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1 目標和概述

1.1 主要目標

隨著云計算、IoT、大數(shù)據(jù)、空間計算等新一代信息技術與工業(yè)的融合與應用落地，世界各國紛紛出臺了各自的先進制造發(fā)展戰(zhàn)略，實現(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，進而實現(xiàn)智能工業(yè)。

國務院國資委于2020年9月下發(fā)的《關于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的通知》中明確指出，要運用5G、云計算、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，探索構建適應企業(yè)業(yè)務特點和發(fā)展需求的“數(shù)據(jù)中臺”“業(yè)務中臺”等新型IT架構模式，建設敏捷高效可復用的新一代數(shù)字技術基礎設施。數(shù)字孿生（digital twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理

實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。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，提供更加實時、高效、智能的服務。

1.2 總體概述

基于邊緣計算的混合現(xiàn)實數(shù)字孿生解決方案的設計理念以數(shù)字孿生技術體系和5G為依托，針對能源工業(yè)領域場景，開展遠程指導軟件操作、任務演練、硬件故障定位維修以及過程自動記錄等工作，支持后方專家增強現(xiàn)實圖像標注，實時傳輸給前方相關輔助內(nèi)容、標注提示或者虛擬內(nèi)容疊加到實際場景，提升專家溝通和問題處理效率，進一步發(fā)揮人工智能、知識圖譜等技術優(yōu)勢，推動設備維護智能化、高效化發(fā)展，將人工智能和增強現(xiàn)實技術賦能于現(xiàn)場作業(yè)場景，打造資產(chǎn)全壽命周期、智能延伸、主動服務的數(shù)字孿生新模式。

圖1 解決方案設計理念

2 解決方案介紹

2.1 產(chǎn)品功能

2.1.1 技術服務

新基建是數(shù)字化的基礎設施建設，是將原有基礎建設的物理實體逐步數(shù)字化的過程，也是在數(shù)字孿生概念中物理實體與虛擬實體復制的過程，需要三維重建物理場景變成虛擬場景并關聯(lián)傳感器、設備臺賬信息等抽象數(shù)據(jù)。本解決方案采用BIM技術體系為資產(chǎn)全壽命周期管理的框架，使用自主研發(fā)的激光掃描儀、無人機三維重建云平臺等一系列適用于不同場景的三維重建技術， 為傳統(tǒng)基建建設的數(shù)字孿生化打下堅實基礎。

圖2 激光點云建模

2.1.2 軟件模塊

（1） 數(shù)字孿生基礎搭建平臺DT-P1000系列，由PC 端三維展示與遠程支持平臺軟件、通信信令服務器模塊和現(xiàn)場增強現(xiàn)實（AR）終端基礎軟件三部分組成；

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

（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量單元（IMU） 的SLAM定位系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境中做到厘米級的定位精度，支持多種手機、平板和增強現(xiàn)實眼鏡等終端設備；

（4） 標準作業(yè)三維化模塊DT-M4000，包括三維操作步驟增強現(xiàn)實、操作后結果三維對比和操作教學等功能；

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

（6） 知識圖譜DT-M6000，提供流程標準化、案例數(shù)字、作業(yè)卡數(shù)字化、圖紙數(shù)字化和空間坐標關聯(lián)的知識圖譜系統(tǒng)；

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

2.2 詳細方案

2.2.1 項目設計

本解決方案以增強現(xiàn)實通信、三維展示、三維指導、三維查詢和知識圖譜系統(tǒng)為主，包括3大平臺、9大應用模塊、33個二級應用功能。應用框架如圖3所示：

圖3 應用框架

（1）增強現(xiàn)實平臺：基于可穿戴式智能硬件開發(fā)的增強現(xiàn)實應用，包括三維感知、增強現(xiàn)實視頻錄制、電話會議、增強現(xiàn)實標注和基于案例的知識圖譜應用；

