CN107452057A - 三维实景智能一体化安全防控应用系统 - Google Patents

三维实景智能一体化安全防控应用系统 Download PDF

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Abstract

三维实景智能一体化安全防控应用系统,涉及一种安全防控应用系统。目前，电网需要大量的人力投入进行监测，安全问题容易忽视，而且目前虚拟现实技术并不成熟，流畅性差，不易被接受。本发明包括：主场景模块；实时告警模块；主接线图显示模块；数据分析模块；检修推演模块；安措模式；人员管控模块；智能发布模块；系统工具模块。本技术方案针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧，而不影响整体模型显示的实时性，及展示效果，并保证加载的画面不变形，流畅稳定，具有可靠的清晰度。

Description

三维实景智能一体化安全防控应用系统
技术领域
本发明涉及一种安全防控应用系统，尤其指三维实景智能一体化安全防控应用系统。
背景技术
监测实现动画就是利用人眼视觉暂留的原理，通过播放一系列的图片，使人眼产生运动的感觉。这样的一系列图片就叫做帧。我们常见的三维模型展示动画都具有体积较大的特点。故在性能不够高或者网速不太好的的PC机上或移动设备上运行实时三维监控系统时，大量的经过精细化建模的设备模型经过渲染，加载显示过程中会导致帧率大幅度下降，播放的流畅性，渲染效果的实时性将大大下降。
目前，电网需要大量的人力投入进行监测，安全问题容易忽视，而且目前虚拟现实技术并不成熟，流畅性差，不易被接受。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供三维实景智能一体化安全防控应用系统，以达到直观感受场景，对设备进行高效、快速的管理的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
三维实景智能一体化安全防控应用系统，包括：
主场景模块：用于实景再现，且在场景俯视或平视模式下执行完各种操作后，能快速回到场景默认起始原点；所述的主场景模块包括图像渲染子模块，在引擎加载三维模型时，为每一个三维模型指示其属性，分别为参与静帧或不参与静帧，针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧；
实时告警模块：用于展示告警信息；
主接线图显示模块：用于显示变电站电气设备一次接线图，当在接线图中双击所需查看的设备节点时，场景中快速定位到该设备模型；
数据分析模块：获取设备的电量信息，并对设备间数据进行对比分析；
检修推演模块：用于自动检测，确定是否在安全范围内工作；
安措模式：用于在场景中添加标识牌和围栏，显示当前作业情况及安全、禁止区域；
人员管控模块：用于实时查看佩戴智能头盔的人员位置信息、历史轨迹查询；
智能发布模块：用于发布总体概况、设备情况、工作情况数据；
系统工具模块：包括快捷展示子模块、模型预置设置子模块、系统配置子模块、区域配置子模块；所述的快捷展示子模块用于显示或隐藏场景中摄像头，所述的模型预置设置子模块用于预先设置摄像机与设备间的位置关系，所述的系统配置子模块用于设置系统阴影效果和场景品质；所述的区域配置子模块用于不同KV区域范围在场景中的界定。
采用静帧技术后，针对大量的静态模型将不必进行每帧渲染，则将大量的静态模型的渲染耗时节省下来。静帧后的每帧只需要渲染少量动态模型，以实现良好的画面展示效果，并保障画面加载的实时性和可靠性。针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧，而不影响整体模型显示的实时性，及展示效果，并保证加载的画面不变形，流畅稳定，具有可靠的清晰度。
本技术方案利用虚拟现实技术对变电站内的实际场景，电气设备工况、操作模拟实时状态真实再现。可以无缝接入不同的电力在线监测或应用系统，常见诸如SCADA系统、智能机器人系统、在线测温系统、巡视系统、视频图像系统、PMS系统、OMS系统、门禁系统、周界防范系统、安防系统、环境监测系统，以及电力其他在线监测或应用系统。
本技术方案在俯视场景模式或平视场景模式下，用户可通过键盘以及鼠标操作对场景进行直观、全面的浏览，对设备进行高效、快速的管理。具体包含以下功能：
直观感受场景：用户可预览场景全貌，并且可通过鼠标及键盘，对场景视图进行放大、缩小、旋转等操作。
快速定位区域和设备：在场景任何区域双击鼠标，场景视图会自动切换到该区域，在该区域内双击某个设备，则该设备被选中。
快速查看设备属性：点击电气设备上的标识，可以查看该设备的属性；系统默认以快捷展示的方式显示场景的摄像机，鼠标靠近摄像机标识，加载该摄像机的实时图像。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
进一步的，图像渲染子模块引入FBO对象，其中包含模型的颜色信息，深度信息的帧缓冲，将模型的渲染层进行分离，其包括以下步骤：
