CN115291776B - 一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法，将智能电表箱及其功能虚拟化，用户利用手机、电脑、电视等终端通过虚拟现实技术实现虚拟交互，可以完成实体智能电表箱的必要功能，其部署难度大大低于实体智能电表箱设备，且适用性更强。通过软件提供统一的数据接口，可以接入不同类型的实体智能电表箱设备，为不同地区用户提供一致性的服务界面，提升用户体验，降低服务成本。采用实体安全验证与虚拟安全验证相结合的方法，提高智能电表箱访问的安全性。

Description

一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法

技术领域

本发明属于智能化的电力设备领域，特别的涉及一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法。

背景技术

电表箱是用户用电的重要组成部分，是距离用户最近的“电介质”,作为泛在电力物联网感知层的一部分，智能化符合发展趋势。智能电表箱除了具备普通电表箱的计量、用电安全保护等基本功能外，还具有信息发布、信息查询、欠费提醒、故障监测、环境感知等业务管理和用户服务功能，有助于提升现场管理能力，降低企业运行成本，提升客户满意度。

伴随着智能电表箱的研制和普及，设备的统一性将成为待解决的重要问题。电网设备的部署是一个长期的过程，设备竞标厂家多，功能也将持续升级，因此随着时间的推移，不同期、不同地部署的设备必然出现碎片化，为管理带来挑战。另一方面，存在某些不具备改造智能电表箱条件的小区，相关用户将享受不到服务升级带来的优越性，差异化的服务水平不利于电力企业形象。而且对于已经安装了智能电表箱的用户，对于电表箱的操作已经熟悉，贸然替换为其它界面会带来用户体验的下降。如何让用户体验维持一致，也是亟待解决的问题。

最后，电表智能化在提供便利的同时也为安全管理带来挑战，由于智能电表箱提供一些操纵和敏感信息的查询功能，因此有必要对智能电表箱的访问实施安全控制，而实体表箱较难避免物理上的非法访问，且面临被盗或破坏的风险。目前常用的身份验证方法很难兼顾安全性和算法的简便性。过于复杂的验证会给用户带来较差体验，而降低验证又会带来安全隐患，而且复杂的算法会带来设备成本上的提高。目前还未有人提出专门适用于智能电表箱的能够兼顾安全性和便捷性的算法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法，将智能电表箱及其功能虚拟化，用户利用手机、电脑、电视等终端通过虚拟现实技术实现虚拟交互，可以完成实体智能电表箱的必要功能，其部署难度大大低于实体智能电表箱设备，且适用性更强。通过软件提供统一的数据接口，可以接入不同类型的实体智能电表箱设备，为不同地区用户提供一致性的服务界面，提升用户体验，降低服务成本。采用实体安全验证与虚拟安全验证相结合的方法，提高智能电表箱访问的安全性。

一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法，

(一)建立智能电表箱在虚拟场景下的数据模型

在虚拟场景下建立虚拟智能电表箱的数据模型，根据数据模型与外部对象进行交互；其中数据包括实时运营数据、统计数据、标识数据、展示数据，及虚拟输入数据；

(二)在虚拟场景中生成虚拟智能电表箱实例

在虚拟场景中生成具有唯一标识的虚拟智能电表箱实例，并根据标识数据将实时运营数据、统计数据、展示数据及虚拟输入数据归类，当实例与用户交互时传递正确的数据；根据实体电表箱的外观生成仿真的虚拟智能电表箱外观，并在虚拟场景中展示；

拍摄实体电表箱的正面图像用于生成电表箱的轮廓；将所拍摄的RGB图像转换为YUV图像：

对Y通道进行如下处理：

其中，

式中，x,y表示图像像素在图像中的位置坐标；

Φ_x,y＝p_x,y*Gradient_x,y…(5)

Gradient_x,y表示梯度图在位置x,y的值，p_x,y表示x,y位置处像素是实体电表箱一部分的概率；

其中

为经验阈值，设图像像素值取值范围为0-1，则优选/>

集合Φ⁺所对应的像素即为图像中电表箱；去除原图像中Φ⁺以外的像素，则获得了图像中实体电表箱的部分，可以作为生成虚拟智能电表箱外观的参考；

(三)虚拟场景中虚拟智能电表箱实例的用户访问验证

根据用户访问权限范围、虚拟智能电表箱实例所在位置和用户所在位置验证判别用户是否可以访问虚拟智能电表箱实例，验证通过后，用户可通过虚拟场景查看虚拟智能电表箱实例数据，并通过虚拟输入数据进行控制。