（2）遠程指導服務平臺：是一款服務端應用，提供設備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)結構存儲、設備三維模型非結構化數(shù)據(jù)存儲、電話會議信令服務器、三維標記和文字存儲與轉發(fā)以及應急案例應用；

（3）后端支持平臺：是一款基于PC端開發(fā)的后臺專家指導應用，包括電話會議，視頻與截圖輔助和三維標記應用。

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）；

• 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：支持短時長和長時 長UL控制信道；長時長UL控制信道長度可靈活分配為 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)面中斷時延為0ms；

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

• 用戶面時延：在無線空口上行/下行方向，從空口協(xié)議棧層2/3 SDU入口點到對端協(xié)議棧層2/3 SDU 出口點，成功傳輸一個應用包/消息所用的時延≤4ms;

• 往返時延：從一個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所用的時間≤10ms；

• 移動性：UE支持最高500km/h的移動速度。

（2）CPE具體技術指標：

• 工作帶寬：≥40MHz；

• 硬件技術成熟度：≥8；

• 工作模式：支持SA模式；

• 網(wǎng)絡功能：支持5G轉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 實景建模與混合現(xiàn)實

（1）設備建模

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

圖4 配網(wǎng)設計項目最終效果圖

根據(jù)使用的引擎平臺要求，每單個模型包含四張不同功能的貼圖，從而實現(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：對于不需要互動及拆分的模型細節(jié)，可以通過法線貼圖完善，保證了在低面數(shù)下，模型細節(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，及材質的粗糙程度，表現(xiàn)同一物體上不同材質時不再需要將模型細化，更能表現(xiàn)不同材質的復雜組合；

• 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；

• 細節(jié)紋理貼圖： 為模型賦予統(tǒng)一的紋理細節(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，單個道具拆分后的部件需要制作貼圖， 而簡單模型共享一套貼圖，減少資源浪費。

（2）場景建模

利用傾斜攝影和激光雷達技術，在實地場景對建筑物進行采集，自動生成等比的3D場景模型，根據(jù)不同場景的需求與特點，應用Revit建筑軟件結合maya等3D建模軟件，創(chuàng)建精準的建筑外觀模型及內(nèi)部結構模型。創(chuàng)建建筑通用模型素材，如門、窗、樓梯、電梯、商場陳設、植物裝飾物等，配布在場景內(nèi)，豐富建筑環(huán)境及內(nèi)部陳設細節(jié)。

在現(xiàn)場拍攝場景全景圖，生成高清skybox，部署于對應場景中，通過GI增強整體場景的真實感。

圖5 某110kV室內(nèi)實景建模效果圖

根據(jù)現(xiàn)場實際燈光情況配置燈光，對場景烘焙燈光貼圖，模擬現(xiàn)場光線效果，同時還可以減少實時光照造成的資源占用。

混合現(xiàn)實系統(tǒng)的技術路線采用SLAM技術的混合現(xiàn) 實路線，具體原理如圖6所示。

圖6 SLAM技術的混合現(xiàn)實路線 

圖7 某110kV變電站GIS室傳感器數(shù)據(jù)實際效果

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

圖8 基于Trimble XR10頭戴式顯示設備

2.2.4 邊緣計算

將計算放到邊緣計算節(jié)點，充分使用5G的高帶寬、低時延的特性，在滿足應用效果的前提下，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算節(jié)點，將耗費計算資源的SLAM和三維渲染放到邊緣計 算節(jié)點上，降低智能可穿戴設備的成本、提升設備的續(xù)航時間。實施方式架構圖如圖9所示。

圖9 實施方式架構圖

3 代表性及推廣價值

目前我國有變電站約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)場應用場景，其在能源工業(yè)領域屬于剛需，根據(jù)現(xiàn)場一線人員的反饋，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烈的期待，目標市場對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施，可以以厘米級的精度規(guī)范現(xiàn)場工作人員的操作對象、活動范圍和操作精度，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)濟損失。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