1)当不使用静帧时，渲染模型到输出FBO；渲染的模型不区分静态与动态，统一将全部内容赋予FBO对象，进行输出；
2)开启静帧后的第一帧，渲染流程更改为：当指定三维模型是否参与静帧，且开启静帧后，则渲染的模型分为静态与动态模型，第一帧即将静态模型渲染至静态FBO中，之后拷贝静态FBO到带输出FBO中，最后再将渲染的动态模型赋予带输出的FBO中，则整合静态和动态模型，进行整体输出；
3)开启静帧后的后续帧，渲染流程为：静帧开启后，第一帧已经把静态模型导入到静态FBO中，则在后续帧中，不必重复导入，可直接调用之前导入的静态帧，每次只要执行静态FBO拷贝到输出FBO，再将实时渲染的动态模型拷贝到FBO中，整合输出即可。
进一步的，所述的主场景模块还包括室内渲染子模块；所述的室内渲染子模块包括基于微面模型的Physically-Based Rendering(PBR)和基于Cube Maps的Image basedLighting；Physically-Based Rendering用于室内的局部光照渲染；Image basedLighting用于全局光照渲染。
进一步的，室内渲染子模块包括以下步骤实现室内光照：
A)计算PBR中diffuse分量，采用Lambert漫反射光照模型；
B)计算PBR中specular分量的菲涅尔系数F；
C)计算PBR中specular分量的微表面分布函数D；
D)计算PBR中specular分量的阴影系数G；
F)依据步骤①-④，计算PBR光照模型；
G)预渲染多个点的Cup Maps，供IBL调用；
H)根据物体表面发线和视线方向计算Cup Maps的采样矢量；
I)将Cup Maps的采样结果和PBR光照模型相加，产生全局的光照效果。
进一步的，所述的主场景模块设有俯视场景模式、平视场景模式、迷你场景模式；所述的主场景模块还包括：
变电站实景再现子模块，用于直观再现变电站的建筑、主控室、开关室及环境场景，直观显示电气一次部分以及电气部分的实际连接，直观显示开关柜的位置、外观，直观显示安防设备的现场安装位置，包括视频摄像机、电子围栏设备；且房屋顶部可自动去掉，以透视房屋内部，查看内部设备；当选择主控楼时，场景显示楼层，可分层查看内部布局；当选择主控楼中的屏柜时，屏柜可单独显示，并能对应拖动、翻转；选择所需查看的电气设备模型时场景视图能自动拉近到该电气设备模型；
数据及结构展示子模块，三维场景中的设备为可沉浸式，当鼠标靠近电气设备，可显示该设备的名称以及该设备的实时数据；选中设备模型时，弹出数据查看窗口，可分类查看详细的数据，包含告警数据、监控数据、视频数据、在线监测数据、红外图谱、设备参数、表计数据；并可观看主变设备的结构展示视频。
进一步的，实时告警模块：每个设备模型通过实时采集来的数据，判断设备工作状态是否正常，当设备出现异常时，三维场景会自动将该设备渲染成告警模式并快速定位，提示操作人员及时排除故障；所有的图像、安防、消防、周界、门禁、温湿度、各种传感设备、三维一次电气设备及其附件的各种属性、数据、动作、变化规律，均作为组合告警条件，进行组合告警触发；并展示机器人巡检产生的告警数据，包括：超温告警，压力表读数过低告警。
进一步的，还包括机器人管控模块，其在三维场景中以模型的方式展示机器人，并能获取机器人的位置、姿态、本体数据、机器人巡检数据，可控制、设定机器人在站内常规巡检任务和特巡任务；在三维场景中展示机器人的可见光和热红外图像，鼠标靠近图像面板，图像面板显示操作面板，可实现全屏或非全屏两种模式查看实时图像数据，云台复位，可见光和热红外同步拍照，历史图像查看，重新加载功能；双击机器人，可获取机器人信息，包括电量、温度、轮速、风速、站内服务器连接状况、机器人连接状况、任务状态，实时监测机器人的状态；
机器人管控模块包括巡检任务子模块、视野跟随子模块、功能键模块，巡检任务子模块设巡检任务，巡检任务包括：巡检任务名称和巡检任务中的设备点，机器人根据预置的巡检任务自动巡检，选择机器人控制面板，弹出巡检任务面板，可预览和启动巡检任务；选择巡检任务面板列表中某一任务，则实现三维巡检路径展示。
进一步的，检修推演模块包括测量子模块、推演子模块、安措子模块；测量子模块设有3种模式，分别为手动测距、测对地高度的对地测距、采用三点角度测量法的角度测距；
推演子模块，设车辆库，当选择车辆库时，展示当前系统拥有的所有车辆，包括登高车、吊车、运载卡车，在场景中可加载车辆，并选择调整加载车辆的参数，调整好后，进行自动检测，确定电车是否在安全范围内工作，并通过标识区分设备拆解类型，设备拆解包含对设备的定点移动、拆解、装配；选择标识实现对应的设备操作；对已拆解设备的装配，系统中移拆解设备的装配根据推演功能面板的设备库进行装配，进行个性装配或标准装配。
有益效果：
1、本技术方案利用虚拟现实技术对变电站内的实际场景，电气设备工况、操作模拟实时状态真实再现。可以无缝接入不同的电力在线监测或应用系统，常见诸如SCADA系统、智能机器人系统、在线测温系统、巡视系统、视频图像系统、PMS系统、OMS系统、门禁系统、周界防范系统、安防系统、环境监测系统，以及电力其他在线监测或应用系统。