所述实时运营数据，指通过智能电表箱或与其相连的外部终端实时采集到的现场运营数据。

所述统计数据，指在实时运营数据基础上按周期形成的加工数据。

所述标识数据，指对智能电表箱自身及其用户做出的身份标识，实现智能电表箱在虚拟场景下的定位和访问控制。

所述展示数据，指将前述三类数据向用户展示的形象化数据。

所述虚拟输入数据，指在虚拟场景下用户通过虚拟输入装置发起的操作指令或数据。

生成虚拟智能电表箱实例包括：对于一台实体智能电表箱E，在虚拟场景中生成与其唯一对应的虚拟智能电表箱e，这样的映射表示为

双向箭头表示集合间的元素是一一对应映射，{E}、{e}分别表示实体智能电表箱、虚拟智能电表箱的集合。f₁为映射的标识符。

生成虚拟智能电表箱实例包括：对于有限的多台实体对象(D₁,D₂,…,D_d)，组合成逻辑上的一个虚拟智能电表箱实例e，这样的映射表示为f₂:|{(D₁,D₂,…,D_d)}→{e}表示，单项箭头表示多对一映射，{(D₁,D₂,…,D_d)}表示多个实体对象的组合的集合，{e}表示虚拟智能电表箱的集合，其中f₂为映射的标识符。

生成虚拟智能电表箱实例包括：用户验证通过后，根据要访问或控制的虚拟电表箱实例标识符e_i∈{e}，并根据映射f₁或f₂，向实体对象请求数据，或输入指令，并返回实时运营数据、统计数据等结果。

使用上述方法生成的虚拟智能电表箱。

本发明的发明点及技术效果：

1、本发明根据实体电表箱对象、各种实体传感器对象的标识，在虚拟场景中生成虚拟智能电表箱实例，实现用户与智能电表箱的交互。该虚拟智能电表箱可以完成实体智能电表箱的必要功能，接入不同的实体设备，提供统一的服务界面，提高服务的安全性与便利性，降低服务成本。

2、根据实体电表箱的外观生成仿真的虚拟智能电表箱外观，并在虚拟场景中展示的方法，根据实体电表箱的外观图像生成虚拟智能电表箱外观的轮廓，在虚拟场景中显示外观上相似的展示效果，便于用户直观操作。

3、结合电表箱位置固定的特点，根据用户访问权限范围、虚拟智能电表箱实例所在位置和用户所在位置验证，设计了专门的算法，综合判别用户是否可以访问虚拟智能电表箱实例，通过多重综合验证步骤，提高虚拟场景下的交互访问安全性。

4、本发明创新的提出一种虚拟场景中虚拟智能电表箱实例的生成方法，在虚拟场景中生成具有唯一标识的虚拟智能电表箱实例，并根据标识将实时运营数据、统计数据、展示数据及输入归类，当实例与用户交互时传递正确的数据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明方法示意图。

具体实施方式

(一)建立智能电表箱在虚拟场景下的数据模型

在虚拟场景下建立虚拟智能电表箱的数据模型，根据数据模型与外部对象进行交互。

一种虚拟智能电表箱的数据模型，由实时运营数据、统计数据、标识数据、展示数据，及虚拟输入组成。

所述实时运营数据，指通过智能电表箱或与其相连的外部终端实时采集到的现场运营数据，如户内电压、电流、功率，周围环境的温度、湿度、烟感，电表箱本身的开盖、故障等信息。实时运营数据主要反映智能电表箱及其关联设施的运行状态。

所述统计数据，指在实时运营数据基础上按周期形成的加工数据，如历史用电量，维修记录等。统计数据主要反映在一定时间周期内智能电表箱相关用户的用电情况，及智能电表箱自身的运行情况。

所述标识数据，指对智能电表箱自身及其用户做出的身份标识，实现智能电表箱在虚拟场景下的定位和访问控制。

所述展示数据，指将前述三类数据向用户展示的形象化数据，例如虚拟电表箱的外观、读数等。

所述虚拟输入，指在虚拟场景下用户通过虚拟输入装置发起的操作指令或数据，虚拟输入装置是模拟实体智能电表箱上操作装置的虚拟单元，比如开关、旋钮等。虚拟输入装置可以采用与现实的实体操作装置不同的操作方式，来达到相同的操作效果，例如实体电表箱采用拨盘输入数字，而虚拟电表箱可以采用文本框输入数字。

