基于虛擬現實技術的變電站遠程巡檢方案及關鍵技術

胡建俠

(西安市軌道交通集團有限公司, 710018, 西安∥高級工程師)

0 引言

在城市軌道交通變電站遠程巡檢過程中,如采用傳統方式,現場操作的復雜度和風險度都很高,需要作業人員具有豐富的操作經驗和操作技巧。目前能高質量進行現場處理及操作的作業人員相對較少,因此需通過適合并有效的培訓方式訓練作業人員,提高其現場操作能力。同時,需采用先進的智能化技術,根據傳輸回的現場影像信息,進行現場故障數據實時運算,第一時間反饋智能化故障分析結果,提高故障應急處置的成功率。

隨著計算機技術的日新月異,VR(虛擬現實)技術已經用于采樣領域。借助VR技術,作業人員如身臨其境。VR技術可對現場操作進行立體還原,可以制作立體模型,方便作業人員三維空間下多角度操作[1]。另外,VR技術還支持立體操作過程的回放,以及實時操作與真實操作視頻的自由切換。因此,通過VR技術可大大提高應急處置效率。但在變電站遠程巡檢環境中,如何獲得低時延、高利用率的用戶體驗,是VR技術在變電站遠程巡檢應用中需要重點解決的技術問題。

5G(第5代移動通信技術)傳輸速率高、容量大、時延低,為各行各業快速且大流量的應用需求帶來了曙光。但其自身所具有的高頻特點,也導致其具有信號覆蓋范圍小、信號衰減快的缺點,致使其在落地應用上還存在一定挑戰。而Wi-Fi技術具有高并發、大覆蓋的技術特點。因此,將5G與Wi-Fi技術相結合,可以很好地解決VR在變電站遠程巡檢應用中的多項難題,提升用戶體驗。

1 變電站遠程巡檢方案

傳統巡檢方式下,需要靠巡檢人員用肉眼觀察變壓器、斷路器、隔離開關、開關柜等變電設施的油位、觸點、關鍵絕緣部位和顯示面板。由于部分變電站位置偏遠,難以實現實時巡檢觀測,發生故障時也難以第一時間掌握現場信息。因此,通過視頻圖像、VR等技術手段實現變電站遠程巡檢可解決人工巡檢方式的諸多弊端[2]。

本文提出的變電站遠程巡檢方案為:通過360°全景攝像頭進行視頻圖像采集,通過如變壓器鐵芯監測裝置、電纜頭溫度檢測儀、SF6氣體密度監測儀等裝置進行設備內部信息采集。所采集信息,首先通過RS485總線傳輸至變電站數據處理服務器,該服務器通過邊緣計算技術完成圖像識別、故障預警、故障預判,并將故障處理信息與故障處圖像相結合生成特定設備的故障處理信息;然后,通過網絡傳輸模塊將該特定設備故障處理信息傳送至5G基站和遠程巡檢客戶端。變電站遠程巡檢系統總體架構如圖1所示。

圖1 變電站遠程巡檢系統總體架構圖

2 基于5G和VR技術的變電站遠程巡檢技術

VR技術可以帶給使用者身臨其境的沉浸式體驗。由硬件設備和軟件系統組成。核心硬件設備是頭戴式顯示器:在人眼前裝設2個不同的顯示器或利用同一顯示器在左右眼前分別呈現奇、偶幀畫面,形成視差,從而帶來立體視覺。該裝置集成的另一核心部件是頭部運動跟蹤器。在傳統的計算機圖形技術中,視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的,用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的;而通過頭部跟蹤可以改變圖像的視角,用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來,使用者不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境,而且可以通過頭部的運動去觀察環境,從而帶來沉浸式體驗。

VR技術的軟件系統主要完成虛擬環境的模擬和圖像渲染。虛擬環境的模擬是先對用戶視角觀察范圍內的圖像、視頻進行采集,然后再進行虛擬模型重建。圖形渲染是根據用戶觀察到的光照、陰影、紋理等,對虛擬模型進行進一步優化,以達到身臨其境的使用感受。通常認為,采集、互動信息的生成、展現是在終端完成的,而設計建模和渲染等計算處理的工作是在服務端完成的[3-4]。

在變電站遠程巡檢中,不僅需要VR技術提供可媲美人眼的視覺感知,還需要VR技術對重要設備的細節進行高精度還原,由此帶來對VR技術針對圖像處理的高分辨率、高刷新率的技術要求。因此,基于VR技術的變電站遠程巡檢是典型的高帶寬、低延時應用場景。

5G采用了LDPC、Polar新型信道編碼方案以及性能更強的大規模天線等技術,實現了高速率傳輸和更優覆蓋;采用了短幀、快速反饋、多層/多站數據重傳等技術,實現了低延時和高可靠性[5-6]。國際電信聯盟定義了5G網絡引入流量密度、連接數密度、時延、移動性、能源效率、用戶體驗速率、頻譜效率、峰值速率等8大關鍵性能指標[7-8]。5G網絡的峰值速率可達20 Gibit/s,是4G(第4代移動通信技術)網絡的20倍;而時延僅為1 ms,約為4G網絡的1/10。這些技術性能是其可以解決VR技術遠程傳輸中的關鍵問題的。針對VR技術的特點及變電站遠程巡檢的需求,采用5G技術可解決VR技術在變電站遠程巡檢中的關鍵問題,實現方式如下:

1) 在網絡中布署5G網絡切片[9]。采用切片技術可以將網絡資源、計算能力和應用服務按照不同的需求劃分為獨立的切片,使得不同類型應用都可以根據自身業務特性和需求獲取不同的計算、網絡和存儲資源,大大提高了網絡靈活性、可定制性和構建效率。因此,通過部署5G網絡切片,VR技術可提供高帶寬、低時延服務。

2) 在服務器端布署智能邊緣計算。邊緣計算是一種分布式計算,可以在靠近數據生成的本地設備和網絡中進行數據分析處理。由于邊緣計算離數據節點更近,在邊緣節點處可實現對數據的過濾和分析,因此效率更高,且其能夠聚焦實時、短周期數據的分析,可以很好地解決VR圖像渲染中的預處理、特定視角渲染等問題,具有效率高、時延低的特點。

3) 在顯示終端布署5G CPE(客戶端前置設備)。該設備可以接收運營商基站發出的5G信號,然后將其轉換成Wi-Fi信號或有線信號,讓更多終端設備實現數據的無線傳輸?？捎糜趯崿FVR視頻的顯示和傳感信號的上傳。

3 基于5G和Wi-Fi融合組網的關鍵技術及策略

融合組網的目標是獲得較高的網絡利用率、盡可能低的時延、更好的用戶體驗[10],解決移動終端多場景下的切換、終端網絡自發現、自動配置等問題,提升用戶體驗。但由于Wi-Fi頻段是開放的,信息和密碼易被竊取,而5G與Wi-Fi融合組網能夠解決網絡安全問題。其中的關鍵技術和策略如下:

1) 無感知認證技術。Wi-Fi無感知認證是一種無需用戶手動輸入用戶名和密碼就能自動連接Wi-Fi網絡的認證方式。它基于用戶設備的MAC(媒體訪問控制地址)地址或其他身份標識,將設備與已經注冊的用戶帳戶相關聯,從而實現自動認證。不僅提高了接入網絡的安全性,同時也避免了用戶進行多余的繁瑣操作,用戶使用體驗得到有效提高。

2) 綠色節能通信策略。由于5G高帶寬和Massive MIMO(大規模天線技術)的要求,導致其基帶信號處理模塊功率顯著增加。一個5G基站設備的額定功率普遍達到3 500 W以上,而4G基站的額定功率約為1 300 W。在5G與Wi-Fi融合網絡中,采用綠色通信策略是必然趨勢。首先是應用靈活多樣的基站形態,其次是基站功放智能化關斷。根據用戶實際使用頻率、用戶接入數量等,智能選擇5G與Wi-Fi網絡;在夜間或者非工作時段,設備自動運行于低功耗區域,達到節能增效的目的。

4 智能邊緣計算

對于變電站中的各類傳感器所采集的大量數據,采用邊緣計算進行處理。首先利用終端設備進行預處理,然后將初步處理后的數據傳輸至變電站內的數據處理服務器進行再次處理并整合,最終將服務器處理后的數據在用戶端與基站間進行傳遞,可避免因變電站傳感器數量增加造成數據激增而導致的網絡傳輸速率降低、時延增大等問題。具體實現方式是:在傳感器終端設備中植入的數據處理軟件及通信模塊,可對所采集的數據進行處理及設備狀態的預評估,從而可實現多設備終端數據的同時處理,可避免因需向數據處理服務器傳輸大量數據而導致的占用網絡帶寬、降低網絡通信能力等問題。

基于智能邊緣計算的變電站遠程巡檢信息傳輸流程如圖2所示。

圖2 基于邊緣計算的變電站遠程巡檢信息傳輸流程

基于智能邊緣計算的變電所遠程VR巡檢方案,利用部署于變電所內的終端設備及數據處理服務器資源組成網絡,將大流量圈限于核心網絡以外,從而可避免因骨干網絡資源被大量占用而造成的傳輸速率降低、時延增加等問題。智能邊緣計算框架如圖3所示。

注:Mm—管理參考點;Mp—平臺功能參考點;Oi-Ma—操作系統管理編排接入點;Or-Vnfm—虛擬化網絡功能模塊管理配置器;VNF—虛擬化網絡功能模塊;NFVI—網絡功能虛擬化設施;Nr-vm—虛擬網絡管理;Nr-vi—虛擬資源分配;Vr-Vnfm—虛擬化的網絡功能模塊管理器虛擬資源接口;Ve-Vnfm—虛擬化的網絡功能模塊管理器虛擬管理接口;MEC—多接入邊緣計算。

5 結語

通過對變電站日常巡檢的需求分析,確定采用邊緣計算技術對巡檢參數采集模塊和圖像采集模塊所采集的信息進行處理后,傳輸給數據處理服務器的系統框架。通過分析5G和VR技術的特點,提出采用5G技術解決VR技術在變電站遠程巡檢中的關鍵問題,介紹了變電站遠程巡檢方案中的多網融合及智能邊緣計算等關鍵技術。