基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)

廖坤玉 胡旭東 鄧立晨 夏東

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司）

0 引言

安全生產(chǎn)于我國電力行業(yè)的重要性不言而喻，疫情防控要求下，蘇州和蘇州以外地區(qū)發(fā)生疫情，疫情管控區(qū)技術(shù)人員無法前往變電站，給變電站設(shè)備的維護(hù)檢修計劃帶來極大的不確定性。大量維修計劃擱淺或延期，導(dǎo)致設(shè)備“帶病帶傷”運(yùn)維，潛藏隱患影響了電網(wǎng)可靠運(yùn)維。運(yùn)維人員在變電站現(xiàn)場遇到設(shè)備突發(fā)情況，由于不了解一些設(shè)備的結(jié)構(gòu)、接線和處理方法，或難以判斷設(shè)備問題的嚴(yán)重性，經(jīng)常需要與所轄區(qū)域的檢修人員聯(lián)系，尋求技術(shù)支持。但檢修人員由于缺乏及時全面地獲取現(xiàn)場情況的手段，經(jīng)常浪費大量的信息溝通時間，造成問題不能快速解決，或無法鎖定癥結(jié)而喪失解決問題的最佳時機(jī)，導(dǎo)致隨后的應(yīng)急消缺缺乏關(guān)鍵信息支撐，使得問題隱藏而不能解決。因此，電力作業(yè)現(xiàn)場亟需設(shè)置一個智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，全過程、全天候地監(jiān)控電力作業(yè)現(xiàn)場，降低電力設(shè)備管理的安全隱患。

1 數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)施

1.1 基于5G網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文所設(shè)計的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)[1]主要是通過AR智聯(lián)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，再通過5G網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理機(jī)，實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集以及遠(yuǎn)程診斷等。基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)下的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，主要包括AR智能穿戴、遠(yuǎn)程移動終端等硬件設(shè)施，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

綜合考慮成本、安全性和功能適用范圍，本文所設(shè)計的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)施搭建在5G網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)上，5G網(wǎng)絡(luò)[2]通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)頻譜資源和移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營等優(yōu)勢，滿足數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)大帶寬、低時延、安全可靠的通信服務(wù)需求。本文系統(tǒng)所使用的5G網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用的5G網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)可為數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)提供以下幾個方面的高級應(yīng)用，集群調(diào)度：支持智能眼鏡、智能手機(jī)和對講機(jī)等終端設(shè)備接入，并提供PC端調(diào)度臺服務(wù)，發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)隔離、低時延、大帶寬等優(yōu)勢，實現(xiàn)音視頻集群通信、遠(yuǎn)程回傳存儲、分權(quán)分域管理調(diào)度、動態(tài)建組、可視化定位、電子圍欄、歷史軌跡回放等多種功能；AR遠(yuǎn)程協(xié)作：基于5G網(wǎng)絡(luò)+MEC能力特性，通過智能眼鏡AI能力與深度學(xué)習(xí)引擎，實現(xiàn)設(shè)備、人員、手勢等多個智能識別能力，將電網(wǎng)作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控視頻、圖像等信息及時進(jìn)行回傳并記錄，為遠(yuǎn)程診斷專家平臺提供所需資源及數(shù)據(jù)，結(jié)合多種方式進(jìn)行遠(yuǎn)程多媒體信息溝通，提高協(xié)作效率；安全網(wǎng)關(guān)：通過部署聯(lián)通安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可提供終端/用戶二次鑒權(quán)（基于IMSI、MSISDN、賬號密碼等）、ACL訪問控制、基于URL/IP地址的黑白名單訪問控制、信令及媒體加密、偽注冊攔截等服務(wù)。同時具備面向4/5G信令安全的靈活策略配置，并提供過載保護(hù)，支持SIP、Diameter、HTTP等信令協(xié)議。

1.2 AR智能穿戴

數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)所采用的AR智能眼鏡[3]是一款無源頭戴式第一視角的新型人機(jī)交互設(shè)備，主要由數(shù)據(jù)連接線和眼鏡本體組成，眼鏡本身不帶電池，而是通過USB數(shù)據(jù)線插入終端或手機(jī)等設(shè)備，由設(shè)備供電并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該眼鏡的部件示意圖如圖3所示。

