廣播電視發射臺站孿生系統的設計與實現

駱昌賡，朱本善

（廣東省廣播電視技術中心中波總臺，廣東 廣州 510060）

0 引 言

傳統廣播電視發射臺站（以下簡稱臺站）的人機交互只能通過用戶界面完成，普遍存在不直觀的問題。本文設計一種系統，通過虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術表示整個臺站的運維交互，給用戶帶來身臨其境的人機交互體驗，進一步提高臺站的運維效率。

數字孿生也叫數字映射、數字分身，是現實世界的物理系統或產品的虛擬表示。在系統模擬、集成、測試、監控及維護等實際用途中，它作為數字虛擬分身存在于信息化平臺中，并提供相關的服務。它通過接收物理系統發送來的實時數據，模擬相關行為，同時也能監控、操作物理實體。借助數字孿生，用戶可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態，同時能夠遠程控制設備與系統，從而預判后期可能會出現的故障，以便在故障發生之前做到更好的規避。

臺站孿生系統就是臺站在信息化平臺的虛擬實現或分身[1]。技術人員利用標準作業指導書和數字孿生分別建立標準臺站和映射臺站，通過映射臺站與標準臺站之間的對比分析，能夠發現異常情況[2]。借助臺站孿生系統，運維人員能夠做到實時了解設備的狀態、組織監控操作、執行預測性維護，縮短宕機時間等，從而達到提高生產效率的目的。該系統增加了數據展示分析手段，提高了數據分析監測效率[3]。

臺站孿生系統運行在瀏覽器端，通過3D可視化技術來還原物理世界中的臺站。臺站孿生系統中的虛擬設備就是真實設備的一個映射，同時具有真實設備的大部分屬性和功能[4]，包括物體外觀、操作控制以及實時數據反饋等。

1 技術方案

1.1 基于原生引擎的3D可視化

WebGL是瀏覽器端的原生Javascript應用程序接口（Application Programming Interface，API），用來繪制2D和3D圖形，具有較高的渲染性能。同時，各大瀏覽器廠商都很好地支持了該API。但是它有個明顯的缺點，即在API層沒有提供抽象的封裝。這意味著較低的開發效率。不僅開發周期長，而且后期維護迭代效率低下。

本文所述的孿生系統配套的原生庫是一種瀏覽器端的Javascript庫，用來繪制3D圖形。它在底層使用了WebGL技術，同時抽象封裝了各種操作接口，正好彌補了WebGL開發效率低的問題。但是對于開發稍復雜的應用系統而言，就需要對技術人員有更高的要求了。

為彌補上述問題，本文系統配套使用了原生引擎，具有高度的可移植性，支持廣泛的桌面、移動、控制臺和虛擬現實平臺。引擎內部集成了可視化編程框架（即藍圖），相比于傳統的編程方式，藍圖的開發效率又提升了一個階梯，技術人員只需通過簡單的拖拽就能完成對應的功能模塊開發。臺站系統的3D可視化部分使用高性能的原生引擎來開發，同時針對臺站的應用場景做了抽象封裝。

1.2 界面交互開發

實現用戶界面的交互，常見的開發技術有原生開發、聲明式開發等。原生開發使用的是命令式編程，聲明式開發使用的是聲明式編程。聲明式編程是一種編程范式，它是一種構建計算機程序結構和元素的風格，表達了計算的邏輯而不描述其控制流。命令式編程是另外一種編程范式，使用改變程序狀態的語句，這與自然語言中的命令式表達命令的方式相同，命令式程序由計算機執行的命令組成。命令式編程側重于描述程序如何逐步運行，而不是對其預期結果的高級描述。

在日常開發中，技術員需要花很多的時間去手動處理（即命令式編程）界面元素的顯示與更新，而這些操作都是不得不做的且沒有技術含量的煩瑣事項。使用聲明式編程后，技術人員只需要關注界面元素的數據，而不必關心如何顯示及更新界面元素。目前主流的聲明式框架大同小異，為規避部分聲明式框架雖然更加成熟穩定但靈活性不夠的問題，本文系統采用漸進式框架，在易用性、靈活性等方面更優越，更適合界面交互的開發和應用擴展。

1.3 渲染問題

眾所周知，3D場景的渲染非常消耗圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）。假如使用傳統的開發技術方案，可能需要給每個用戶瀏覽器終端配置一個高性能的顯卡，這將會增加一定的硬件成本。另外，瀏覽器在加載場景中的3D模型尤其是較大模型時，往往對網絡帶寬有更高的要求。而使用原生引擎和像素流技術，能很好地解決這兩個問題。像素流技術是指在服務端運行應用實例，然后實時地編碼每一幀畫面，再通過網絡將每一幀畫面傳遞到客戶端；客戶端收到編碼幀后，自動完成解碼并播放。簡單概括就是，臺站系統在服務端實時地生成音視頻流并及時地推送到瀏覽器終端，瀏覽器終端實時地監控用戶操作行為并及時地反饋給服務端的臺站系統。