虚拟智能电表箱是智能电表箱数据模型在虚拟场景下的实例，每个虚拟智能电表箱在虚拟场景下具有唯一的虚拟标识。虚拟智能电表箱实例定义了数据在虚拟场景中的关系和流向。

与虚拟智能电表箱的数据模型交互的外部对象包括：实体电表箱、现场传感器、用户。

实体智能电表箱，指具备智能采集和智能统计功能的智能电表箱实体设备，在虚拟场景下对应唯一的虚拟智能电表箱实例。实体智能电表箱根据虚拟场景的数据模型采集现场数据，采集到的数据关联到对应的虚拟智能电表箱实例。

现场传感器，指温度、湿度等独立于智能电表箱的传感器，在虚拟场景中预先指定一台对应的虚拟智能电表箱实例，根据虚拟场景的数据模型采集现场数据，采集到的数据关联到前述指定的虚拟智能电表箱实例。

用户，指使用或控制虚拟场景下智能电表箱的电力系统工作人员或客户，根据权限访问虚拟智能电表箱实例及实例相关的数据。

数据模型及所有实例存储于中心服务器上。

(二)虚拟场景中虚拟智能电表箱实例的生成

在虚拟场景中生成具有唯一标识的虚拟智能电表箱实例，并根据标识将实时运营数据、统计数据、展示数据及输入归类，当实例与用户交互时传递正确的数据；根据实体电表箱的外观生成仿真的虚拟智能电表箱外观，并在虚拟场景中展示。

在虚拟场景中生成的虚拟智能电表箱实例分为两类，一类是与实体智能电表箱对象一一对应的虚拟实例，一类是通过组合现实中的实体传感器数据生成的逻辑上存在的虚拟实例。

当虚拟智能电表箱实例对应于具体的实体智能电表箱对象，收到对用户的访问请求时，根据实体电表箱对象的数据访问接口向实体电表箱请求数据，并将相应数据返回给用户；当收到用户对电表箱的指令输入请求时，根据实体电表箱对象的远程控制接口发送指令，实施远程指令输入。

当虚拟智能电表箱实例是由现实中的实体电表箱(智能或非智能电表箱)、传感器对象组合成的逻辑实例时，指定各实体对象与虚拟智能电表箱功能的映射关系，及各实体对象的数据访问、控制指令与虚拟智能电表箱的数据访问、控制指令的映射关系。虚拟智能电表箱收到对用户的访问请求时，根据映射关系向实体对象请求数据，并将相应数据返回给用户；当收到用户对电表箱的指令输入请求时，根据映射关系向相应的实体对象的远程控制接口发送指令，实施远程指令输入。

虚拟智能电表箱实例的生成过程、访问过程如下：

S31、对于一台实体智能电表箱E，在虚拟场景中生成与其唯一对应的虚拟智能电表箱e，这样的映射表示为

双向箭头表示集合间的元素是一一对应映射，{E}、{e}分别表示实体智能电表箱、虚拟智能电表箱的集合。f₁为映射的标识符。

S32、对于有限的多台实体对象(D₁,D₂,…,D_d)，组合成逻辑上的一个虚拟智能电表箱实例e，这样的映射表示为f₂:|{(D₁,D₂,…,D_d)}→{e}表示。单项箭头表示多对一映射。{(D₁,D₂,…,D_d)}表示多个实体对象的组合的集合，{e}表示虚拟智能电表箱的集合。f₂为映射的标识符。

S33、用户验证通过后，根据要访问或控制的虚拟电表箱实例标识符e_i∈{e}，并根据映射f₁或f₂，向实体对象请求数据，或输入指令，并返回(步骤1所述)实时运营数据、统计数据等结果。

所述根据实体电表箱的外观生成仿真的虚拟智能电表箱外观，并在虚拟场景中展示的方法，根据实体电表箱的外观图像生成虚拟智能电表箱外观的轮廓，在虚拟场景中显示外观上相似的展示效果，便于用户直观操作。