圖3 AR智能眼鏡部件示意圖

可拆卸式結(jié)構(gòu)具有對使用者友好的特征，質(zhì)量輕、不會熱，滿足長時間佩戴不會影響使用者精神狀態(tài)的要求。AR眼鏡的攝像頭和顯示屏設(shè)置在人眼前端，攝像頭由Sony1300萬像素高感光度傳感器、ISP圖像處理器組成；顯示屏由OLED顯示器和折反式一體棱鏡組成。眼鏡組件與鏡架之間采用磁吸式設(shè)計，便于佩戴和收納，鏡架適配不同的鼻托、近視鏡片、墨鏡片和護(hù)目鏡，可以單獨佩戴。AR眼鏡內(nèi)部設(shè)置集成化主控芯片和矢量處理器，為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的聲音交互功能，配置了揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，為提升操作的便捷性，配備了物理按鍵。AR眼鏡的所有功能均由固件驅(qū)動，通過設(shè)備服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，圍繞“解放雙手，提高效率，遠(yuǎn)程協(xié)作，智能識別”進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。完全滿足本文所設(shè)計的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)需求。

2 數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能

基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過AR智聯(lián)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，基于圖像識別和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以語音和手勢控制方式全景實時地采集二次設(shè)備的圖片、視頻和文字等信息，解放作業(yè)人員的雙手，通過5G網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、后臺與作業(yè)現(xiàn)場的實時信息交互、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、遠(yuǎn)程診斷專家支持等數(shù)字化檢修新模式。該系統(tǒng)具有高清拍攝、人臉檢測識別、遠(yuǎn)程視頻通話等功能，可以接收并處理圖像、視頻、聲音以及其他數(shù)據(jù)，實時存儲和上傳。

2.1 數(shù)字化采集數(shù)據(jù)

在電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集功能中，本文首先引入圖像識別技術(shù)來獲取并處理電網(wǎng)監(jiān)控圖像，然后引入深度學(xué)習(xí)算法[4]來提取監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集。電網(wǎng)監(jiān)控圖像識別是數(shù)字化遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的必要處理環(huán)節(jié)，根據(jù)既定識別原理，將電網(wǎng)中每個區(qū)域的監(jiān)控圖像節(jié)點進(jìn)行摳像處理，結(jié)合連續(xù)電網(wǎng)監(jiān)控圖像權(quán)值數(shù)據(jù)，來對電網(wǎng)監(jiān)控圖像像素點的透明度水平進(jìn)行強(qiáng)化，進(jìn)而實現(xiàn)對電網(wǎng)監(jiān)控圖像的分類識別。一般情況下，進(jìn)行分類識別后的電網(wǎng)監(jiān)控圖像具有更優(yōu)越的綜合表達(dá)能力，能夠展現(xiàn)出電網(wǎng)各區(qū)域中節(jié)點組織的傳輸概率，以便數(shù)字化遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)可以計算出各監(jiān)控圖像的節(jié)點權(quán)值，達(dá)到電網(wǎng)主控節(jié)點的連續(xù)性監(jiān)控目的。假設(shè)電網(wǎng)監(jiān)控圖像輸入系數(shù)的兩個不同極大值為A、B，兩個不同極小值為a、b，參考圖像既定識別原理，獲得電網(wǎng)監(jiān)控圖像的分類識別結(jié)果F計算公式如下所示：

式中，k表示電網(wǎng)監(jiān)控圖像的識別指標(biāo)參數(shù)；w表示電網(wǎng)監(jiān)控節(jié)點的位置指數(shù)值；ω表示圖像既定識別的權(quán)限參數(shù)；△c表示電網(wǎng)監(jiān)控圖像單位時間內(nèi)的傳輸變化數(shù)據(jù)。在獲得電網(wǎng)監(jiān)控圖像之后，需要對圖像中數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，由于電網(wǎng)監(jiān)控圖像中數(shù)據(jù)大多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所以本文基于深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，從而實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的目標(biāo)檢測。首先需要確定電網(wǎng)監(jiān)控圖像中待檢測設(shè)備，然后將電網(wǎng)圖像輸入密集連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，假設(shè)原始電網(wǎng)監(jiān)控圖像為Y0，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有n層，輸出的監(jiān)控圖像目標(biāo)設(shè)備檢測結(jié)果為Yn，如果利用密集連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對Y0進(jìn)行特征重用，可以得到輸出結(jié)果的特征重用變化為：

