VRIC
——基于VR與Iot的智慧管控新模式

孫浩鵬，徐學(xué)東，孫海波

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012； 3.長(zhǎng)春工程學(xué)院審計(jì)處，長(zhǎng)春130012)

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VRIC
——基于VR與Iot的智慧管控新模式

孫浩鵬1，徐學(xué)東2，孫海波3

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012； 3.長(zhǎng)春工程學(xué)院審計(jì)處，長(zhǎng)春130012)

為解決目前視頻監(jiān)控?zé)o法到達(dá)的地下管線等工程環(huán)境的可視化管控問(wèn)題，分析了目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Iot)的應(yīng)用現(xiàn)狀及工程應(yīng)用推廣的瓶頸，探討了相關(guān)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上提出了一種虛擬現(xiàn)實(shí)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的智慧管控新模式，給出VRIC的定義，并提出一種體系結(jié)構(gòu)，列舉了實(shí)施這種管控模式的關(guān)鍵技術(shù)。最后以城市地下管道可視化智慧管控為例進(jìn)行講解。

虛擬現(xiàn)實(shí)；物聯(lián)網(wǎng)；可視化；智慧管控

0　引言

2016年之所以被稱(chēng)為VR(Virtual reality)元年[1]，是因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)已經(jīng)在以房地產(chǎn)行業(yè)、虛擬旅游、游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)等為代表的各種應(yīng)用模式支撐下迅速成為目前市場(chǎng)的熱響應(yīng)模式，在各種虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的支持下快速推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步。VR即虛擬現(xiàn)實(shí)，起源自美國(guó)20世紀(jì)中期，20世紀(jì)80年代，由美國(guó)宇航局(NASA)和國(guó)防部組織了一系列VR技術(shù)研究項(xiàng)目，且取得了豐碩成果。國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近幾年在地下工程方面也得到了蓬勃發(fā)展，劉培根于2016年1月開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管網(wǎng)三維可視化管理平臺(tái)[2]，2016年6月，趙志強(qiáng)等[3]利用虛擬仿真技術(shù)建立礦井巷道虛擬系統(tǒng)，張鵬程等[4]在2016年7月開(kāi)發(fā)了城市地下管線三維建模工具等。

2005年11月17日，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》給出了物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)的定義和范圍。報(bào)告指出物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)RFID、紅外感應(yīng)、定位系統(tǒng)、掃描等信息傳感設(shè)備，按規(guī)定協(xié)議把物品數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)連接。2012年，黃來(lái)源等[5]人提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系統(tǒng)，2013年李玉等[6]發(fā)表了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，2014年王靜遠(yuǎn)等[7]對(duì)以數(shù)據(jù)為中心的智慧城市進(jìn)行了研究綜述。由文獻(xiàn)[7]可知智慧城市是科技部863計(jì)劃中的指定項(xiàng)目，并且項(xiàng)目總體組提出了六橫兩縱的智慧城市技術(shù)框架，并以數(shù)據(jù)的獲取作為整個(gè)智慧城市理念的支撐，處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)作為核心技術(shù)，從而為城市提供各種服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)獲取的最前端技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展出了多種模式的傳感器。

由上述分析可知，虛擬現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控?zé)o法安裝和到達(dá)的地下等特殊環(huán)境的可視化管控的空白。在目前推廣的智慧城市項(xiàng)目中，地下管線的數(shù)據(jù)測(cè)量和智能管理等已經(jīng)成為重中之重，一個(gè)沒(méi)有可視化智慧管控的地下管線管理系統(tǒng)的平臺(tái)是沒(méi)有資格稱(chēng)之為智慧城市的。

近年來(lái)盡管取得了一些成果，但是目前的地下工程虛擬系統(tǒng)只是停留在三維建模和虛擬演示階段，無(wú)法有效讀取各種管線數(shù)據(jù)，更無(wú)法操作和控制各管網(wǎng)關(guān)鍵關(guān)節(jié)。地下管線分布復(fù)雜并縱橫交錯(cuò)，現(xiàn)有層級(jí)管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還停留在二維層面，不僅無(wú)法有效指揮施工單位，也無(wú)法對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。所以對(duì)地下管線空間關(guān)系進(jìn)行管理是地下管線數(shù)據(jù)管理的前提，三維可視化是未來(lái)所有行業(yè)管理的趨勢(shì)。

本文針對(duì)此種情況，利用目前虛擬現(xiàn)實(shí)的廣泛應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的契機(jī)，提出一種虛擬現(xiàn)實(shí)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的新模式，專(zhuān)門(mén)針對(duì)視頻監(jiān)控?zé)o法到達(dá)的地下工程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智慧管控，在三維可視化、數(shù)據(jù)采集、關(guān)節(jié)控制等方面進(jìn)行了討論，為開(kāi)展大規(guī)模的智慧城市地下管線三維可視化管理提供一種參考。