2、本技术方案相对于传统的三维模型加载及播放技术，采用静帧技术，能够大大节省渲染模型的耗时，能很大程度上解决模型加载及播放的卡顿现象。在此基础上的，变电站三维实景平台，将能够清晰加载，展示变电站内所有精细化模型设备，能够流畅三维实时渲染模型状态、场景状态。保证三维监控场景的可靠运行和流畅加载。
3、相比于传统基于Lambert以及Phong模型的渲染管线，PBR采用更加真实的材质模型，能够更好地表现物体表面不同粗糙度带来的不同反射效果，从而能够更贴近真实地模拟各种不同的材质。采用PBR的材质能更好地模拟金属、非金属以及不同粗糙度等材质对光的反射效果。美术人员可以只通过很少的参数，就能到达非常真实的表面效果。
附图说明
图1是Cup Maps的采样矢量图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
三维实景智能一体化安全防控应用系统，包括：
主场景模块：用于实景再现，且在场景俯视或平视模式下执行完各种操作后，能快速回到场景默认起始原点；所述的主场景模块包括图像渲染子模块，在引擎加载三维模型时，为每一个三维模型指示其属性，分别为参与静帧或不参与静帧，针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧；
实时告警模块：用于展示告警信息；
主接线图显示模块：用于显示变电站电气设备一次接线图，当在接线图中双击所需查看的设备节点时，场景中快速定位到该设备模型；
数据分析模块：获取设备的电量信息，并对设备间数据进行对比分析；
检修推演模块：用于自动检测，确定是否在安全范围内工作；
安措模式：用于在场景中添加标识牌和围栏，显示当前作业情况及安全、禁止区域；
人员管控模块：用于实时查看佩戴智能头盔的人员位置信息、历史轨迹查询；
智能发布模块：用于发布总体概况、设备情况、工作情况数据；
系统工具模块：包括快捷展示子模块、模型预置设置子模块、系统配置子模块、区域配置子模块；所述的快捷展示子模块用于显示或隐藏场景中摄像头，所述的模型预置设置子模块用于预先设置摄像机与设备间的位置关系，所述的系统配置子模块用于设置系统阴影效果和场景品质；所述的区域配置子模块用于不同KV区域范围在场景中的界定。
采用静帧技术后，针对大量的静态模型将不必进行每帧渲染，则将大量的静态模型的渲染耗时节省下来。静帧后的每帧只需要渲染少量动态模型，以实现良好的画面展示效果，并保障画面加载的实时性和可靠性。针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧，而不影响整体模型显示的实时性，及展示效果，并保证加载的画面不变形，流畅稳定，具有可靠的清晰度。
本技术方案利用虚拟现实技术对变电站内的实际场景，电气设备工况、操作模拟实时状态真实再现。可以无缝接入不同的电力在线监测或应用系统，常见诸如SCADA系统、智能机器人系统、在线测温系统、巡视系统、视频图像系统、PMS系统、OMS系统、门禁系统、周界防范系统、安防系统、环境监测系统，以及电力其他在线监测或应用系统。
本技术方案在俯视场景模式或平视场景模式下，用户可通过键盘以及鼠标操作对场景进行直观、全面的浏览，对设备进行高效、快速的管理。具体包含以下功能：
直观感受场景：用户可预览场景全貌，并且可通过鼠标及键盘，对场景视图进行放大、缩小、旋转等操作。
快速定位区域和设备：在场景任何区域双击鼠标，场景视图会自动切换到该区域，在该区域内双击某个设备，则该设备被选中。
快速查看设备属性：点击电气设备上的标识，可以查看该设备的属性；系统默认以快捷展示的方式显示场景的摄像机，鼠标靠近摄像机标识，加载该摄像机的实时图像。
进一步的，所述的主场景模块设有俯视场景模式、平视场景模式、迷你场景模式；所述的主场景模块还包括：
变电站实景再现子模块，用于直观再现变电站的建筑、主控室、开关室及环境场景，直观显示电气一次部分以及电气部分的实际连接，直观显示开关柜的位置、外观，直观显示安防设备的现场安装位置，包括视频摄像机、电子围栏设备；且房屋顶部可自动去掉，以透视房屋内部，查看内部设备；当选择主控楼时，场景显示楼层，可分层查看内部布局；当选择主控楼中的屏柜时，屏柜可单独显示，并能对应拖动、翻转；选择所需查看的电气设备模型时场景视图能自动拉近到该电气设备模型；
数据及结构展示子模块，三维场景中的设备为可沉浸式，当鼠标靠近电气设备，可显示该设备的名称以及该设备的实时数据；选中设备模型时，弹出数据查看窗口，可分类查看详细的数据，包含告警数据、监控数据、视频数据、在线监测数据、红外图谱、设备参数、表计数据；并可观看主变设备的结构展示视频。
进一步的，实时告警模块：每个设备模型通过实时采集来的数据，判断设备工作状态是否正常，当设备出现异常时，三维场景会自动将该设备渲染成告警模式并快速定位，提示操作人员及时排除故障；所有的图像、安防、消防、周界、门禁、温湿度、各种传感设备、三维一次电气设备及其附件的各种属性、数据、动作、变化规律，均作为组合告警条件，进行组合告警触发；并展示机器人巡检产生的告警数据，包括：超温告警，压力表读数过低告警。
