1 目標(biāo)和概述

1.1 主要目標(biāo)

隨著云計(jì)算、IoT、大數(shù)據(jù)、空間計(jì)算等新一代信息技術(shù)與工業(yè)的融合與應(yīng)用落地，世界各國(guó)紛紛出臺(tái)了各自的先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的物理世界與信息世界的互聯(lián)互通與智能化操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)。

國(guó)務(wù)院國(guó)資委于2020年9月下發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》中明確指出，要運(yùn)用5G、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能、數(shù)字孿生、北斗通信等新一代信息技術(shù)，探索構(gòu)建適應(yīng)企業(yè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和發(fā)展需求的“數(shù)據(jù)中臺(tái)”“業(yè)務(wù)中臺(tái)”等新型IT架構(gòu)模式，建設(shè)敏捷高效可復(fù)用的新一代數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字孿生（digital twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理

實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。數(shù)字孿生產(chǎn)品面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界與信息世界橋梁與紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

1.2 總體概述

基于邊緣計(jì)算的混合現(xiàn)實(shí)數(shù)字孿生解決方案的設(shè)計(jì)理念以數(shù)字孿生技術(shù)體系和5G為依托，針對(duì)能源工業(yè)領(lǐng)域場(chǎng)景，開展遠(yuǎn)程指導(dǎo)軟件操作、任務(wù)演練、硬件故障定位維修以及過程自動(dòng)記錄等工作，支持后方專家增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像標(biāo)注，實(shí)時(shí)傳輸給前方相關(guān)輔助內(nèi)容、標(biāo)注提示或者虛擬內(nèi)容疊加到實(shí)際場(chǎng)景，提升專家溝通和問題處理效率，進(jìn)一步發(fā)揮人工智能、知識(shí)圖譜等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)設(shè)備維護(hù)智能化、高效化發(fā)展，將人工智能和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景，打造資產(chǎn)全壽命周期、智能延伸、主動(dòng)服務(wù)的數(shù)字孿生新模式。

圖1 解決方案設(shè)計(jì)理念

2 解決方案介紹

2.1 產(chǎn)品功能

2.1.1 技術(shù)服務(wù)

新基建是數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是將原有基礎(chǔ)建設(shè)的物理實(shí)體逐步數(shù)字化的過程，也是在數(shù)字孿生概念中物理實(shí)體與虛擬實(shí)體復(fù)制的過程，需要三維重建物理場(chǎng)景變成虛擬場(chǎng)景并關(guān)聯(lián)傳感器、設(shè)備臺(tái)賬信息等抽象數(shù)據(jù)。本解決方案采用BIM技術(shù)體系為資產(chǎn)全壽命周期管理的框架，使用自主研發(fā)的激光掃描儀、無人機(jī)三維重建云平臺(tái)等一系列適用于不同場(chǎng)景的三維重建技術(shù)， 為傳統(tǒng)基建建設(shè)的數(shù)字孿生化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2 激光點(diǎn)云建模

2.1.2 軟件模塊

（1） 數(shù)字孿生基礎(chǔ)搭建平臺(tái)DT-P1000系列，由PC 端三維展示與遠(yuǎn)程支持平臺(tái)軟件、通信信令服務(wù)器模塊和現(xiàn)場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）終端基礎(chǔ)軟件三部分組成；

（2） 遠(yuǎn)程專家協(xié)同模塊DT-M1000，包括數(shù)字孿生融合、電話會(huì)議、語音通信、三維標(biāo)記、監(jiān)控視頻融合、現(xiàn)場(chǎng)視頻采集、異地可視化監(jiān)管、遠(yuǎn)程審核功能；

（3） 高精度室內(nèi)定位模塊DT-M2000，涵蓋基于激光ToF傳感器、視覺傳感器和慣性測(cè)量單元（IMU） 的SLAM定位系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境中做到厘米級(jí)的定位精度，支持多種手機(jī)、平板和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡等終端設(shè)備；

（4） 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)三維化模塊DT-M4000，包括三維操作步驟增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、操作后結(jié)果三維對(duì)比和操作教學(xué)等功能；

（5） 系統(tǒng)接口模塊DT-M5000，包含IoT平臺(tái)接口、SCADA系統(tǒng)接口和普通傳感器接口等；

（6） 知識(shí)圖譜DT-M6000，提供流程標(biāo)準(zhǔn)化、案例數(shù)字、作業(yè)卡數(shù)字化、圖紙數(shù)字化和空間坐標(biāo)關(guān)聯(lián)的知識(shí)圖譜系統(tǒng)；

（7） 故障和缺陷數(shù)字孿生模塊DT-M7000，涵蓋現(xiàn)場(chǎng)缺陷與故障記錄帶三維坐標(biāo)，在數(shù)字孿生體中同步缺陷/故障位置；現(xiàn)場(chǎng)維修過程會(huì)直接調(diào)用上次記錄的 缺陷/故障位置，并通過室內(nèi)導(dǎo)航引導(dǎo)工作人員到該位 置維修。

