李 伟,耿光超,任志强,杨红霞

1.国网浙江省电力有限公司培训中心,浙江 杭州 310015

2.浙江大学电气工程学院,浙江 杭州 310027

近些年，虚拟现实[1]（VR）、增强现实[2]（AR）技术和设备（例如谷歌眼镜[3]等）利用上下文信息增强了用户的真实世界视野，引起了社会的广泛关注。虽然这些技术存在一些限制，但这些技术将特定领域的可视化从计算机屏幕移向现实世界，有望应用于诸多领域，如设备日常维护等。

目前，以自动化VR 应用较多。如文献[4]提出约束SLAM（同时定位与映射）框架，用于3D物体的实时增强，并对工业自动化现场作业员的培训建立原型应用。文献[5]尝试利用AR 和触感技术对感官驱动的行为（如车辆驾驶）进行增强，从而技术控制的感官增强可以影响人类感知并改善动作执行，但这取决于特定目标人群和增强程度，且可能会产生负面影响，如向用户提供过量信息。

大部分AR/VR 应用并不专注于特定行业，而是探索数据可视化的通用解决方案。但每个应用领域都会带来包含特定的先决条件的新要求。关于AR 在工业中的应用方面，文献[6]分析了VR 在工业机器人仿真和制造方面的应用，并对机器人导航规避进行研究分析。文献[7]认为虚拟3D 可视化适用于制造系统建模，且此类系统通常用于监控和维护，因此可归类于SCADA 系统。文献[8]将增强现实技术引入水利水电工程施工仿真中，提出了基于增强现实的心墙堆石坝施工过程可视化仿真方法，该方法主要解决通过视频监控获取的三维场景信息与虚拟物体叠加，以解决传统可视化仿真中地形模型占用过多资源的问题。与之类似还有文献[9]提出的增强现实的堆石坝工程三维可视化。通过建立了功能AR 或VR 监测应用，利用了静态相机、AR 标记、开源计算机视觉库等，很多案列说明这些可以增强传统SCADA 的功能。

本文提出了过程相关SCADA 数据的可视化方法，使用了VR 可视化技术，可以促进变电站中以人为中心的活动，例如设备日常维护等。为了验证所提方法，本文还开发了VR 应用，借助VR标记在相应的变电站设备上显示SCADA 数据，证明了所提可视化方法的独创性和功效。考虑到软实时数据传输限制，需要适时刷新可视化SCADA 数据。本文对提出的方案进行了全面测试，证明提出的方法论适用于现实变电站。

1 工业系统的虚拟现实和IEC 61850 标准

IEC 61850[10]常被视为电力企业的远程控制协议，其不仅仅是现场仪器信息检索的规则和编码，而且确定了在不同供应商设备之间实施通信和语义互操作性的自动化架构条件。

1.1 IEC 61850 标准

1.1.1 数据模型IEC 61850 提供了与电力企业子系统中的设备功能紧密相连的数据语义。IEC 61850定义的数据模型使用相关过程自动化数据的面向对象的建模。其数据模型分类之间的联系如图1 所示。通过最上层的父类、服务器（Server）来表示物理设备（即设备控制器）。Server 包含一个或多个逻辑设备（LD），LD 是用于自动化系统的控制、保护和监视设备的虚拟表示。逻辑节点（LN）表示不同设备功能，多个LN 汇聚在一起构成一个LD。LN 是IEC 61850 数据语义的重要组成部分。

图1 IEC 61850 数据类模型示意图Fig.1 Schematic chart of IEC61850 data model

1.1.2 数据交换与管理IEC 61850 提出了描述电力企业（变电站）的子系统中数据交换过程的新范式，即，抽象通信服务接口（ACSI）[11]。ACSI 模型分类定义了IEC 61850 设备所使用的水平和垂直通信抽象信息服务。任何IEC 61850 客户端软件都可以利用ACSI 模型类，作为IEC 61850 服务器启用设备的标准化接口，从而完全利用其远程控制。

基于系统配置描述语言（SCL）[12]格式化的XML 文档的交换，是IEC 61850 系统工程的基础。通信系统和电网拓扑是预定义的，而基于SCL 文档交换的工程过程则具有一定的静态型，常用于变电站自动化系统。

1.2 工业系统的虚拟现实

VR是利用虚拟元素在视觉上改变现实世界环境的科学技术。为了将VR更好地应用于能源工业，需要对VR 及其能力进行全面分析。VR 的主要特征为：

1）通过利用跟踪系统，可以跟踪用户的视图和位置；

2）将虚拟物体放置在现实世界视图中；

3）放置在现实世界的虚拟物体具有正确位置、方向和尺度；

4）可以实时呈现虚拟物体和现实世界视图。

在变电站自动化环境中，计算机的主要任务是控制和监视过程，因此，有必要使用先进的可视化技术。其中展示的信息量相当大，且随着系统规模和复杂度的增加，信息量也将随时间推移而不断增长。必须仅展示相关信息，从而减少额外数据对操作人员造成的不必要负担。