当虚拟智能电表箱实例对应于具体的实体电表箱对象，拍摄实体电表箱的正面图像用于生成电表箱的轮廓。

所拍摄的正面图像一般是RGB彩色图像，转换为YUV图像，使图像的纹理信息更加突出，对提取电表箱的轮廓更加有效。

上式中R、G、B分别表示RGB彩色图像三个通道的取值，Y、U、V表示YUV图像三个通道的取值。取式(2)结果的Y通道图像作边缘增强，使图像中的轮廓更加突出：

其中，

式中，x,y表示图像像素在图像中的位置坐标，

分别表示Y通道图像沿x方向、y方向的导数，其计算方法如(3)，/>

表示卷积运算。式(3)计算的梯度图Gradient反映了原图像Y中物体轮廓出现的几率。

定义p_x,y表示x,y位置处像素是实体电表箱一部分的概率，该概率分布可通过对实体电表箱图像的统计获得。Gradient_x,y表示梯度图在位置x,y的值。定义：

Φ_x,y＝p_x,y*Gradient_x,y…(5)

图像在智能电表箱边缘处的颜色容易偏离箱体整体的颜色分布，因此采用本发明方法优化边缘处的提取效果。进一步的，定义：

其中

为经验阈值，设图像像素值取值范围为0-1，则优选/>

集合Φ⁺所对应的像素即为图像中电表箱。去除原图像中Φ⁺以外的像素，则获得了图像中实体电表箱的部分，可以作为生成虚拟智能电表箱外观的参考。

(三)虚拟场景中虚拟智能电表箱实例的用户访问验证、交互

根据用户访问权限范围、虚拟智能电表箱实例所在位置和用户所在位置验证判别用户是否可以访问虚拟智能电表箱实例，验证通过后，用户可通过虚拟场景查看虚拟智能电表箱实例数据，并通过虚拟输入进行控制。

所述虚拟场景指在手机、专用终端等用户设备上显示的数字场景，用户通过上述用户设备查看相关数据，发出控制指令。用户设备具有定位功能，可以获取用户实时的地理位置。虚拟场景中，根据用户的地理位置显示用户所在地的地图，当用户需要访问虚拟智能电表箱实例时，显示虚拟智能电表箱实例的数字图像，用户通过触摸等方式在用户设备上查阅数据，或虚拟输入控制指令，实现用户与虚拟智能电表箱实例的展示、交互。

用户访问虚拟场景前需进行登录，在用户设备上输入识别码、密码等身份证明数据，用户设备将身份证明数据发送给中心服务器，中心服务器验证并返回验证结果，用户设备根据中心服务器返回的验证结果判断登录是否成功。

验证结果包括：用户输入的识别码、密码是否对应于某一合法用户。如果是，则判定当前登录用户为该合法用户，否则验证失败。

验证结果包括：用户判定为合法用户后，该合法用户可以访问的虚拟智能电表箱实例的标识，及该实例所在的地理位置。将实例地理位置与用户地理位置比对，如果偏差大于阈值，则判定验证失败。通过该判定方法，可阻止由于用户名、密码泄露导致的非法远程登陆，保护用户数据安全。

作为一种加强安全保护的验证判定方法，通过在指定位置验证用户在场，进一步提高安全性。在实体智能电表箱所在位置，或预先指定的用户典型活动场所内安装摄像头，当用户发起登录时，需要面向摄像头拍摄人脸图像，传递到中心服务器进行人脸识别验证。验证结果包括：人脸识别验证的结果。如果人脸识别验证不通过，则判定验证失败。所述用户典型活动场所是指用户日常活动的场所，比如住所、工作单位等，从安全角度优先选择具有现实安全保护措施的私密场所。

以上验证结果均成功，则用户可以在用户设备上查阅可访问的虚拟智能电表箱实例的数据，或虚拟输入控制指令。

虚拟智能电表箱实例访问的验证过程如下：

S21、用户将自身的标识、密码发给中心服务器进行验证。

S22、中心服务器收到用户标识、密码，在数据库中验证是否匹配，若匹配则继续S23，否则向用户设备返回验证失败，验证流程结束。

S23、中心服务器根据用户标识查询数据库中用户具有访问权限的虚拟智能电表箱实例，进一步查询虚拟智能电表箱实例所在的地理位置。继续S24。

S24、中心服务器根据用户设备发送的地理位置，与S23获得的虚拟智能电表箱实例所在的地理位置进行判定，设定判定标准，如果标准不符则认为判定失败，向用户设备返回验证失败，验证流程结束。否则继续S25。

提出一种基于自定义位置度量的地理位置判定标准。

设地理位置由若干向量组成，每个向量代表一种位置标识类型，例如经纬度、高度等。

为每一用户设定唯一的权限，例如居民，楼长，小区维护人员等。用户α的权限级别P_α记为：

P_α＝l,l∈[1,L]