2.2 詳細(xì)方案

2.2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本解決方案以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通信、三維展示、三維指導(dǎo)、三維查詢和知識(shí)圖譜系統(tǒng)為主，包括3大平臺(tái)、9大應(yīng)用模塊、33個(gè)二級(jí)應(yīng)用功能。應(yīng)用框架如圖3所示：

圖3 應(yīng)用框架

（1）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)：基于可穿戴式智能硬件開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，包括三維感知、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視頻錄制、電話會(huì)議、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)注和基于案例的知識(shí)圖譜應(yīng)用；

（2）遠(yuǎn)程指導(dǎo)服務(wù)平臺(tái)：是一款服務(wù)端應(yīng)用，提供設(shè)備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)、設(shè)備三維模型非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電話會(huì)議信令服務(wù)器、三維標(biāo)記和文字存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)以及應(yīng)急案例應(yīng)用；

（3）后端支持平臺(tái)：是一款基于PC端開發(fā)的后臺(tái)專家指導(dǎo)應(yīng)用，包括電話會(huì)議，視頻與截圖輔助和三維標(biāo)記應(yīng)用。

2.2.2 5G

（1）基站具體參數(shù)：

• 工作頻段至少支持： S u b 6 G H z （ F R 1 450MHz~6000GHz）；

• 系統(tǒng)帶寬：≥100MHz；

• 下行單用戶峰值譜頻率：30bps/Hz；上行單用戶峰值譜效率：15bps/Hz；

• 下行單用戶MI MO流數(shù)： 8 ； 上行單用戶 MIMO流數(shù)：4；

• 下行MU- MI MO流數(shù)： ≥ 1 6 ； 上行MU- MIMO流數(shù)：≥8；

• 下行：正交多址；上行：正交多址（可選非正交多址技術(shù)）；

• 下行： OFDM； 上行： OFDM和DFT- S- OFDM。

• 上下行數(shù)據(jù)面信道編碼：LDPC碼；上下行控制面信道編碼：Polar碼；

• 下行調(diào)制方式：QPSK、16QAM、64QAM和256QAM；上行調(diào)制方式：QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM；

• 下行控制面信道：支持下行控制信道傳輸帶寬小于100MHz；上行控制面信道：支持短時(shí)長(zhǎng)和長(zhǎng)時(shí) 長(zhǎng)UL控制信道；長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)UL控制信道長(zhǎng)度可靈活分配為 大于或等于1ms；

• 支持帶寬小于等于100MHz的UE接入；

• 下行： SU- MIMO的最大層數(shù)建議不小于 9；MU-MIMO的最大層數(shù)建議不小于16；上行：SU- MIMO的最大層數(shù)建議不小于4；MU-MIMO的最大層數(shù)建議不小于8；

• 切換性能：支持NR系統(tǒng)內(nèi)無損切換，切換數(shù)據(jù)面中斷時(shí)延為0ms；

• 控制面時(shí)延：從常規(guī)的空閑態(tài)，如idle或者inactive狀態(tài)，到發(fā)送第一個(gè)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包的鏈路建立時(shí)延≤20ms;

• 用戶面時(shí)延：在無線空口上行/下行方向，從空口協(xié)議棧層2/3 SDU入口點(diǎn)到對(duì)端協(xié)議棧層2/3 SDU 出口點(diǎn)，成功傳輸一個(gè)應(yīng)用包/消息所用的時(shí)延≤4ms;

• 往返時(shí)延：從一個(gè)UE發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過空口到基站的S1口，在S1口直接環(huán)回再經(jīng)過一次空口到UE所用的時(shí)間≤10ms；

• 移動(dòng)性：UE支持最高500km/h的移動(dòng)速度。

（2）CPE具體技術(shù)指標(biāo)：

• 工作帶寬：≥40MHz；

• 硬件技術(shù)成熟度：≥8；

• 工作模式：支持SA模式；

• 網(wǎng)絡(luò)功能：支持5G轉(zhuǎn)Wi-Fi；

• 硬件接口：M.2接口；

• 工作溫度：-40℃~ +75℃；

• 工作濕度：20%~90%；

• 系統(tǒng)要求：適配微軟/Linux等主流系統(tǒng)。

2.2.3 實(shí)景建模與混合現(xiàn)實(shí)

（1）設(shè)備建模

本方案所有模型均采用PBR（基于物理燈管渲染） 技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的視覺效果。

