基于虚拟现实技术的变电站远程巡检方案及关键技术

胡建侠

(西安市轨道交通集团有限公司, 710018, 西安∥高级工程师)

0 引言

在城市轨道交通变电站远程巡检过程中,如采用传统方式,现场操作的复杂度和风险度都很高,需要作业人员具有丰富的操作经验和操作技巧。目前能高质量进行现场处理及操作的作业人员相对较少,因此需通过适合并有效的培训方式训练作业人员,提高其现场操作能力。同时,需采用先进的智能化技术,根据传输回的现场影像信息,进行现场故障数据实时运算,第一时间反馈智能化故障分析结果,提高故障应急处置的成功率。

随着计算机技术的日新月异,VR(虚拟现实)技术已经用于采样领域。借助VR技术,作业人员如身临其境。VR技术可对现场操作进行立体还原,可以制作立体模型,方便作业人员三维空间下多角度操作[1]。另外,VR技术还支持立体操作过程的回放,以及实时操作与真实操作视频的自由切换。因此,通过VR技术可大大提高应急处置效率。但在变电站远程巡检环境中,如何获得低时延、高利用率的用户体验,是VR技术在变电站远程巡检应用中需要重点解决的技术问题。

5G(第5代移动通信技术)传输速率高、容量大、时延低,为各行各业快速且大流量的应用需求带来了曙光。但其自身所具有的高频特点,也导致其具有信号覆盖范围小、信号衰减快的缺点,致使其在落地应用上还存在一定挑战。而Wi-Fi技术具有高并发、大覆盖的技术特点。因此,将5G与Wi-Fi技术相结合,可以很好地解决VR在变电站远程巡检应用中的多项难题,提升用户体验。

1 变电站远程巡检方案

传统巡检方式下,需要靠巡检人员用肉眼观察变压器、断路器、隔离开关、开关柜等变电设施的油位、触点、关键绝缘部位和显示面板。由于部分变电站位置偏远,难以实现实时巡检观测,发生故障时也难以第一时间掌握现场信息。因此,通过视频图像、VR等技术手段实现变电站远程巡检可解决人工巡检方式的诸多弊端[2]。

本文提出的变电站远程巡检方案为:通过360°全景摄像头进行视频图像采集,通过如变压器铁芯监测装置、电缆头温度检测仪、SF6气体密度监测仪等装置进行设备内部信息采集。所采集信息,首先通过RS485总线传输至变电站数据处理服务器,该服务器通过边缘计算技术完成图像识别、故障预警、故障预判,并将故障处理信息与故障处图像相结合生成特定设备的故障处理信息;然后,通过网络传输模块将该特定设备故障处理信息传送至5G基站和远程巡检客户端。变电站远程巡检系统总体架构如图1所示。

图1 变电站远程巡检系统总体架构图

2 基于5G和VR技术的变电站远程巡检技术

VR技术可以带给使用者身临其境的沉浸式体验。由硬件设备和软件系统组成。核心硬件设备是头戴式显示器:在人眼前装设2个不同的显示器或利用同一显示器在左右眼前分别呈现奇、偶帧画面,形成视差,从而带来立体视觉。该装置集成的另一核心部件是头部运动跟踪器。在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的;而通过头部跟踪可以改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,使用者不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境,从而带来沉浸式体验。

VR技术的软件系统主要完成虚拟环境的模拟和图像渲染。虚拟环境的模拟是先对用户视角观察范围内的图像、视频进行采集,然后再进行虚拟模型重建。图形渲染是根据用户观察到的光照、阴影、纹理等,对虚拟模型进行进一步优化,以达到身临其境的使用感受。通常认为,采集、互动信息的生成、展现是在终端完成的,而设计建模和渲染等计算处理的工作是在服务端完成的[3-4]。

在变电站远程巡检中,不仅需要VR技术提供可媲美人眼的视觉感知,还需要VR技术对重要设备的细节进行高精度还原,由此带来对VR技术针对图像处理的高分辨率、高刷新率的技术要求。因此,基于VR技术的变电站远程巡检是典型的高带宽、低延时应用场景。

5G采用了LDPC、Polar新型信道编码方案以及性能更强的大规模天线等技术,实现了高速率传输和更优覆盖;采用了短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术,实现了低延时和高可靠性[5-6]。国际电信联盟定义了5G网络引入流量密度、连接数密度、时延、移动性、能源效率、用户体验速率、频谱效率、峰值速率等8大关键性能指标[7-8]。5G网络的峰值速率可达20 Gibit/s,是4G(第4代移动通信技术)网络的20倍;而时延仅为1 ms,约为4G网络的1/10。这些技术性能是其可以解决VR技术远程传输中的关键问题的。针对VR技术的特点及变电站远程巡检的需求,采用5G技术可解决VR技术在变电站远程巡检中的关键问题,实现方式如下:

1) 在网络中布署5G网络切片[9]。采用切片技术可以将网络资源、计算能力和应用服务按照不同的需求划分为独立的切片,使得不同类型应用都可以根据自身业务特性和需求获取不同的计算、网络和存储资源,大大提高了网络灵活性、可定制性和构建效率。因此,通过部署5G网络切片,VR技术可提供高带宽、低时延服务。

2) 在服务器端布署智能边缘计算。边缘计算是一种分布式计算,可以在靠近数据生成的本地设备和网络中进行数据分析处理。由于边缘计算离数据节点更近,在边缘节点处可实现对数据的过滤和分析,因此效率更高,且其能够聚焦实时、短周期数据的分析,可以很好地解决VR图像渲染中的预处理、特定视角渲染等问题,具有效率高、时延低的特点。

3) 在显示终端布署5G CPE(客户端前置设备)。该设备可以接收运营商基站发出的5G信号,然后将其转换成Wi-Fi信号或有线信号,让更多终端设备实现数据的无线传输。可用于实现VR视频的显示和传感信号的上传。

3 基于5G和Wi-Fi融合组网的关键技术及策略

融合组网的目标是获得较高的网络利用率、尽可能低的时延、更好的用户体验[10],解决移动终端多场景下的切换、终端网络自发现、自动配置等问题,提升用户体验。但由于Wi-Fi频段是开放的,信息和密码易被窃取,而5G与Wi-Fi融合组网能够解决网络安全问题。其中的关键技术和策略如下:

1) 无感知认证技术。Wi-Fi无感知认证是一种无需用户手动输入用户名和密码就能自动连接Wi-Fi网络的认证方式。它基于用户设备的MAC(媒体访问控制地址)地址或其他身份标识,将设备与已经注册的用户帐户相关联,从而实现自动认证。不仅提高了接入网络的安全性,同时也避免了用户进行多余的繁琐操作,用户使用体验得到有效提高。

2) 绿色节能通信策略。由于5G高带宽和Massive MIMO(大规模天线技术)的要求,导致其基带信号处理模块功率显著增加。一个5G基站设备的额定功率普遍达到3 500 W以上,而4G基站的额定功率约为1 300 W。在5G与Wi-Fi融合网络中,采用绿色通信策略是必然趋势。首先是应用灵活多样的基站形态,其次是基站功放智能化关断。根据用户实际使用频率、用户接入数量等,智能选择5G与Wi-Fi网络;在夜间或者非工作时段,设备自动运行于低功耗区域,达到节能增效的目的。

4 智能边缘计算

对于变电站中的各类传感器所采集的大量数据,采用边缘计算进行处理。首先利用终端设备进行预处理,然后将初步处理后的数据传输至变电站内的数据处理服务器进行再次处理并整合,最终将服务器处理后的数据在用户端与基站间进行传递,可避免因变电站传感器数量增加造成数据激增而导致的网络传输速率降低、时延增大等问题。具体实现方式是:在传感器终端设备中植入的数据处理软件及通信模块,可对所采集的数据进行处理及设备状态的预评估,从而可实现多设备终端数据的同时处理,可避免因需向数据处理服务器传输大量数据而导致的占用网络带宽、降低网络通信能力等问题。

基于智能边缘计算的变电站远程巡检信息传输流程如图2所示。

图2 基于边缘计算的变电站远程巡检信息传输流程

基于智能边缘计算的变电所远程VR巡检方案,利用部署于变电所内的终端设备及数据处理服务器资源组成网络,将大流量圈限于核心网络以外,从而可避免因骨干网络资源被大量占用而造成的传输速率降低、时延增加等问题。智能边缘计算框架如图3所示。

注:Mm—管理参考点;Mp—平台功能参考点;Oi-Ma—操作系统管理编排接入点;Or-Vnfm—虚拟化网络功能模块管理配置器;VNF—虚拟化网络功能模块;NFVI—网络功能虚拟化设施;Nr-vm—虚拟网络管理;Nr-vi—虚拟资源分配;Vr-Vnfm—虚拟化的网络功能模块管理器虚拟资源接口;Ve-Vnfm—虚拟化的网络功能模块管理器虚拟管理接口;MEC—多接入边缘计算。

5 结语

通过对变电站日常巡检的需求分析,确定采用边缘计算技术对巡检参数采集模块和图像采集模块所采集的信息进行处理后,传输给数据处理服务器的系统框架。通过分析5G和VR技术的特点,提出采用5G技术解决VR技术在变电站远程巡检中的关键问题,介绍了变电站远程巡检方案中的多网融合及智能边缘计算等关键技术。