进一步的，还包括机器人管控模块，其在三维场景中以模型的方式展示机器人，并能获取机器人的位置、姿态、本体数据、机器人巡检数据，可控制、设定机器人在站内常规巡检任务和特巡任务；在三维场景中展示机器人的可见光和热红外图像，鼠标靠近图像面板，图像面板显示操作面板，可实现全屏或非全屏两种模式查看实时图像数据，云台复位，可见光和热红外同步拍照，历史图像查看，重新加载功能；双击机器人，可获取机器人信息，包括电量、温度、轮速、风速、站内服务器连接状况、机器人连接状况、任务状态，实时监测机器人的状态；
机器人管控模块包括巡检任务子模块、视野跟随子模块、功能键模块，巡检任务子模块设巡检任务，巡检任务包括：巡检任务名称和巡检任务中的设备点，机器人根据预置的巡检任务自动巡检，选择机器人控制面板，弹出巡检任务面板，可预览和启动巡检任务；选择巡检任务面板列表中某一任务，则实现三维巡检路径展示。
进一步的，检修推演模块包括测量子模块、推演子模块、安措子模块；测量子模块设有3种模式，分别为手动测距、测对地高度的对地测距、采用三点角度测量法的角度测距；
推演子模块，设车辆库，当选择车辆库时，展示当前系统拥有的所有车辆，包括登高车、吊车、运载卡车，在场景中可加载车辆，并选择调整加载车辆的参数，调整好后，进行自动检测，确定电车是否在安全范围内工作，并通过标识区分设备拆解类型，设备拆解包含对设备的定点移动、拆解、装配；选择标识实现对应的设备操作；对已拆解设备的装配，系统中移拆解设备的装配根据推演功能面板的设备库进行装配，进行个性装配或标准装配。
本技术方案在模型加载及视频流传输及播放过程中，采用静帧技术来保障对三维模型的实时加载，保证渲染效果的可靠呈现。
底层技术具体实施方案如下：
在引擎加载三维模型时，为每一个三维模型指示其属性，分别为参与静帧或不参与静帧。代码实施层面，引入FBO对象，所谓FBO，即Frame Buffer Object，其中包含模型的颜色信息，深度信息的帧缓冲。可将模型的渲染层进行分离，以下是技术实施的细节流程。
(1)当不使用静帧时，
渲染的模型不区分静态与动态，统一将全部内容赋予FBO对象，进行输出。
(2)开启静帧后的第一帧，渲染流程更改为：
当指定三维模型是否参与静帧，且开启静帧后，则渲染的模型分为静态与动态模型，第一帧即将静态模型渲染至静态FBO中，之后拷贝静态FBO到带输出FBO中，最后再将渲染的动态模型赋予带输出的FBO中，则整合静态和动态模型，进行整体输出。
(3)开启静帧后的后续帧，渲染流程为：
静帧开启后，第一帧已经把静态模型导入到静态FBO中，则在后续帧中，不必重复导入，可直接调用之前导入的静态帧，每次只要执行静态FBO拷贝到输出FBO，再将实时渲染的动态模型拷贝到FBO中，整合输出即可。
按如上流程，采用静帧技术后，针对大量的静态模型将不必进行每帧渲染，则将大量的静态模型的渲染耗时节省下来。静帧后的每帧只需要渲染少量动态模型，以实现良好的画面展示效果，并保障画面加载的实时性和可靠性。
本技术方案采用静帧来解决以上问题，所谓静帧是指视频流中连续播放的静止画面，就是人们常说的定格画面。针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧，而不影响整体模型显示的实时性，及展示效果，并保证加载的画面不变形，流畅稳定，具有可靠的清晰度。
所述的主场景模块还包括室内渲染子模块；所述的室内渲染子模块包括基于微面模型的Physically-Based Rendering(PBR)和基于Cube Maps的Image based Lighting；Physically-Based Rendering用于室内的局部光照渲染；Image based Lighting用于全局光照渲染。
室内渲染子模块包括以下步骤实现室内光照：
A)计算PBR中diffuse分量，采用Lambert漫反射光照模型；
B)计算PBR中specular分量的菲涅尔系数F；
C)计算PBR中specular分量的微表面分布函数D；
D)计算PBR中specular分量的阴影系数G；
F)依据步骤①-④，计算PBR光照模型；
G)预渲染多个点的Cup Maps，供IBL调用；
H)根据物体表面发线和视线方向计算Cup Maps的采样矢量；
I)将Cup Maps的采样结果和PBR光照模型相加，产生全局的光照效果。
相比于传统基于Lambert以及Phong模型的渲染管线，PBR采用更加真实的材质模型，能够更好地表现物体表面不同粗糙度带来的不同反射效果，从而能够更贴近真实地模拟各种不同的材质。采用PBR的材质能更好地模拟金属、非金属以及不同粗糙度等材质对光的反射效果。美术人员可以只通过很少的参数，就能到达非常真实的表面效果。
PBR模型采用了微表面模型的通用形式，该通用形式最早出现在Cook-Torrance模型中：
其中，向量l和v分别表示入射光和视线方向，向量h表示l和v之间的中间向量，它们与法线方向的夹角分别用对应下标的θ表示，θd表示l和v之间夹角的一半。diffuse表示漫反射函数，D表示微表面分布函数，F表示菲涅尔系数，G表示阴影系数。文章中模型的diffuse函数是：