圖4 配網(wǎng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目最終效果圖

根據(jù)使用的引擎平臺(tái)要求，每單個(gè)模型包含四張不同功能的貼圖，從而實(shí)現(xiàn)逼真的視覺效果。包括：

• 色彩貼圖：表現(xiàn)物體的基本色彩，花紋及文字信息；

• 法線貼圖：對(duì)于不需要互動(dòng)及拆分的模型細(xì)節(jié)，可以通過法線貼圖完善，保證了在低面數(shù)下，模型細(xì)節(jié)的豐富度；

• 金屬及粗糙貼圖：區(qū)分單一模型上的不同材質(zhì)，及材質(zhì)的粗糙程度，表現(xiàn)同一物體上不同材質(zhì)時(shí)不再需要將模型細(xì)化，更能表現(xiàn)不同材質(zhì)的復(fù)雜組合；

• 閉塞陰影貼圖：增加模型的整體立體感。  除上述模型貼圖外，另有一些特殊貼圖，來控制一些特殊模型效果，可根據(jù)模型具體需求進(jìn)行制作：

• 貼圖：劃分模型上的發(fā)光區(qū)域，可控制發(fā)光顏色；

• 細(xì)節(jié)紋理貼圖： 為模型賦予統(tǒng)一的紋理細(xì)節(jié)，如墻面的顆粒感、水泥路面等。

在本方案中，為保證視覺效果、顯示精度，根據(jù)道具模型分類，單個(gè)道具拆分后的部件需要制作貼圖， 而簡(jiǎn)單模型共享一套貼圖，減少資源浪費(fèi)。

（2）場(chǎng)景建模

利用傾斜攝影和激光雷達(dá)技術(shù)，在實(shí)地場(chǎng)景對(duì)建筑物進(jìn)行采集，自動(dòng)生成等比的3D場(chǎng)景模型，根據(jù)不同場(chǎng)景的需求與特點(diǎn)，應(yīng)用Revit建筑軟件結(jié)合maya等3D建模軟件，創(chuàng)建精準(zhǔn)的建筑外觀模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。創(chuàng)建建筑通用模型素材，如門、窗、樓梯、電梯、商場(chǎng)陳設(shè)、植物裝飾物等，配布在場(chǎng)景內(nèi)，豐富建筑環(huán)境及內(nèi)部陳設(shè)細(xì)節(jié)。

在現(xiàn)場(chǎng)拍攝場(chǎng)景全景圖，生成高清skybox，部署于對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中，通過GI增強(qiáng)整體場(chǎng)景的真實(shí)感。

圖5 某110kV室內(nèi)實(shí)景建模效果圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際燈光情況配置燈光，對(duì)場(chǎng)景烘焙燈光貼圖，模擬現(xiàn)場(chǎng)光線效果，同時(shí)還可以減少實(shí)時(shí)光照造成的資源占用。

混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)路線采用SLAM技術(shù)的混合現(xiàn) 實(shí)路線，具體原理如圖6所示。

圖6 SLAM技術(shù)的混合現(xiàn)實(shí)路線 

圖7 某110kV變電站GIS室傳感器數(shù)據(jù)實(shí)際效果

本項(xiàng)目提供兩種混合現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)方式，一是基于手機(jī)或平板的MR顯示方式，二是基于頭戴式顯示設(shè)備的MR 融合顯示方式。其中手機(jī)或者平板支持Android ARcore 和iOS ARkit，頭戴式顯示設(shè)備基于Trimble XR10。

圖8 基于Trimble XR10頭戴式顯示設(shè)備

2.2.4 邊緣計(jì)算

將計(jì)算放到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，充分使用5G的高帶寬、低時(shí)延的特性，在滿足應(yīng)用效果的前提下，降低成本和提升續(xù)航能力。通過在變電站主控室部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將耗費(fèi)計(jì)算資源的SLAM和三維渲染放到邊緣計(jì) 算節(jié)點(diǎn)上，降低智能可穿戴設(shè)備的成本、提升設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。實(shí)施方式架構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 實(shí)施方式架構(gòu)圖

3 代表性及推廣價(jià)值

目前我國(guó)有變電站約5萬座，油田鉆井約1.5萬座， 電廠發(fā)電容量超過20億千瓦，本解決方案適用于能源行業(yè)，包括電網(wǎng)變電站、電廠、油田等生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，其在能源工業(yè)領(lǐng)域?qū)儆趧傂瑁鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)一線人員的反饋，雖然軟件成熟度有待提高，但是從工作人員到管理人員均抱有強(qiáng)烈的期待，目標(biāo)市場(chǎng)對(duì)本解決方案的接受程度高。

根據(jù)2014~2018年電網(wǎng)事故數(shù)據(jù)分析可知，違規(guī)違章操作是電力事故的主要原因，占到了事故總量的77%，通過本解決方案的推廣實(shí)施，可以以厘米級(jí)的精度規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)工作人員的操作對(duì)象、活動(dòng)范圍和操作精度，極大降低由違規(guī)違章操作造成的人員傷亡、電網(wǎng)事故和經(jīng)濟(jì)損失。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