biāo)系中的二維水平旋轉(zhuǎn)角度和二維垂直旋轉(zhuǎn)角度。主要計(jì)算思路是：獲取待監(jiān)控目標(biāo)的三維模型，通過該模型在三維場景中的位置以及模型自身體積，計(jì)算模型的球型中心，以該球型中心與攝像機(jī)鏡頭在三維空間中連線，形成該三維空間中的空間矢量，該空間矢量為從攝像機(jī)鏡頭中心朝向模型的球型中心，最后通過計(jì)算空間矢量與變電站水平平面垂線的夾角，則可以得到相關(guān)攝像機(jī)的初始轉(zhuǎn)向參數(shù)。

圖2為根據(jù)選擇的規(guī)則庫自動(dòng)生成的攝像頭觀察窗口。在三維場景中，以綠色高亮形象的顯示了監(jiān)控?cái)z像機(jī)覆蓋范圍，對比實(shí)際中，安裝攝像頭時(shí)無法直接判定攝像機(jī)監(jiān)控范圍，這種在三維場景中的展現(xiàn)效果，更加直觀方便地對攝像機(jī)進(jìn)行微調(diào)。

圖2 攝像機(jī)安裝方案實(shí)景展示圖

切換到二維平面顯示監(jiān)控?cái)z像頭安裝方案中攝像機(jī)的安裝位置，即各個(gè)攝像機(jī)的名稱、距離地面的高度，同時(shí)可以導(dǎo)出該二維平面圖，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)出二維安裝方案圖

1.1.4 預(yù)置位生成

為了能夠顯示監(jiān)控目標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)的位置自動(dòng)生成攝像機(jī)預(yù)置位，使攝像機(jī)能夠快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)到預(yù)置位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了預(yù)置位根據(jù)精確的三維空間信息自動(dòng)生成功能。由此，可改進(jìn)目前攝像機(jī)的布局都是先根據(jù)二維圖紙安裝，安裝好后再根據(jù)肉眼識(shí)別調(diào)整攝像機(jī)的預(yù)置位存在的靈活性差、準(zhǔn)確性低、精度低等不足。

得到了攝像機(jī)的預(yù)置位角度、焦距之后。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到ONVIF協(xié)議坐標(biāo)，可以批量導(dǎo)入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)置位的同步。

ONVIF協(xié)議規(guī)定絕對坐標(biāo)X值、Y值范圍為-1到1之間，分別代表攝像機(jī)的水平和垂直旋轉(zhuǎn)參數(shù)，而球機(jī)水平旋轉(zhuǎn)角度范圍和垂直旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°到360°和-5°到185°，由此可以確定單位角度X參數(shù)的變化值為2/360°，單位角度Y參數(shù)的變化值為2/190°。ONVIF協(xié)議中對變焦參數(shù)Z的取值范圍規(guī)定為[0,1]，與攝像機(jī)的焦距有關(guān)。例如，攝像機(jī)的預(yù)置位水平、垂直旋轉(zhuǎn)角度分別為264°和78°，焦距為3.8。轉(zhuǎn)換為ONVIF協(xié)議坐標(biāo)為(0.82,0.37,0.003)。

1.1.5 攝像機(jī)模擬

根據(jù)攝像機(jī)相關(guān)參數(shù)(感光器尺寸、焦距范圍等)，在三維場景中對攝像機(jī)的監(jiān)控范圍進(jìn)行模擬。支持手動(dòng)部署攝像機(jī)安裝位置，模擬參數(shù)包括焦距、變倍、分辨率、旋轉(zhuǎn)角度、照度等。通過光學(xué)原理和攝像機(jī)參數(shù)分析并呈現(xiàn)虛擬攝像機(jī)照射范圍及攝像機(jī)監(jiān)控范圍的示意圖，并可以進(jìn)行虛擬云臺(tái)控制、添加預(yù)置位。

攝像機(jī)模擬通過在三維場景中對真實(shí)攝像機(jī)進(jìn)行模擬，通過變倍、PTZ調(diào)整等操作，可以得到最佳的攝像機(jī)監(jiān)控角度。

1.1.6 三維仿真巡檢

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，在知識(shí)庫中選擇不同的規(guī)則，生成攝像機(jī)安裝布點(diǎn)方案后，所展現(xiàn)的是以攝像機(jī)為主體，調(diào)整新增預(yù)置點(diǎn)，這樣雖然能全面的展現(xiàn)出當(dāng)前方案下所有攝像機(jī)的觀察情況，但是針對某一個(gè)重點(diǎn)監(jiān)控對象卻無法做到全方位的觀察，不能直觀的檢測到該監(jiān)控對象是否滿足監(jiān)控需求。

為此，引入三維仿真巡檢，以巡檢人員的巡查習(xí)慣來檢測攝像機(jī)安裝布點(diǎn)方案是否合理，同時(shí)可以根據(jù)需要重點(diǎn)監(jiān)控的對象，形成新的一套巡檢線路，對重點(diǎn)監(jiān)控對象形成全方位的監(jiān)控展現(xiàn)效果。

通過三維仿真巡檢，可以輔助彌補(bǔ)自動(dòng)生成方案的不足，使方案對變電站的監(jiān)控更加的合理、全面。同時(shí)，使用本高級功能，也可用于設(shè)計(jì)機(jī)器人巡檢的最佳巡視位置和其攝像機(jī)設(shè)置。

1.2 接口方案

攝像機(jī)位置是三維智能布點(diǎn)軟件最重要的成果，現(xiàn)場安裝調(diào)試人員可根據(jù)導(dǎo)出攝像機(jī)位置進(jìn)行實(shí)際攝像機(jī)的安裝部署，也可將攝像機(jī)位置導(dǎo)入其它系統(tǒng)進(jìn)行處理和展示。