其中，roughness表示粗糙度。对于微表面分布函数D，目前最好的分布函数是著名的GGX函数。但是，迪士尼采用了比GGX更为通用的形式GTR(Generalized-Trowbridge-Reitz)：
DGTR＝c/(α2cos2θh+sin2θh)γ
它与GGX的区别在于，GGX为上式中γ＝2时的结果。文章作者采用了两个不同的GTR函数来拟合高光项，分别采用γ＝1和γ＝2。α的取值为roughness的平方，c为一个常数用于调节整体缩放。对于菲涅尔项F，文章采用了Schlick的公式：
FSchlick＝F0+(1-F0)(1-cosθd)5
其中，F0为一个常量，其值取决于材质的透射系数。对于阴影系数G，文章作者采用了Walter在其论文中根据GGX推导的G公式，并将公式中的roughness从[0,1]缩放到[0.5,1]范围。做这个缩放的原因是，根据与实际测量的数据对比以及美术设计者的反馈，高光在roughness值较小时显得过于亮。虽然这个缩放的过程使得模型不再物理准确，但是它符合了美术设计者的需求。
Screen Space Refecltion
室内物体，会反射出周围环境的影像，或者说受到周围物体二次光照照射，即受到全局光照的侵染。该技术目前主要有两类：一类是Screen Space Refecltion，一类是Imagebased Lighting。
Screen Space Refecltion是在屏幕空间中模拟离线渲染中常用的Ray Tracing算法。虽然把Ray Tracing挪到的了屏幕空间，降低了消耗，但仍然性能不够理想，而且，对屏幕外的物体不能实现反射。这里我们采用Image based Lighting技术
Image based Lighting
Cube Maps通常用于创建无限远的环境的反射。但通过在着色器中施加稍许数学技巧，也可以物体置于特定大小和位置的局部环境中，提供更高质量的基于图片的光照(Image based Lighting)。
Cub-mapped反射已经是实时渲染的标准部分。然而，这种这类反射依赖于这个事实，来自cub map的反射看起来总是似乎来自无限远处。这限制了cub maps对小而封闭的环境(如室内)的应用。除非我们接受当某个模型有位移时、实时产生cub maps的消耗。
当模型在一个封闭环境中移动时，根据模型在环境中的位置，反射量在cub map中的采样位置会由B变为A，见图1。
本系统的功能菜单如下表所示：
各功能模块的具体实施方式可为：
1主场景
进入系统主界面，选择俯视场景模式或平视场景模式，浏览变电站迷你场景。
1.1变电站实景再现
直观再现变电站的建筑、主控室、开关室及环境场景；
直观显示电气一次部分以及电气部分的实际连接；
直观显示开关柜的位置、外观；
直观显示安防设备的现场安装位置，如视频摄像机、电子围栏等设备；
双击房屋，房屋顶部自动去掉，可透视房屋内部，查看内部设备；
双击主控楼，场景右上角会显示楼层，可分层查看内部布局；
双击主控楼中的屏柜，屏柜可单独显示，单击鼠标左键上下拖动，屏柜上下翻转，单击鼠标右键，左右拖动，屏柜左右旋转；
双击所需查看的电气设备模型，场景视图会自动拉近到该电气设备模型；
1.2数据及结构展示
三维场景中的设备为可沉浸式，鼠标靠近电气设备，可显示该设备的名称以及该设备的实时Scada数据；双击设备模型，弹出数据查看窗口，可分类查看详细的数据，包含告警数据、监控数据、视频数据、在线监测数据、红外图谱、设备参数、表计数据；还可观看主变等设备的结构展示视频。
2实时告警
三维场景中，每个设备模型可以通过实时采集来的数据，智能判断设备工作状态是否正常。当设备出现异常时，三维场景会自动将该设备渲染成告警模式并快速定位，提示操作人员及时排除故障。所有的图像、安防、消防、周界、门禁、温湿度、各种传感设备、三维一次电气设备及其附件的各种属性、数据、动作、变化规律，均可以作为组合告警条件，进行组合告警触发。机器人巡检产生的告警数据也在此处进行展示，包括：超温告警，压力表读数过低等。(主场景右上角的告警提示为该功能的快捷方式)
3主接线图
三维实景智能一体化平台场景复杂，找到特定设备有一定难度，可以通过平面一次接线图快速精准定位到需要查看的设备位置。
点击功能>主接线图，双击一次接线图上需要查看信息的设备，场景可快速定位到该设备。右键单击一次接线图上的设备标识，左键单击定位模型按钮，可对设备定位；右键单击展示数据按钮，可在面板中实现实时数据的展示。
在接线图中可以切换变电站不同千伏区域的主接线图。
4月度评价
点击功能>月度评价>评价结果，点选需要月度评价的设备，选择开始自动评价；可保存月度分析结果并以EXCEL形式导出，评价结果在状态评价结果中查看。
在功能>月度评价>评价设置中，设置自动评价的采样时间，报表周期，周期起始日期以及报表类型(Scada报表、机器人报表)，点击保存设置。
5数据分析
对电器数据统计并分析，根据日期、数据类型、规则来统计数据，并在面板上分页显示，同时可以保存成excel表格，电气数据分析就是数据的对比，选择不同的设备，设备属性，生成折线图来对比。
6机器人管控
点击功能>机器人管控，在三维场景中以模型的方式展示机器人，可获取机器人的位置、姿态、本体数据、机器人巡检数据，可控制、设定机器人在站内常规巡检任务和特巡任务。
