駱昌賡，朱本善

（廣東省廣播電視技術(shù)中心中波總臺(tái)，廣東 廣州 510060）

0 引 言

傳統(tǒng)廣播電視發(fā)射臺(tái)站（以下簡稱臺(tái)站）的人機(jī)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(shè)計(jì)一種系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)表示整個(gè)臺(tái)站的運(yùn)維交互，給用戶帶來身臨其境的人機(jī)交互體驗(yàn)，進(jìn)一步提高臺(tái)站的運(yùn)維效率。

數(shù)字孿生也叫數(shù)字映射、數(shù)字分身，是現(xiàn)實(shí)世界的物理系統(tǒng)或產(chǎn)品的虛擬表示。在系統(tǒng)模擬、集成、測試、監(jiān)控及維護(hù)等實(shí)際用途中，它作為數(shù)字虛擬分身存在于信息化平臺(tái)中，并提供相關(guān)的服務(wù)。它通過接收物理系統(tǒng)發(fā)送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，模擬相關(guān)行為，同時(shí)也能監(jiān)控、操作物理實(shí)體。借助數(shù)字孿生，用戶可以在信息化平臺(tái)上了解物理實(shí)體的狀態(tài)，同時(shí)能夠遠(yuǎn)程控制設(shè)備與系統(tǒng)，從而預(yù)判后期可能會(huì)出現(xiàn)的故障，以便在故障發(fā)生之前做到更好的規(guī)避。

臺(tái)站孿生系統(tǒng)就是臺(tái)站在信息化平臺(tái)的虛擬實(shí)現(xiàn)或分身[1]。技術(shù)人員利用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書和數(shù)字孿生分別建立標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站和映射臺(tái)站，通過映射臺(tái)站與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站之間的對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)異常情況[2]。借助臺(tái)站孿生系統(tǒng)，運(yùn)維人員能夠做到實(shí)時(shí)了解設(shè)備的狀態(tài)、組織監(jiān)控操作、執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)，縮短宕機(jī)時(shí)間等，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。該系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)展示分析手段，提高了數(shù)據(jù)分析監(jiān)測效率[3]。

臺(tái)站孿生系統(tǒng)運(yùn)行在瀏覽器端，通過3D可視化技術(shù)來還原物理世界中的臺(tái)站。臺(tái)站孿生系統(tǒng)中的虛擬設(shè)備就是真實(shí)設(shè)備的一個(gè)映射，同時(shí)具有真實(shí)設(shè)備的大部分屬性和功能[4]，包括物體外觀、操作控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋等。

1 技術(shù)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(yīng)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(shí)，各大瀏覽器廠商都很好地支持了該API。但是它有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即在API層沒有提供抽象的封裝。這意味著較低的開發(fā)效率。不僅開發(fā)周期長，而且后期維護(hù)迭代效率低下。

本文所述的孿生系統(tǒng)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(shù)，同時(shí)抽象封裝了各種操作接口，正好彌補(bǔ)了WebGL開發(fā)效率低的問題。但是對(duì)于開發(fā)稍復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)而言，就需要對(duì)技術(shù)人員有更高的要求了。

為彌補(bǔ)上述問題，本文系統(tǒng)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(dòng)、控制臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。引擎內(nèi)部集成了可視化編程框架（即藍(lán)圖），相比于傳統(tǒng)的編程方式，藍(lán)圖的開發(fā)效率又提升了一個(gè)階梯，技術(shù)人員只需通過簡單的拖拽就能完成對(duì)應(yīng)的功能模塊開發(fā)。臺(tái)站系統(tǒng)的3D可視化部分使用高性能的原生引擎來開發(fā)，同時(shí)針對(duì)臺(tái)站的應(yīng)用場景做了抽象封裝。

1.2 界面交互開發(fā)