2 技術創新

臺站孿生系統把臺站運維帶進了數字孿生的世界。在這個虛擬世界里面，運維人員能高效地完成臺站運維的相關工作。在技術方面，本系統沒有采用傳統的技術方案來開發Web 3D應用系統，而是創新性地采用高效可靠的原生引擎及像素流的方案來開發應用系統。

3 系統展現

3.1 臺站概覽

3.1.1 信息面板

信息面板使用懸浮層的方式展示相關的元素。這里主要展示系統重要的指標數據、實時告警信息以及相關統計數據等。通過這些數據，運維人員能夠直觀地了解整個臺站的當前狀態，同時能夠及時發現問題并解決問題。

3.1.2 臺站全景

為了更真實地還原整個臺站的全貌，開發系統時，使用攝影測量的方式來創建模型。Reality Capture（RC）是一種攝影測量軟件，能夠根據無序照片（地面和/或航空照片）或無縫激光掃描創建3D模型。攝影測量的發展趨勢正逐步朝著快速、準確，從靜態到動態，從二維空間向三維空間發展[5]。目前最常見的應用領域是文化遺產（藝術和建筑）、全身掃描、游戲、測量、繪圖、視覺效果和一般虛擬現實。因此，只需借助一臺無人機繞臺站飛行并拍攝一組照片，使用RC軟件即可創建臺站的模型。效果如圖1所示。

圖1 臺站全景圖

通過視角控制，能夠觀察到臺站的各個部分。其中包含的設備有攝像頭、門禁及發射塔等。

（1）攝像頭設備。它能夠實時地顯示當前的監控畫面，同時也能與攝像頭做一些基本的交互，比如視角轉動、焦距控制等。

（2）門禁設備。可以進行遠程控制、讀取訪問記錄、語音播報等。

（3）發射塔。當發射信號存在異常時，發射塔會整體閃爍紅光，同時系統播報語音告警信息。這時，通過遠程交互，運維人員就能迅速定位故障，然后解決問題，從而消除告警。

點擊機房，系統將展示機房的摘要信息。通過該信息，運維人員能夠直觀地了解機房的當前狀態。根據業務需要，可以進入機房作進一步的觀察。

3.2 臺站詳情

臺站詳情場景展示了機房的內部環境，包括各種設備以及設備、機房、工作區的布局等。效果如圖2、圖3所示。

圖2 機房平視示意圖

圖3 機房俯視示意圖

進入到機房模擬空間后，運維人員可以與目標設備進行交互，比如查看設備的最近巡檢記錄，檢查設備的當前狀態是否異常等。下面以發射機為例進行說明，效果如圖4所示。

圖4 交互示意圖

設備的信息面板顯示了關鍵的數據如統計數據和詳情狀態等。統計數據包括入射功率、反射功率、駐波比以及調幅度等；詳情狀態包括告警、功放和激勵器等信息。這些數據對于日常工作、設備維護等都是至關重要的。同時，設備也還原了真實設備上的按鈕、顯示器等輸入和輸出設備。這意味著，運維人員在真實設備上執行的操作或流程也能在對應的虛擬設備上完成，比如設備基本的開機、關機、日常維護等操作[6]。

3.3 巡檢任務

虛擬場景中存在工作室，這是遠程辦公的一種應用場景。工作人員進入工作室后，就能查看當天的工作內容。以巡檢任務為例：當確認開始任務后，系統將規劃出一條巡檢路線，并引導工作人員去往不同的設備地點。這時，工作人員要做的就是檢查當前設備是否異常，同時記錄每個設備的狀態，記錄方式有虛擬拍照、表單、文字備注等。

4 結 語

本文系統地探討了廣播發射臺站孿生系統的設計與實現的基礎理論和關鍵技術，為企業實踐數字孿生臺站提供了參考；用較低的成本，提升了臺站的建設水平，為臺站智慧運維大數據建設引入了新思路。在開發方面，使用主流的原生引擎完成3D可視化開發；為了解決渲染性能問題，采用成熟的像素流技術，從而大大降低了瀏覽器對硬件的配置要求，提高了臺站系統的可用性和推廣性；界面交互技術使用主流的VUE框架，進一步提高了開發效率。展望未來，待VR等技術更加成熟后可接入本系統。屆時，用戶只需通過VR設備，就能擁有身臨其境的感覺。