场景右侧展示机器人的可见光和热红外图像。鼠标靠近图像面板，图像面板左侧显示操作面板，可实现全屏或非全屏两种模式查看实时图像数据，云台复位，可见光和热红外同步拍照，历史图像查看，重新加载功能。
双击机器人，可获取机器人信息，包括电量、温度、轮速、风速、站内服务器连接状况、机器人连接状况、任务状态，实时监测机器人的状态。
6.1巡检任务
巡检任务包含：巡检任务名称和巡检任务中的设备点，机器人根据预置的巡检任务自动巡检。单击机器人控制面板，弹出巡检任务面板，可预览和启动巡检任务；单击巡检任务面板列表中某一任务，可实现三维巡检路径展示。
6.2视野跟随
点击机器人控制面板，场景左侧会弹出跟随视野和侧边视野窗口，鼠标左键双击任意一个窗口可切换当前视野，例如在默认场景俯视视野下，双击左侧跟随视野，则场景中变为跟随视野，左侧窗口变为俯视视野。再次单击，退出多视野模式。
6.3功能键
平台要控制机器人就要首先获取控制权限，获取机器人控制权限。结束当前巡检任务。机器人返回充电房中。对视野模式和云台模式进行切换，对机器人云台操作的前提要在主场景为跟随视野或侧边视野情况下，切换到云台模式之后，按住鼠标左键不放，向上拖动鼠标，云台向上移动，向下拖动鼠标云台向下移动；按住鼠标右键不放，向左拖动鼠标，云台向左旋转，向右拖动鼠标，云台向右旋转。云台自动返回初始预置位。
7检修推演
点击功能>检修推演，进入子功能菜单，在测量、推演、安措的功能项下都可对操作过程录屏、截图、回放、保存、加载。
7.1测量
测量一共有3种模式，手动测距、对地测距(测对地高度)、角度测距(三点角度测量法)。点击手动测距左侧的三角符号，弹出模式选择框。
手动测距，测量场景内任意两点间的距离；对地测距，测量所选择的点对地面的高度；角度测距就是测量选择的三个点间形成的角度。结束测量后，会自动弹出测量列表面板，在面板中查看各种测量结果。
7.2推演
点击车辆库，展示当前系统拥有的所有车辆，目前有登高车、吊车、运载卡车三种类型，在场景中加载车辆的步骤，首先点击车辆选择面板中的一款车，再在需要放置的位置单击，吊车就被安置在所要摆放的位置。吊车安放好后，单击吊车，会弹出吊车控制面板，可以调整吊车方向、位置，吊臂方向、长短等，调整好后，可以进行自动检测，确定电车是否在安全范围内工作。
在场景中可以看到设定标识，代表设备可拆解，但前提条件是场景中有吊车，设备拆解包含对设备的定点移动、拆解、装配三部分。点击拆解标识，会弹出提示框，点击确定，即可对设备定点移动，在移动过程中一旦点击其他标识，则默认退出定点移动模式。使用吊车起吊设备时，在吊车操作面板将吊钩移动到起吊区域内再次点击起吊，物体将被吊起，同时模型下方会出现实时阴影，阴影为红色代表不可放，绿色可放，物体放下后阴影消失。
对已拆解设备的装配，系统中移拆解设备的装配根据推演功能面板的设备库来做，选中单个模型进行单个模型装配，此时需要考虑装配顺序。点击整个设备名称进行整个设备装配，无需考虑装配顺序。
7.3安措
点击安措中的布置，弹出按错模型面板，点击面板右侧的模型库弹出模型库窗口，选择任意一个模型，再点击场景，即可将模型添加到场景中。
点击安措导入，通过时间筛选安措方案，选择相应方案后点击导入即将安措方案导入到场景中。
8安措模式
安措模块对于变电站中正在实施的工作起到安全警示作用，可新建新的方案，删除已结束的方案，对于每一个已有安措方案可定义编辑方案名称，时间范围，可保存、导出、查看。
在主场景下，选择方案列表中其中一个方案，鼠标左键单击，该方案下所有场景中的标识(警示牌、围栏、布幔、吊车位置)都会显示出来。
定位场景中的安措标识有两种方式：1、双击黄圈中的一个标识，即可定位到该处，查看具体信息；2、点击安措方案中每个名称前的序号，可定位该标识。
8.1基本信息
面板右侧弹出添加项，方案名称默认状态是未命名，单击文本框，输入新增方案的名称。
开始时间是指新建方案的开始执行时间，结束时间是该方案预计结束的时间。会弹出日历，选择年月日，定义时分秒，日历选择按钮的说明：日历按钮是对时间进行管理，为增加一年或一月，为减少一年或一个月，通过鼠标左击可以选择天数，最下边一行是对时，分，秒进行管理，增加或减少时间，再次日历会消失。
8.2添加模型
添加安措模型同7.3，单击所选择的模型，在场景中想要添加模型的位置再一次单击鼠标，即可安放安措模型，与此同时弹出模型调整面板，通过调节面板里的参数，可以改变场景中安措模型的位置；
模型校准面板主要对模型做三种操作：平移、旋转、缩放，由于三种操作使用方法相似，以平移为例介绍使用方法。
平移是指安措模型在场景中X,Y,Z轴方向的移动，点击X，Y或Z文本区域左右拖动，向左数值减小，向右数值增加，或者点击向上按钮数值增加，点击向下按钮数值减少。
选择红色X轴方向进行平移，是当前场景模型以X轴进行位移；
选择绿色Y轴方向进行平移，是当前场景模型以Y轴进行位移；
选择蓝色Z轴方向进行平移，是当前场景模型以Z轴进行位移；
模型添加好后，在面板上会有添加模型的记录，文本框默认情况是未命名，根据添加的模型进行命名，点击保存，保存成功会有提示。