L为可设定的权限级别数。

每一虚拟智能电表箱实例β的地理位置为一集合Λ_β：

M为地理位置标识类型数。

表示虚拟智能电表箱实例β的第m类位置标识所对应的向量。

相应的，每一用户α的地理位置表示为：

为每一类位置标识向量定义唯一的范数：

λ^m表示用户或虚拟智能电表箱实例的第m类位置标识所对应的向量。

则用户α对虚拟智能电表箱实例β满足地理位置判定标准当且仅当：

上式中，∩表示取交集符号，

为两向量之差，/>

表示权限级别为l对第m类位置标识的允许访问范围。

S25、中心服务器控制与虚拟智能电表箱实例所关联的现场摄像机拍摄一张用户的正面像，并调用人脸识别验证模块进行人脸识别验证，如果验证结果和用户身份相符，则验证成功，向用户设备返回验证成功，否则返回验证失败。验证流程结束。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种交互式智能电表箱的虚拟场景生成方法，其特征在于：

(一)建立智能电表箱在虚拟场景下的数据模型

在虚拟场景下建立虚拟智能电表箱的数据模型，根据数据模型与外部对象进行交互；其中数据包括实时运营数据、统计数据、标识数据、展示数据，及虚拟输入数据；

(二)在虚拟场景中生成虚拟智能电表箱实例

在虚拟场景中生成具有唯一标识的虚拟智能电表箱实例，并根据标识数据将实时运营数据、统计数据、展示数据及虚拟输入数据归类，当实例与用户交互时传递正确的数据；根据实体电表箱的外观生成仿真的虚拟智能电表箱外观，并在虚拟场景中展示；

拍摄实体电表箱的正面图像用于生成电表箱的轮廓；将所拍摄的RGB图像转换为YUV图像：

对Y通道进行如下处理：

其中，

式中，x,y表示图像像素在图像中的位置坐标；

Φ_x,y＝p_x,y*Gradient_x,y…(5)

Gradient_x,y表示梯度图在位置x,y的值，p_x,y表示x,y位置处像素是实体电表箱一部分的概率；

其中

为经验阈值，设图像像素值取值范围为0-1，/>

集合Φ⁺所对应的像素即为图像中电表箱；去除原图像中Φ⁺以外的像素，则获得了图像中实体电表箱的部分，可以作为生成虚拟智能电表箱外观的参考；

(三)虚拟场景中虚拟智能电表箱实例的用户访问验证

根据用户访问权限范围、虚拟智能电表箱实例所在位置和用户所在位置验证判别用户是否可以访问虚拟智能电表箱实例，验证通过后，用户可通过虚拟场景查看虚拟智能电表箱实例数据，并通过虚拟输入数据进行控制；

生成虚拟智能电表箱实例包括：对于一台实体智能电表箱E，在虚拟场景中生成与其唯一对应的虚拟智能电表箱e，这样的映射表示为f₁:

双向箭头表示集合间的元素是一一对应映射，{E}、{e}分别表示实体智能电表箱、虚拟智能电表箱的集合，f₁为映射的标识符；

对于有限的多台实体对象(D₁,D₂,…,D_d)，组合成逻辑上的一个虚拟智能电表箱实例e，这样的映射表示为f₂:|{(D₁,D₂,…,D_d)}→{e}表示，单项箭头表示多对一映射，{(D₁,D₂,…,D_d)}表示多个实体对象的组合的集合，{e}表示虚拟智能电表箱的集合，其中f₂为映射的标识符；

用户验证通过后，根据要访问或控制的虚拟电表箱实例标识符e_i∈{e}，并根据映射f₁或f₂，向实体对象请求数据，或输入指令，并返回实时运营数据、统计数据等结果。

2.根据如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述实时运营数据，指通过智能电表箱或与其相连的外部终端实时采集到的现场运营数据。

3.根据如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述统计数据，指在实时运营数据基础上按周期形成的加工数据。

4.根据如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标识数据，指对智能电表箱自身及其用户做出的身份标识，实现智能电表箱在虚拟场景下的定位和访问控制。

5.根据如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述虚拟输入数据，指在虚拟场景下用户通过虚拟输入装置发起的操作指令或数据。

6.使用权利要求1-5任一项所述方法生成的虚拟智能电表箱。

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