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(tǒng)方式,現(xiàn)場操作的復(fù)雜度和風(fēng)險度都很高,需要作業(yè)人員具有豐富的操作經(jīng)驗和操作技巧。目前能高質(zhì)量進行現(xiàn)場處理及操作的作業(yè)人員相對較少,因此需通過適合并有效的培訓(xùn)方式訓(xùn)練作業(yè)人員,提高其現(xiàn)場操作能力。同時,需采用先進的智能化技術(shù),根據(jù)傳輸回的現(xiàn)場影像信息,進行現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)實時運算,第一時間反饋智能化故障分析結(jié)果,提高故障應(yīng)急處置的成功率。

隨著計算機技術(shù)的日新月異,VR(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)已經(jīng)用于采樣領(lǐng)域。借助VR技術(shù),作業(yè)人員如身臨其境。VR技術(shù)可對現(xiàn)場操作進行立體還原,可以制作立體模型,方便作業(yè)人員三維空間下多角度操作[1]。另外,VR技術(shù)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(shù)可大大提高應(yīng)急處置效率。但在變電站遠程巡檢環(huán)境中,如何獲得低時延、高利用率的用戶體驗,是VR技術(shù)在變電站遠程巡檢應(yīng)用中需要重點解決的技術(shù)問題。

5G(第5代移動通信技術(shù))傳輸速率高、容量大、時延低,為各行各業(yè)快速且大流量的應(yīng)用需求帶來了曙光。但其自身所具有的高頻特點,也導(dǎo)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(yīng)用上還存在一定挑戰(zhàn)。而Wi-Fi技術(shù)具有高并發(fā)、大覆蓋的技術(shù)特點。因此,將5G與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合,可以很好地解決VR在變電站遠程巡檢應(yīng)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(tǒng)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(guān)、開關(guān)柜等變電設(shè)施的油位、觸點、關(guān)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(xiàn)實時巡檢觀測,發(fā)生故障時也難以第一時間掌握現(xiàn)場信息。因此,通過視頻圖像、VR等技術(shù)手段實現(xiàn)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(jiān)測裝置、電纜頭溫度檢測儀、SF6氣體密度監(jiān)測儀等裝置進行設(shè)備內(nèi)部信息采集。所采集信息,首先通過RS485總線傳輸至變電站數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,該服務(wù)器通過邊緣計算技術(shù)完成圖像識別、故障預(yù)警、故障預(yù)判,并將故障處理信息與故障處圖像相結(jié)合生成特定設(shè)備的故障處理信息;然后,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將該特定設(shè)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(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站遠程巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 基于5G和VR技術(shù)的變電站遠程巡檢技術(shù)

VR技術(shù)可以帶給使用者身臨其境的沉浸式體驗。由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成。核心硬件設(shè)備是頭戴式顯示器:在人眼前裝設(shè)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(xiàn)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(tǒng)的計算機圖形技術(shù)中,視場的改變是通過鼠標(biāo)或鍵盤來實現(xiàn)的,用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)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(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來,使用者不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境,而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境,從而帶來沉浸式體驗。

VR技術(shù)的軟件系統(tǒng)主要完成虛擬環(huán)境的模擬和圖像渲染。虛擬環(huán)境的模擬是先對用戶視角觀察范圍內(nèi)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(jù)用戶觀察到的光照、陰影、紋理等,對虛擬模型進行進一步優(yōu)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(xiàn)是在終端完成的,而設(shè)計建模和渲染等計算處理的工作是在服務(wù)端完成的[3-4]。

在變電站遠程巡檢中,不僅需要VR技術(shù)提供可媲美人眼的視覺感知,還需要VR技術(shù)對重要設(shè)備的細節(jié)進行高精度還原,由此帶來對VR技術(shù)針對圖像處理的高分辨率、高刷新率的技術(shù)要求。因此,基于VR技術(shù)的變電站遠程巡檢是典型的高帶寬、低延時應(yīng)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(guī)模天線等技術(shù),實現(xiàn)了高速率傳輸和更優(yōu)覆蓋;采用了短幀、快速反饋、多層/多站數(shù)據(jù)重傳等技術(shù),實現(xiàn)了低延時和高可靠性[5-6]。國際電信聯(lián)盟定義了5G網(wǎng)絡(luò)引入流量密度、連接數(shù)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(guān)鍵性能指標(biāo)[7-8]。5G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率可達20 Gibit/s,是4G(第4代移動通信技術(shù))網(wǎng)絡(luò)的20倍;而時延僅為1 ms,約為4G網(wǎng)絡(luò)的1/10。這些技術(shù)性能是其可以解決VR技術(shù)遠程傳輸中的關(guān)鍵問題的。針對VR技術(shù)的特點及變電站遠程巡檢的需求,采用5G技術(shù)可解決VR技術(shù)在變電站遠程巡檢中的關(guān)鍵問題,實現(xiàn)方式如下:

1) 在網(wǎng)絡(luò)中布署5G網(wǎng)絡(luò)切片[9]。采用切片技術(shù)可以將網(wǎng)絡(luò)資源、計算能力和應(yīng)用服務(wù)按照不同的需求劃分為獨立的切片,使得不同類型應(yīng)用都可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)特性和需求獲取不同的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源,大大提高了網(wǎng)絡(luò)靈活性、可定制性和構(gòu)建效率。因此,通過部署5G網(wǎng)絡(luò)切片,VR技術(shù)可提供高帶寬、低時延服務(wù)。

2) 在服務(wù)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(shù)據(jù)生成的本地設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)分析處理。由于邊緣計算離數(shù)據(jù)節(jié)點更近,在邊緣節(jié)點處可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的過濾和分析,因此效率更高,且其能夠聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)的分析,可以很好地解決VR圖像渲染中的預(yù)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(shè)備)。該設(shè)備可以接收運營商基站發(fā)出的5G信號,然后將其轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號或有線信號,讓更多終端設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。可用于實現(xiàn)VR視頻的顯示和傳感信號的上傳。

3 基于5G和Wi-Fi融合組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及策略

融合組網(wǎng)的目標(biāo)是獲得較高的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)自發(fā)現(xiàn)、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(wǎng)能夠解決網(wǎng)絡(luò)安全問題。其中的關(guān)鍵技術(shù)和策略如下:

1) 無感知認證技術(shù)。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(wǎng)絡(luò)的認證方式。它基于用戶設(shè)備的MAC(媒體訪問控制地址)地址或其他身份標(biāo)識,將設(shè)備與已經(jīng)注冊的用戶帳戶相關(guān)聯(lián),從而實現(xiàn)自動認證。不僅提高了接入網(wǎng)絡(luò)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(jié)能通信策略。由于5G高帶寬和Massive MIMO(大規(guī)模天線技術(shù))的要求,導(dǎo)致其基帶信號處理模塊功率顯著增加。一個5G基站設(shè)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(wǎng)絡(luò)中,采用綠色通信策略是必然趨勢。首先是應(yīng)用靈活多樣的基站形態(tài),其次是基站功放智能化關(guān)斷。根據(jù)用戶實際使用頻率、用戶接入數(shù)量等,智能選擇5G與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò);在夜間或者非工作時段,設(shè)備自動運行于低功耗區(qū)域,達到節(jié)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(shù)據(jù),采用邊緣計算進行處理。首先利用終端設(shè)備進行預(yù)處理,然后將初步處理后的數(shù)據(jù)傳輸至變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進行再次處理并整合,最終將服務(wù)器處理后的數(shù)據(jù)在用戶端與基站間進行傳遞,可避免因變電站傳感器數(shù)量增加造成數(shù)據(jù)激增而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率降低、時延增大等問題。具體實現(xiàn)方式是:在傳感器終端設(shè)備中植入的數(shù)據(jù)處理軟件及通信模塊,可對所采集的數(shù)據(jù)進行處理及設(shè)備狀態(tài)的預(yù)評估,從而可實現(xiàn)多設(shè)備終端數(shù)據(jù)的同時處理,可避免因需向數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳輸大量數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的終端設(shè)備及數(shù)據(jù)處理服務(wù)器資源組成網(wǎng)絡(luò),將大流量圈限于核心網(wǎng)絡(luò)以外,從而可避免因骨干網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)管理編排接入點;Or-Vnfm—虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能模塊管理配置器;VNF—虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能模塊;NFVI—網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化設(shè)施;Nr-vm—虛擬網(wǎng)絡(luò)管理;Nr-vi—虛擬資源分配;Vr-Vnfm—虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊管理器虛擬資源接口;Ve-Vnfm—虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊管理器虛擬管理接口;MEC—多接入邊緣計算。

5 結(jié)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(shù)對巡檢參數(shù)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(shù)據(jù)處理服務(wù)器的系統(tǒng)框架。通過分析5G和VR技術(shù)的特點,提出采用5G技術(shù)解決VR技術(shù)在變電站遠程巡檢中的關(guān)鍵問題,介紹了變電站遠程巡檢方案中的多網(wǎng)融合及智能邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)。