實(shí)現(xiàn)用戶界面的交互，常見的開發(fā)技術(shù)有原生開發(fā)、聲明式開發(fā)等。原生開發(fā)使用的是命令式編程，聲明式開發(fā)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(gòu)建計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)和元素的風(fēng)格，表達(dá)了計(jì)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(tài)的語句，這與自然語言中的命令式表達(dá)命令的方式相同，命令式程序由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的命令組成。命令式編程側(cè)重于描述程序如何逐步運(yùn)行，而不是對(duì)其預(yù)期結(jié)果的高級(jí)描述。

在日常開發(fā)中，技術(shù)員需要花很多的時(shí)間去手動(dòng)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(shù)含量的煩瑣事項(xiàng)。使用聲明式編程后，技術(shù)人員只需要關(guān)注界面元素的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)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(guī)避部分聲明式框架雖然更加成熟穩(wěn)定但靈活性不夠的問題，本文系統(tǒng)采用漸進(jìn)式框架，在易用性、靈活性等方面更優(yōu)越，更適合界面交互的開發(fā)和應(yīng)用擴(kuò)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(tǒng)的開發(fā)技術(shù)方案，可能需要給每個(gè)用戶瀏覽器終端配置一個(gè)高性能的顯卡，這將會(huì)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(shí)，往往對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有更高的要求。而使用原生引擎和像素流技術(shù)，能很好地解決這兩個(gè)問題。像素流技術(shù)是指在服務(wù)端運(yùn)行應(yīng)用實(shí)例，然后實(shí)時(shí)地編碼每一幀畫面，再通過網(wǎng)絡(luò)將每一幀畫面?zhèn)鬟f到客戶端；客戶端收到編碼幀后，自動(dòng)完成解碼并播放。簡單概括就是，臺(tái)站系統(tǒng)在服務(wù)端實(shí)時(shí)地生成音視頻流并及時(shí)地推送到瀏覽器終端，瀏覽器終端實(shí)時(shí)地監(jiān)控用戶操作行為并及時(shí)地反饋給服務(wù)端的臺(tái)站系統(tǒng)。

2 技術(shù)創(chuàng)新

臺(tái)站孿生系統(tǒng)把臺(tái)站運(yùn)維帶進(jìn)了數(shù)字孿生的世界。在這個(gè)虛擬世界里面，運(yùn)維人員能高效地完成臺(tái)站運(yùn)維的相關(guān)工作。在技術(shù)方面，本系統(tǒng)沒有采用傳統(tǒng)的技術(shù)方案來開發(fā)Web 3D應(yīng)用系統(tǒng)，而是創(chuàng)新性地采用高效可靠的原生引擎及像素流的方案來開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)展現(xiàn)

3.1 臺(tái)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(guān)的元素。這里主要展示系統(tǒng)重要的指標(biāo)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)告警信息以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。通過這些數(shù)據(jù)，運(yùn)維人員能夠直觀地了解整個(gè)臺(tái)站的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

3.1.2 臺(tái)站全景

為了更真實(shí)地還原整個(gè)臺(tái)站的全貌，開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，使用攝影測量的方式來創(chuàng)建模型。Reality Capture（RC）是一種攝影測量軟件，能夠根據(jù)無序照片（地面和/或航空照片）或無縫激光掃描創(chuàng)建3D模型。攝影測量的發(fā)展趨勢正逐步朝著快速、準(zhǔn)確，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從二維空間向三維空間發(fā)展[5]。目前最常見的應(yīng)用領(lǐng)域是文化遺產(chǎn)（藝術(shù)和建筑）、全身掃描、游戲、測量、繪圖、視覺效果和一般虛擬現(xiàn)實(shí)。因此，只需借助一臺(tái)無人機(jī)繞臺(tái)站飛行并拍攝一組照片，使用RC軟件即可創(chuàng)建臺(tái)站的模型。效果如圖1所示。