1　VRIC的基本概念

1.1VRIC的定義

VRIC，基于VR與Iot的智慧管控模式，是指在控制端利用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備、管線的可視化管理，在被控制端利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即時(shí)采集各設(shè)備端數(shù)據(jù)，同時(shí)可以利用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)或人工遠(yuǎn)程控制和操作的一種模式。

VRIC模式將現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制等技術(shù)互相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)設(shè)備、地下管路等傳統(tǒng)視頻無(wú)法到達(dá)的環(huán)境，即是三維可視化，并且可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)智能分析所獲取的海量數(shù)據(jù)的管理和使用，為遠(yuǎn)程操作提供依據(jù)，為智慧城市項(xiàng)目提供安全可靠的基礎(chǔ)服務(wù)。

1.2VRIC與現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)體系、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的區(qū)別

VRIC與現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)體系、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相比，有很明顯的區(qū)別。

1)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是信息的獲取，在數(shù)據(jù)傳輸方面，其主要方式是單工通道，用戶(hù)是無(wú)法在控制平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和整合的，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每一個(gè)都是獨(dú)立系統(tǒng)，例如溫度傳感器和濕度傳感器就是完全不相干的兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，都需要專(zhuān)用線路或者獨(dú)立的無(wú)線射頻頻段才可以，極大地限制了對(duì)各種關(guān)鍵設(shè)備的管控的大范圍推廣。而本文提出的智慧管控模式不僅可以隨時(shí)采集信號(hào)，更重要的是通過(guò)改造現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計(jì)出采集控制于一體的專(zhuān)用終端，使得管理者可以通過(guò)分析采集到的數(shù)據(jù)，人工或者智能化地直接控制終端。

2)現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是人在環(huán)境中的真實(shí)性，針對(duì)工業(yè)設(shè)備內(nèi)部或者地下管線等無(wú)法利用衛(wèi)星地圖的特殊環(huán)境都需要人工建模，即使有團(tuán)隊(duì)制作了可以自動(dòng)化建模的軟件，也只是針對(duì)某個(gè)特殊單一的情況。除了三維模型的構(gòu)建以外，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)更多的是強(qiáng)調(diào)三維引擎的各種功能，強(qiáng)調(diào)人的感官和人對(duì)環(huán)境的視角控制。本文提出的智慧管控模式在三維可視化方面強(qiáng)調(diào)人對(duì)設(shè)備的控制，例如，管理端屏幕上出現(xiàn)地下燃?xì)夤艿赖男孤┈F(xiàn)象不僅由現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)來(lái)激活，而且泄漏的數(shù)量在控制端也實(shí)時(shí)可見(jiàn)。泄漏時(shí)關(guān)節(jié)閥門(mén)在智慧管控平臺(tái)控制下自動(dòng)關(guān)閉，在關(guān)閉的過(guò)程中閥門(mén)的開(kāi)度也是由事故現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)得出的。

2　VRIC的工作平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)

2.1VRIC的工作平臺(tái)

本文提出的VRIC工作平臺(tái)不僅包含傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)，也包括數(shù)據(jù)庫(kù)、互聯(lián)網(wǎng)、軟件工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，如圖1所示。一個(gè)可以滿(mǎn)足客戶(hù)三維可視化的智慧管控項(xiàng)目至少需要4個(gè)專(zhuān)業(yè)部門(mén)的通力合作。在數(shù)據(jù)獲取階段可采用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)采集后要利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，利用人工智能來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)，對(duì)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)要求，利用可控設(shè)備對(duì)需求中的關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行改造，同時(shí)，遠(yuǎn)程的可控端的一舉一動(dòng)都通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)即時(shí)展現(xiàn)出來(lái)，上述過(guò)程缺一不可。

圖1　VRIC平臺(tái)示意圖

2.2VRIC的體系結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)上述平臺(tái)系統(tǒng)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出了如圖2所示的體系結(jié)構(gòu)，主要包括以下4個(gè)層次：

1)物理層，包含物聯(lián)網(wǎng)的探頭、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和設(shè)計(jì)的專(zhuān)用可控設(shè)備等。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將所有物理設(shè)備接入到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)物理資源的全面聯(lián)網(wǎng)，為后面的資源管控提供接口等。這個(gè)物理層相對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別在于必須考慮專(zhuān)用可控關(guān)節(jié)設(shè)備的可控接口及控制過(guò)程的狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取等。

2)虛擬層，體現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的三維可視化模擬，不僅要有對(duì)任意角度、任意位置的設(shè)備的體現(xiàn)，還要有相關(guān)設(shè)備間關(guān)系的體現(xiàn)，從物理層得到的數(shù)據(jù)，以及大數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)可控設(shè)備的控制和狀態(tài)都要即時(shí)體現(xiàn)。要突破時(shí)空的限制，隨時(shí)再現(xiàn)過(guò)去或者未來(lái)的環(huán)境狀態(tài)。

3)數(shù)據(jù)層，對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)探頭所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析等，針對(duì)行業(yè)要求研發(fā)各種應(yīng)用算法，利用人工智能技術(shù)對(duì)高危數(shù)據(jù)(例如供熱管道溫度的突變)進(jìn)行預(yù)警和處理，對(duì)過(guò)去、未來(lái)時(shí)空的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