每一个方案均可导出、查看，点击面板上的，导出成功会有“导出成功”的提示，再自动弹出存放方案的文件夹，每个方案的文件夹中都有excel文档和放置了标识牌位置的截图。
9人员管控
人员管控功能指变电站工作人员穿戴我公司开发的智能可穿戴设备，即可对在变电站中的工作人员、视察人员等的位置进行实时定位，掌控人员信息，回放人员运动轨迹等一系列功能。
鼠标靠近现场人员，会出现下方三个控键，关联人员、解绑、是否显示头像。点击关联人员弹出面板，可在面板中添加、删除人员。
9.1视野跟随
在进入人员管控模式下，默认现场人员出现在场景中，现场人员的界面就会关闭
9.2轨迹回放
弹出人员轨迹回放面板，左侧为轨迹列表，右侧轨迹详情，轨迹可根据上方的时间控件进行筛选，点击高级搜索，可以根据姓名，移动站编号，任务名称，告警状态搜索轨迹。
9.3信息配置
弹出人员管控信息配置面板，可进行四项信息配置，人员信息初始化配置、设备信息配置、告警规则配置、固件升级。
人员信息配置：
1、增加人员组：选择人员列表，点击新增，新建一个组，双击组名则可以重命名组名，回车确定。
2、增加人员：可在左侧选择需要添加的组，或在右侧列表中选择，输入姓名等信息，点击保存，保存成功后，左侧树型节点会自动刷新。
3、删除人员组需要先删除组下所有人员。
4、如需删除与设备绑定的人员，则需要先在人员设备关联中解除与设备的关联。
设备信息配置：
1、新增、修改或删除设备信息的界面；输入相应的参数后点击保存。
2、在左侧列表选择需要修改，查看或删除信息的设备，会在右侧显示相应的参数信息，填写需要修改的信息，点击保存。
3、如需删除与人员绑定的设备，则需要先在人员设备关联中解除与人员的关联。
告警规则设置：
告警规则根据所配置条件而产生告警的配置面板，更变相应的参数点击保存使其生效。
固件升级：
1、经过一段时间的使用，设备固件有可能会需要升级，此时点击固件升级中的检测，会检测是否有需要升级的设备。
2、如有设备需要升级，则会显示有几台设备需要升级，此时可以点击立即升级或空闲时升级。
3、点击立即升级会立即下载固件并显示升级进度。如果设备正在使用中，则可以点击空闲时升级则会发送给设备，使得设备在空闲时下载固件并自动升级。
4、升级完成后，设备会自动重启。
10智能发布
点击功能>智能发布>智能发布，可对总体概况，设备情况，工作情况进行智能汇报，以PPT或EXCEL形式总体概况；设备情况以浏览的形式展示，每次都会自动搜索设备，弹框显示该设备数据，手动关闭数据窗口后，自动搜索下一设备；工作情况汇报则是展示不同千伏区域的工作状态。
点击功能>智能发布>智能发布配置，ppt配置中可根据操作系统选择上传的文件格式，设备配置中可添加和删除需要汇报的设备，设备/区域状态配置中可根据当时工作状况，添加和删除kV区域的工作状态。
点击功能>智能发布>kV区域配置，可对当前已设定的千伏区域做添加、删除、清空操作。
三维实景智能一体化安全防控应用系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (8)

1.三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于包括：
主场景模块：用于实景再现，且在场景俯视或平视模式下执行完各种操作后，能快速回到场景默认起始原点；所述的主场景模块包括图像渲染子模块，在引擎加载三维模型时，为每一个三维模型指示其属性，分别为参与静帧或不参与静帧，针对精细化建模的三维模型，对其渲染效果实现静帧，在三维引擎的相机不运动时，对渲染的画面实现静帧；
实时告警模块：用于展示告警信息；
主接线图显示模块：用于显示变电站电气设备一次接线图，当在接线图中双击所需查看的设备节点时，场景中快速定位到该设备模型；
数据分析模块：获取设备的电量信息，并对设备间数据进行对比分析；
检修推演模块：用于自动检测，确定是否在安全范围内工作；
安措模式：用于在场景中添加标识牌和围栏，显示当前作业情况及安全、禁止区域；
人员管控模块：用于实时查看佩戴智能头盔的人员位置信息、历史轨迹查询；
智能发布模块：用于发布总体概况、设备情况、工作情况数据；
系统工具模块：包括快捷展示子模块、模型预置设置子模块、系统配置子模块、区域配置子模块；所述的快捷展示子模块用于显示或隐藏场景中摄像头，所述的模型预置设置子模块用于预先设置摄像机与设备间的位置关系，所述的系统配置子模块用于设置系统阴影效果和场景品质；所述的区域配置子模块用于不同KV区域范围在场景中的界定。
2.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：图像渲染子模块引入FBO对象，其中包含模型的颜色信息，深度信息的帧缓冲，将模型的渲染层进行分离，其包括以下步骤：
1)当不使用静帧时，渲染模型到输出FBO；渲染的模型不区分静态与动态，统一将全部内容赋予FBO对象，进行输出；
2)开启静帧后的第一帧，渲染流程更改为：当指定三维模型是否参与静帧，且开启静帧后，则渲染的模型分为静态与动态模型，第一帧即将静态模型渲染至静态FBO中，之后拷贝静态FBO到带输出FBO中，最后再将渲染的动态模型赋予带输出的FBO中，则整合静态和动态模型，进行整体输出；