攝像機(jī)位置導(dǎo)出分為兩個(gè)部分，一是相對于變電站大門中心點(diǎn)的坐標(biāo)位置和攝像機(jī)的安裝角度，二是攝像機(jī)自身所在平面的圖片文件。

攝像機(jī)位置導(dǎo)出接口包括ID、攝像機(jī)編碼、攝像機(jī)型號(hào)、X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)、Z軸坐標(biāo)、水平角度、垂直角度和圖片文件名稱。X、Y、Z坐標(biāo)位于以大門中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以大門水平垂直方向?yàn)閄軸，與地面垂直方向?yàn)閅軸，與大門水平平等方向?yàn)閆軸的空間坐標(biāo)系中。

1.3 系統(tǒng)功能

三維智能布點(diǎn)軟件具有以下功能：

1)按現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)場景，建立目標(biāo)變電站內(nèi)的各種工作場所及周邊環(huán)境、生產(chǎn)運(yùn)行及輔助設(shè)備等三維模型；

2)實(shí)現(xiàn)在三維場景及設(shè)備3D導(dǎo)航表中向用戶實(shí)時(shí)展示設(shè)備關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及告警信息，同時(shí)用戶可以使用系統(tǒng)提供的設(shè)備控制面板對當(dāng)前選擇設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；

3)建立一套基于設(shè)備優(yōu)先級的布點(diǎn)知識(shí)庫，布點(diǎn)知識(shí)庫包含了攝像機(jī)焦距與視角的關(guān)系、焦距與可視距離的關(guān)系等相關(guān)規(guī)則。通過布點(diǎn)知識(shí)庫，系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)控對象自動(dòng)計(jì)算出攝像機(jī)的安裝位置、焦距等信息，并可以生成預(yù)置點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本軟件已應(yīng)用于“電力天路”工程220 kV茨巫智能變電站。茨巫變電站為GIS站，變壓器 1個(gè)，220 kV設(shè)備區(qū)域共12個(gè)GIS間隔。

如表1所示，根據(jù)茨巫變電站視頻監(jiān)控設(shè)備型號(hào)和數(shù)量，將攝像機(jī)詳細(xì)參數(shù)錄入布點(diǎn)軟件，設(shè)置知識(shí)庫優(yōu)先級。

表1 攝像機(jī)類型、參數(shù)分類表

茨巫站圍墻周長大約為414 m，而鏡頭為 1/3 CCD的槍機(jī)的鏡頭最遠(yuǎn)照射范圍為70 m左右。

根據(jù)已設(shè)定規(guī)則及現(xiàn)場實(shí)際情況，系統(tǒng)生成布點(diǎn)方案。在攝像機(jī)安裝之前，根據(jù)無人值守變電站的視頻監(jiān)控需求，采用本布點(diǎn)軟件進(jìn)行了虛擬布點(diǎn)，指導(dǎo)了攝像機(jī)安裝位置的比較和選擇。

經(jīng)過系統(tǒng)比對，本系統(tǒng)生成的安裝方案只需要2個(gè)攝像頭就能完成全景監(jiān)控，為原方案節(jié)約了成本。系統(tǒng)生成的方案，可隨意根據(jù)預(yù)置位調(diào)整攝像機(jī)的安裝位置。

應(yīng)用本布點(diǎn)軟件，達(dá)到了如下效果：

1)利用該系統(tǒng)安裝設(shè)備，可以大大縮短施工時(shí)間，跟以往安裝進(jìn)度比較，可縮短50%的時(shí)間；

2)布點(diǎn)方案經(jīng)過該系統(tǒng)優(yōu)化以后，比以往經(jīng)驗(yàn)安裝節(jié)約成本，就本次安裝情況而言，比原計(jì)劃少安裝1個(gè)高清攝像頭；

3)布點(diǎn)方案在同等監(jiān)控設(shè)備的情況下，給出的方案監(jiān)控范圍有明顯提高；

4)布點(diǎn)位置符合國網(wǎng)四川省電力公司現(xiàn)有布點(diǎn)技術(shù)規(guī)范，滿足了無人值守變電站遙視需求，特別有利于培養(yǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)維新人。

3 結(jié)束語

針對變電站視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)存在數(shù)量和安裝位置不合理、監(jiān)控效果差的問題，開發(fā)了三維智能布點(diǎn)軟件，并應(yīng)用于220 kV茨巫變電站。

應(yīng)用結(jié)果表明，布點(diǎn)軟件提高了變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝的效率及準(zhǔn)確性，并保障了系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量，對無人值守變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了有效的手段。

下一步，將研究如何針對變電站智能輔助控制系統(tǒng)的動(dòng)力環(huán)境、安防等子系統(tǒng)進(jìn)行三維輔助設(shè)計(jì)。

[1] 趙樂.關(guān)于變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)若干問題的探討[J].中國電力教育，2011(24):148-149.

[2] Z.W. Chang, D.S. Cai, W Zhen and Q Huang. Design and Implementation of a Measurement System for Power Station Video and Environment Surveillance System [J]. International Journal of Smart Grid and Clean Energy,2014,2(4): 221-227.

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[4] 孫鳳杰，崔維新，張晉保.遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控與圖象識(shí)別技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(5):81-84.

In order to solve such problems as unreasonable number or installation of cameras, and poor monitored effect of video monitoring system in substations, a three-dimensional layout design software is developed. The key techniques, interface and functions of the proposed design software are introduced. The application to 220 kV Ciwu smart substation verifies that the design is effective and reasonable.

substation; video monitoring; three-dimensional; layout

國網(wǎng)四川省電力公司研究開發(fā)項(xiàng)目 (52199713506H)

TP391

A

1003-6954(2015)03-0008-04

2015-03-31)