4)應(yīng)用層，開(kāi)發(fā)的管理系統(tǒng)應(yīng)該提供PC端、移動(dòng)端、各專(zhuān)業(yè)設(shè)備終端的接口，提供UI界面和人性化的管理方法，支持虛擬現(xiàn)實(shí)提供的各種虛擬手套、虛擬眼鏡驅(qū)動(dòng)等。

圖2　VRIC 4層體系結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)現(xiàn)VRIC的關(guān)鍵技術(shù)

3.1地下管線數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)模式標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定及規(guī)范

早在1994年，魏少珊等[8]人就提出相關(guān)地下管線的測(cè)量方法，直至2015年陳杰華等[9]人利用多種手段和方法對(duì)廣州獅山鎮(zhèn)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，每年都有人在討論各種探測(cè)方法，但是這些方法得到的數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一的格式，不同城市甚至同一城市的兩個(gè)城區(qū)數(shù)據(jù)都無(wú)法合并使用，現(xiàn)有數(shù)字城市的一大難題就是統(tǒng)一各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)及使用方法，所以，實(shí)現(xiàn)VRIC的首要任務(wù)就是依據(jù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，提出一套既能滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)需求，也能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)管控的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在地下管線的數(shù)據(jù)管理上建立長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。

3.2虛擬現(xiàn)實(shí)方面的自動(dòng)拼合算法

為了適配大眾客戶(hù)端，根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)建模，包括3S技術(shù)(GIS、RS、GPS)采集獲得數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)對(duì)大范圍環(huán)境及設(shè)備網(wǎng)格化拆分及自動(dòng)拼合的算法，解決針對(duì)地下管線和地下特征檢測(cè)、特征匹配、誤配去除、圖像配準(zhǔn)、多道圖像融合等關(guān)鍵問(wèn)題，利用構(gòu)建的各種模型庫(kù)高效實(shí)現(xiàn)城市地下管理真實(shí)展現(xiàn)的效果。

3.3數(shù)據(jù)處理及智慧管控響應(yīng)的及時(shí)性

為解決用戶(hù)多路輸入情況下系統(tǒng)的延遲問(wèn)題，需要建立優(yōu)先級(jí)的用戶(hù)輸入相應(yīng)的設(shè)定方法，擬將模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于用戶(hù)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定，通過(guò)對(duì)響應(yīng)事件及其子影響因素進(jìn)行權(quán)重分析與專(zhuān)家評(píng)判，以期達(dá)到用于用戶(hù)響應(yīng)的分級(jí)模塊化，從而可將輸入輸出設(shè)備的響應(yīng)獨(dú)立化，用戶(hù)交互行為按層級(jí)分組，重要的響應(yīng)事件可以按優(yōu)先級(jí)執(zhí)行，以保證用戶(hù)多路輸入的情況下系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4　VRIC在地下管線智慧管理中的應(yīng)用

根據(jù)本文提出的理論和設(shè)想，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)初步開(kāi)發(fā)了一個(gè)VRIC的典型應(yīng)用，以某高校為例，充分摸清校園內(nèi)地下管線現(xiàn)狀，利用多種綜合方法對(duì)地下管線進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)掌握數(shù)據(jù)信息正確性后，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并為未來(lái)地下管網(wǎng)的擴(kuò)大留下接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)、空管理。綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水、電地下管網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備，安裝了控制設(shè)備的各種數(shù)據(jù)探測(cè)儀器，保證三維可視化的即時(shí)響應(yīng)。在校園監(jiān)管系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中保證了跨平臺(tái)和可移植性，使得PC端、移動(dòng)端等均可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，UI設(shè)計(jì)充分考慮了管理者的需求，在人工管理模式下，系統(tǒng)可以隨時(shí)查看地下管網(wǎng)的各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，也可隨時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定量開(kāi)合。在自動(dòng)管理模式下進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)某個(gè)水管流量和壓力突變情況下，系統(tǒng)會(huì)將警報(bào)信息發(fā)送至管理者手機(jī)，同時(shí)進(jìn)行響應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)急預(yù)案處理。

在不久的將來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧城市將不僅僅作為科研項(xiàng)目存在，也會(huì)走入尋常百姓家中。本文提出的VRIC模式在智慧城市發(fā)展過(guò)程中將做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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

[2] 劉培根.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管網(wǎng)三維可視化管理平臺(tái)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016(1):94-95.

[3] 趙志強(qiáng).劉洪濤.馬念杰.虛擬仿真技術(shù)在地下工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016(26):183-185.

[4] 張鵬程，丘廣新，陳鵬，等.城市地下管線三維建模工具開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].地理空間信息，2016(14):85-87.

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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

吉林省教育廳雙十項(xiàng)目(吉教科合字[2014]313號(hào))

孫浩鵬(1975-)，男(漢)，長(zhǎng)春，副教授

主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)及應(yīng)用。

TP391

A

1009-8984(2016)03-0094-03