3)开启静帧后的后续帧，渲染流程为：静帧开启后，第一帧已经把静态模型导入到静态FBO中，则在后续帧中，不必重复导入，可直接调用之前导入的静态帧，每次只要执行静态FBO拷贝到输出FBO，再将实时渲染的动态模型拷贝到FBO中，整合输出即可。
3.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：所述的主场景模块还包括室内渲染子模块；所述的室内渲染子模块包括基于微面模型的Physically-Based Rendering(PBR)和基于Cube Maps的Image based Lighting；Physically-Based Rendering用于室内的局部光照渲染；Image based Lighting用于全局光照渲染。
4.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：室内渲染子模块包括以下步骤实现室内光照：
A)计算PBR中diffuse分量，采用Lambert漫反射光照模型；
B)计算PBR中specular分量的菲涅尔系数F；
C)计算PBR中specular分量的微表面分布函数D；
D)计算PBR中specular分量的阴影系数G；
F)依据步骤①-④，计算PBR光照模型；
G)预渲染多个点的Cup Maps，供IBL调用；
H)根据物体表面发线和视线方向计算Cup Maps的采样矢量；
I)将Cup Maps的采样结果和PBR光照模型相加，产生全局的光照效果。
5.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：所述的主场景模块设有俯视场景模式、平视场景模式、迷你场景模式；所述的主场景模块还包括：
变电站实景再现子模块，用于直观再现变电站的建筑、主控室、开关室及环境场景，直观显示电气一次部分以及电气部分的实际连接，直观显示开关柜的位置、外观，直观显示安防设备的现场安装位置，包括视频摄像机、电子围栏设备；且房屋顶部可自动去掉，以透视房屋内部，查看内部设备；当选择主控楼时，场景显示楼层，可分层查看内部布局；当选择主控楼中的屏柜时，屏柜可单独显示，并能对应拖动、翻转；选择所需查看的电气设备模型时场景视图能自动拉近到该电气设备模型；
数据及结构展示子模块，三维场景中的设备为可沉浸式，当鼠标靠近电气设备，可显示该设备的名称以及该设备的实时数据；选中设备模型时，弹出数据查看窗口，可分类查看详细的数据，包含告警数据、监控数据、视频数据、在线监测数据、红外图谱、设备参数、表计数据；并可观看主变设备的结构展示视频。
6.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：实时告警模块：每个设备模型通过实时采集来的数据，判断设备工作状态是否正常，当设备出现异常时，三维场景会自动将该设备渲染成告警模式并快速定位，提示操作人员及时排除故障；所有的图像、安防、消防、周界、门禁、温湿度、各种传感设备、三维一次电气设备及其附件的各种属性、数据、动作、变化规律，均作为组合告警条件，进行组合告警触发；并展示机器人巡检产生的告警数据，包括：超温告警，压力表读数过低告警。
7.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：还包括机器人管控模块，其在三维场景中以模型的方式展示机器人，并能获取机器人的位置、姿态、本体数据、机器人巡检数据，可控制、设定机器人在站内常规巡检任务和特巡任务；在三维场景中展示机器人的可见光和热红外图像，鼠标靠近图像面板，图像面板显示操作面板，可实现全屏或非全屏两种模式查看实时图像数据，云台复位，可见光和热红外同步拍照，历史图像查看，重新加载功能；双击机器人，可获取机器人信息，包括电量、温度、轮速、风速、站内服务器连接状况、机器人连接状况、任务状态，实时监测机器人的状态；
机器人管控模块包括巡检任务子模块、视野跟随子模块、功能键模块，巡检任务子模块设巡检任务，巡检任务包括：巡检任务名称和巡检任务中的设备点，机器人根据预置的巡检任务自动巡检，选择机器人控制面板，弹出巡检任务面板，可预览和启动巡检任务；选择巡检任务面板列表中某一任务，则实现三维巡检路径展示。
8.根据权利要求1所述的三维实景智能一体化安全防控应用系统，其特征在于：检修推演模块包括测量子模块、推演子模块、安措子模块；测量子模块设有3种模式，分别为手动测距、测对地高度的对地测距、采用三点角度测量法的角度测距；
推演子模块，设车辆库，当选择车辆库时，展示当前系统拥有的所有车辆，包括登高车、吊车、运载卡车，在场景中可加载车辆，并选择调整加载车辆的参数，调整好后，进行自动检测，确定电车是否在安全范围内工作，并通过标识区分设备拆解类型，设备拆解包含对设备的定点移动、拆解、装配；选择标识实现对应的设备操作；对已拆解设备的装配，系统中移拆解设备的装配根据推演功能面板的设备库进行装配，进行个性装配或标准装配。
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