控制计算机在计算机屏幕上显示过程数据，并使用传统的输入机制，例如键盘或触摸屏。典型程序中，通常要求操作员通过机器的安全玻璃来观察过程，同时操作计算机来控制过程并接收自动化反馈。此类工作流程的问题在于，当操作员需要在观察计算机屏幕以保持跟踪自动化数值的同时，还需要在视觉上进行过程观察时，会造成操作员注意力分散。在机器旁边放置显示器可以缓解该问题，但此类程序本质上将过程与其自动化数据相分离。

本文旨在提供无缝解决方案，利用VR 技术的特征，将自动化数据集成到安全玻璃之外的工作区。VR 技术使计算机生成的交互式虚拟对象可以与现实物理环境（包括工业环境）相结合，适用于即时注意力要求很高的工业机器。

研究人员针对特定场景开发了多种类型的VR 标记，其中二维矩阵条形（QR）码最常用。

一个QR 码可以编码最多7089 个数字和4296 个字母数字字符，且可以通过智能手机或PC 应用的摄像头访问来简单读取，优于其他需要特定扫描仪进行解码的2D 条形码。

另一个较为复杂的选择是Vuforia 库中的可用标记[13]。Vuforia 中存在一些不同的标记类型，主要为帧标记、图像目标和Vumarks。本文第一个VR 应用原型在Vuforia 帧标记内使用了QR 码。QR码标记如图2 所示，QR 码最重要的部分为三个大方格，其中包含带白色边框的较小黑色方格，位于QR 码的三个角，用于确定条码的位置。几乎所有VR 标记（包括Vuforia 帧标记）均不编码数据，因此需要对其进行预注册。这意味着需要预先决定每个标记的功能。在标记内进行数据编码能够免除该步骤，因此，使用QR 码优于使用其他标记。但QR 码的问题在于检测过慢。为此，本文将QR码置于可快速检测的Vuforia 帧标记内，如图3 所示。该形式的另一个优点是能够在在条码被损坏或丢失的情况下重建条码，这一点至关重要，因为相机扫描时镜头位置并不完美，会丢失一部分代码。

图2 QR 标记和解码特征说明Fig.2 Direction of QR mark and decode characteristics

图3 两种标记融合Fig.3 Integration of two marks

2 应用与分析

本文开发的IEC 61850 虚拟现实应用使用了垂直IEC 61850 通信，同时利用SCL 数据工程和VR标记编码来识别符合IEC 61850 数据语义规则的变电站自动化设备的组件。其应用框架如4 所示。

图4 虚拟现实IEC 61850 应用架构Fig.4 Framework of virtual reality IEC61850

2.1 具体实施过程

应用实施包含以下步骤。首先，变电站自动化环境中包含各种设备和一些连接到中央SCADA系统的IED。SCADA 系统通过垂直IEC 61850 通信从IEC 中实时获取数据，这是VR 应用实施的最关键的先决条件。

需要打印标记（图8 给出了带IEC 61850 编码数据的Vumark 的样例）并置于变电站设备上，以利用与该设备部分相关的过程数据的VR 可视化。标记中编码了相应的IEC 61850 标识符。标识符对应于其所放置的变电站设备的过程数据。其次，需要带摄像头的便携设备，其中预装了VR 应用。第三，变电站环境需要通过WiFi 接入内部网络，需要连接商用SCADA 系统。通过SCADA 制造商提供的API 接口完成SCADA 集成。

一般，可以利用带摄像头的设备对变电站环境进行扫描。该应用使用Vuforia 库的一个实例来处理来自相机的每帧图像。一旦在帧中检测到标记，Vuforia 库也开始处理VuMark，并对VuMark 中编码的字符串数据进行解码。该数据为IEC 61850 过程数据路径，描述与相应设备部分相关的过程数据路径。现在，应用程序知道了需要在标记的视图上覆盖那些信息，但还需要获取SCADA 信息。其后，通过Wifi 连接到SCADA 系统，一旦成功连接，应用就向SCADA 系统获取与过程数据路径相关的所有信息。然后，SCADA 系统与IED 进行通信，并向相应设备请求所需信息。一旦IED 发送数据，则SCADA 系统通过Wifi 将数据转发至VR 应用。应用保持与SCADA 系统的连接，并通过发送对所需数据所做更改的实时更新来完成任务。每当过程数据路径的相关信息发生变化时，SCADA 系统就会通知VR 应用，VR 应用则显示更新该变化。由此实现了变电站IEC 61850 数据的实时显示。