式中，[Y0,Y1,Y2,…,Yn1]表示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中第1層到第n-1層之間特征重用的電網(wǎng)監(jiān)控圖像；h表示連續(xù)非線性變換。然后利用一個2×2大小的池化窗口，對電網(wǎng)特征圖像進(jìn)行下采樣，并結(jié)合損失函數(shù)對采樣的電網(wǎng)特征圖進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。綜上所述，本文所設(shè)計的數(shù)字化電網(wǎng)全景監(jiān)控系統(tǒng)通過分布式深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，獲取電網(wǎng)監(jiān)控圖像的狀態(tài)特征，實時監(jiān)測電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)變化，然后根據(jù)訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電網(wǎng)監(jiān)控圖像特征進(jìn)行提取，獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集。

2.2 人機(jī)交互

基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的就是人機(jī)交互[5]功能，人機(jī)交互的語義部分主要靠語音控制技術(shù)來完成，電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)對作業(yè)人員語音信號進(jìn)行捕捉與識別，然后做出響應(yīng)。監(jiān)控系統(tǒng)的語音控制主要由語音信號檢測和語音信號分析這兩個步驟來實現(xiàn)，關(guān)于語音信號檢測，首先需要對語音信號進(jìn)行加窗與分幀處理：分幀就是對語音信號進(jìn)行分段，為確保語音信號的連續(xù)性，需要控制前后兩幀語音信號重合度在5%以上；加窗就是對每幀語音信號進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，可以有效避免語音幀出現(xiàn)截斷效應(yīng)。然后對相鄰兩幀的語音信號進(jìn)行IOU交并比計算：

式中，I、J分別表示相鄰兩幀語音信號。如果這兩幀語音信號的重疊比例較大，系統(tǒng)則將這兩幀語音信號當(dāng)作同一目標(biāo)；反之如果重疊比例較小，則為不同目標(biāo)，也就是新的語音內(nèi)容。假設(shè)z代表作業(yè)人員語音信號的狀態(tài)量，可以根據(jù)下式來判斷語音信號是否為同一目標(biāo)：

式中，將IOU=3當(dāng)作判斷的分界點，當(dāng)z=0時，說明這兩幀語音信號為同一目標(biāo)；當(dāng)z=1時，說明這兩幀語音信號非同一目標(biāo)。根據(jù)上式對各幀語音信號進(jìn)行檢測之后，需要對語音信號進(jìn)行分析，語音信號分析是語音控制技術(shù)的關(guān)鍵，只有分析出可以代表語音信號本質(zhì)特征的參數(shù)，才可以進(jìn)一步精準(zhǔn)識別、控制語音信號。語音信號屬于非平穩(wěn)態(tài)過程，其特征參數(shù)具有多變性，所以本文引入梅爾頻率倒譜系數(shù)當(dāng)作全景監(jiān)控系統(tǒng)語音控制方案的特征參數(shù)，梅爾頻率尺度和頻率之間的關(guān)系如下式所示：

式中，P0表示以梅爾為單位的語音信號感知頻率；P1表示語音信號的實際頻率。合理的特征參數(shù)提取是確保全景監(jiān)控系統(tǒng)的實時性與識別率的關(guān)鍵因素，所以本文通過式（5）選取合理、有效的語音信號特征參數(shù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果當(dāng)作人機(jī)交互功能的語義內(nèi)容。