圖1 臺(tái)站全景圖

通過視角控制，能夠觀察到臺(tái)站的各個(gè)部分。其中包含的設(shè)備有攝像頭、門禁及發(fā)射塔等。

（1）攝像頭設(shè)備。它能夠?qū)崟r(shí)地顯示當(dāng)前的監(jiān)控畫面，同時(shí)也能與攝像頭做一些基本的交互，比如視角轉(zhuǎn)動(dòng)、焦距控制等。

（2）門禁設(shè)備?？梢赃M(jìn)行遠(yuǎn)程控制、讀取訪問記錄、語音播報(bào)等。

（3）發(fā)射塔。當(dāng)發(fā)射信號(hào)存在異常時(shí)，發(fā)射塔會(huì)整體閃爍紅光，同時(shí)系統(tǒng)播報(bào)語音告警信息。這時(shí)，通過遠(yuǎn)程交互，運(yùn)維人員就能迅速定位故障，然后解決問題，從而消除告警。

點(diǎn)擊機(jī)房，系統(tǒng)將展示機(jī)房的摘要信息。通過該信息，運(yùn)維人員能夠直觀地了解機(jī)房的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù)業(yè)務(wù)需要，可以進(jìn)入機(jī)房作進(jìn)一步的觀察。

3.2 臺(tái)站詳情

臺(tái)站詳情場景展示了機(jī)房的內(nèi)部環(huán)境，包括各種設(shè)備以及設(shè)備、機(jī)房、工作區(qū)的布局等。效果如圖2、圖3所示。

圖2 機(jī)房平視示意圖

圖3 機(jī)房俯視示意圖

進(jìn)入到機(jī)房模擬空間后，運(yùn)維人員可以與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行交互，比如查看設(shè)備的最近巡檢記錄，檢查設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)是否異常等。下面以發(fā)射機(jī)為例進(jìn)行說明，效果如圖4所示。

圖4 交互示意圖

設(shè)備的信息面板顯示了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和詳情狀態(tài)等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括入射功率、反射功率、駐波比以及調(diào)幅度等；詳情狀態(tài)包括告警、功放和激勵(lì)器等信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)于日常工作、設(shè)備維護(hù)等都是至關(guān)重要的。同時(shí)，設(shè)備也還原了真實(shí)設(shè)備上的按鈕、顯示器等輸入和輸出設(shè)備。這意味著，運(yùn)維人員在真實(shí)設(shè)備上執(zhí)行的操作或流程也能在對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備上完成，比如設(shè)備基本的開機(jī)、關(guān)機(jī)、日常維護(hù)等操作[6]。

3.3 巡檢任務(wù)

虛擬場景中存在工作室，這是遠(yuǎn)程辦公的一種應(yīng)用場景。工作人員進(jìn)入工作室后，就能查看當(dāng)天的工作內(nèi)容。以巡檢任務(wù)為例：當(dāng)確認(rèn)開始任務(wù)后，系統(tǒng)將規(guī)劃出一條巡檢路線，并引導(dǎo)工作人員去往不同的設(shè)備地點(diǎn)。這時(shí)，工作人員要做的就是檢查當(dāng)前設(shè)備是否異常，同時(shí)記錄每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，記錄方式有虛擬拍照、表單、文字備注等。

4 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地探討了廣播發(fā)射臺(tái)站孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，為企業(yè)實(shí)踐數(shù)字孿生臺(tái)站提供了參考；用較低的成本，提升了臺(tái)站的建設(shè)水平，為臺(tái)站智慧運(yùn)維大數(shù)據(jù)建設(shè)引入了新思路。在開發(fā)方面，使用主流的原生引擎完成3D可視化開發(fā)；為了解決渲染性能問題，采用成熟的像素流技術(shù)，從而大大降低了瀏覽器對(duì)硬件的配置要求，提高了臺(tái)站系統(tǒng)的可用性和推廣性；界面交互技術(shù)使用主流的VUE框架，進(jìn)一步提高了開發(fā)效率。展望未來，待VR等技術(shù)更加成熟后可接入本系統(tǒng)。屆時(shí)，用戶只需通過VR設(shè)備，就能擁有身臨其境的感覺。