变电站环境中的任何设备均可依此方式进行建模，并可以在视觉上突出显示重要部分和额外信息。在进行设备维护时，可以在设备上突出显示核心元件并加入IEC 61850 实时数据。在设备检查过程中，操作员可以快速浏览所需信息。还可以特定维护程序或学习过程中添加动画。举例来说，不熟练的操作员需要通过学习来掌握变电站环境中的不同设备的处理方法。可以使用动画模型加快培训过程，提高学习效果。

2.2 原型评价

本文还开发了变电站的详细模型，每当摄像头发现具有特定编码的标记时，就会显示该模型。该模型如图5 所示。在模型展示后，用户可进行放大、缩小或旋转操作，以得到更好的变电站视图。该模型中也添加了IEC 61850 实时信息，并突出显示与数据语义相关的设备部分。该特征用于对变电站某些部分进行监视和微管理，还可被用于远程控制整个变电站。

本文在现实世界变电站中实施了所提应用原型，以评价所提方案。结果表明，虽然与结合了Vuforia 帧标记的Vumarks 相比速度较慢，但带即时解码结果和QR 码的Vumarks 是IEC 61850 数据语义标记的最佳选择。随着应用程序的版本迭代，对IEC 61850 实时数据的使用也将发生变化，从数据文本展示变为使用带注释数据的图形模型。利用IEC 61850数据语义，可以从变电站内的SCADA系统获取任何所需信息。

图5 包含多个变压器的变电站VR 模型Fig.5 VR model of transformers in the substation

图6 应答测试结果Fig.6 Answer test results

2.3 原型评价虚拟现实与实时通信

实时计算描述了受“实时约束”的硬件和软件系统，例如从时间到系统响应。实施程序必须保证在特定时间约束内的应答[13]。

在本文测试中，测量VR 应用原型接收到SCADA 系统中数据变化更新所需的时间。测试中进行了两个实验：第一个实验是在100 MB 本地虚拟专用网（VPN）上传递数据时的SCADA 应答时间，第二个实验是使用4G 移动互联网作为网络中介传递数据时的SCADA 应答时间。两个实验中，均通过1000 次的数据实例更改来测量SCADA 变化的应答时间。其测试结果如图6 所示。图6 的结果符合预期，本地VPN 的速度比4G 移动互联网快得多，且峰值的发生频率远低于互联网。本地VPN的最差响应时长为169 ms，最优响应时长约为34 ms，这意味着在物理变化发生后，始终能够在34 ms至169 ms 之间接收到变化信息。互联网的最差和最优响应时间分别为478 ms 和69 ms。从两种场景的比较中可知，4G 移动互联网的应答时间可能是本地网络的2 倍，这是因为4G 移动网络具有不可控性。近似图比较表明，本地VPN 响应时间平均约为92 ms，4G 移动互联网响应时间则约为136 ms。

实验结果显示，使用本地VPN 时，在1000 个查询中，652 个查询在50 ms 至100 ms 之间完成，287 个查询耗时100 ms 至150 ms 之间，仅10 个查询耗时150 ms 至200 ms。而在4G 移动网络上，仅52 个查询耗时在50 ms 至100 ms 之间，663 个查询耗时100 ms 至150 ms，252 个查询耗时160 ms至200 ms，27 个查询耗时200 ms 至250 ms，1 个查询耗时250 ms 至300 ms，1 个查询耗时300 ms至350 ms，最差的3 个查询耗时450 ms 至500 ms。

图7 给出了响应时间测试图。顶部框图表示互联网响应时间的四分位数，底部框图表示本地VPN 网络的四分位数。黄色垂直线表示中位值。从中可发现，VPN网络和4G 移动网络的应答时间的中位值分别为92 ms和136 ms。本地VPN 响应时间的下四分位数为70 ms，而上四分位数则为101 ms。4G 移动互联网的响应时间的下四分位数和上四分位数分别为112 ms 和154 ms。结果表明，本地VPN 网络的响应时间中，50%在70 ms和101 ms 之间，而4G 移动互联网的响应时间中，50%在112 ms 和154 ms 之间。

3 结论

图7 两种SCADA 响应时间测试结果图Fig.7 Test results of two SCDA answer times

本文提出了过程相关SCADA 数据可视化的方法，以虚拟现实和促进电力系统变电站中的监视、控制和以人为中心的维护活动。所提解决方案使用VR 可视化技术以及IEC 61850 定义的标准通信。该应用支持相关地点的自动化数据的可视化，通过结合基于标准的通信提取实时SCADA 信息，并展示在相应设备附近，还支持使用完整3D 设备模型以及动画小部件，以加速与用户的交互。在本地虚拟专用网（VPN）和4G 移动互联网上获取数据的平均响应时间分别为92 ms 和136 ms。未来，本文将开发促进变电站环境中维护活动的软件平台，通过提供自适应工作流程序来提升用户满意度。