3 系統(tǒng)測試

研發(fā)的初代系統(tǒng)在220kV商務(wù)變電站、玉峰變電站、陽山變電站開展了測試應(yīng)用。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，測試了數(shù)字化電網(wǎng)全景監(jiān)控系統(tǒng)在智能站220kV線路保護(hù)安措執(zhí)行上的應(yīng)用，按照系統(tǒng)音頻指導(dǎo)，通過語音控制流程運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化安措步驟，實時拍照記錄執(zhí)行結(jié)果，圖4為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的系統(tǒng)編輯頁面，可進(jìn)行靈活自主地編輯，添加圖文指導(dǎo)和語音控制，適應(yīng)不同型號保護(hù)裝置的安措執(zhí)行。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的系統(tǒng)編輯頁面

數(shù)字化電網(wǎng)全景監(jiān)控系統(tǒng)對220kV母差第一套保護(hù)裝置與第二套保護(hù)裝置掛“檢修牌”，根據(jù)保護(hù)裝置和智能站其他二次設(shè)備之間的連接關(guān)系，參考安措診斷規(guī)則庫來制定操作票，如下表所示。

表 數(shù)字化電網(wǎng)全景監(jiān)控系統(tǒng)的安措票部分示意

遠(yuǎn)程診斷專家通過AR眼鏡獲取變電站現(xiàn)場人員的第一視角，專家通過在后臺對現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備和接線的劃域，指導(dǎo)現(xiàn)場人員快速定位故障點、規(guī)范執(zhí)行作業(yè)，開展事故處理、搶修指導(dǎo)、作業(yè)培訓(xùn)，通過節(jié)省技術(shù)專家趕赴變電站現(xiàn)場的路程時間、縮短現(xiàn)場人員的排查時間，該系統(tǒng)可實現(xiàn)異常缺陷處理時間平均縮短15%，遠(yuǎn)程指導(dǎo)記錄如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程診斷專家指導(dǎo)記錄圖

由此可知，本文所設(shè)計基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)的數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)可有效規(guī)范現(xiàn)場二次安措的作業(yè)流程，實現(xiàn)保護(hù)設(shè)備圖像信息的即時記錄與上傳，將電網(wǎng)作業(yè)現(xiàn)場中第一視角的監(jiān)控信息分享給遠(yuǎn)程專家平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程專家平臺與前端的語音、圖文、視頻、AR標(biāo)記的互動互傳，開展高效的遠(yuǎn)程診斷、調(diào)度指揮現(xiàn)場作業(yè)，同步分析工作效率和留檔培訓(xùn)資料，顯著提升了檢修作業(yè)的質(zhì)量和數(shù)字化水平。預(yù)計未來可“清零”新員工的現(xiàn)場作業(yè)“觀察期”，實現(xiàn)流程作業(yè)的“無縫入工”，縮短培養(yǎng)周期，提升班組承載力。

4 結(jié)束語

為提升電網(wǎng)檢修作業(yè)的規(guī)范性，加強(qiáng)第三方的即時指導(dǎo)和監(jiān)督效果，本文基于5G-AR智聯(lián)技術(shù)設(shè)計一個數(shù)字化電網(wǎng)遠(yuǎn)程全景監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于AR智能眼鏡的AI深度學(xué)習(xí)引擎，實現(xiàn)二次回路測溫、裝置異常判別等綜合智能識別功能，前端將第一視角的畫面實時回傳與記錄；基于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬和高安全性的特點，通過變電站設(shè)備的信息共享和處理，為二次工作人員（運(yùn)維人員）現(xiàn)場工作（操作）提供實時監(jiān)控信息和移動式操作平臺。標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程式語音引導(dǎo)作業(yè)人員按規(guī)范執(zhí)行安措等工作，實現(xiàn)作業(yè)的100%合規(guī)；通過現(xiàn)場與后臺之間“信息同視角”，助力專家“身臨其境”地掌控現(xiàn)場情況，實現(xiàn)作業(yè)人員和技術(shù)專家在知識經(jīng)驗和現(xiàn)場信息的雙融合，開展遠(yuǎn)程診斷、部門協(xié)作、實景培訓(xùn)，提高消缺效率；解決疫情防控下異地技術(shù)人員無法流動造成缺陷不能及時處理的情況，實現(xiàn)設(shè)備停役時間“0”延長，避免電網(wǎng)可靠度下降。