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1 目標和概述

1.1 主要目標

隨著云計算、IoT、大數據、空間計算等新一代信息技術與工業的融合與應用落地，世界各國紛紛出臺了各自的先進制造發展戰略，實現工業的物理世界與信息世界的互聯互通與智能化操作，進而實現智能工業。

國務院國資委于2020年9月下發的《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》中明確指出，要運用5G、云計算、區塊鏈、人工智能、數字孿生、北斗通信等新一代信息技術，探索構建適應企業業務特點和發展需求的“數據中臺”“業務中臺”等新型IT架構模式，建設敏捷高效可復用的新一代數字技術基礎設施。數字孿生（digital twin）是以數字化方式創建物理

實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。數字孿生產品面向產品全生命周期過程，發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實數字孿生解決方案的設計理念以數字孿生技術體系和5G為依托，針對能源工業領域場景，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實圖像標注，實時傳輸給前方相關輔助內容、標注提示或者虛擬內容疊加到實際場景，提升專家溝通和問題處理效率，進一步發揮人工智能、知識圖譜等技術優勢，推動設備維護智能化、高效化發展，將人工智能和增強現實技術賦能于現場作業場景，打造資產全壽命周期、智能延伸、主動服務的數字孿生新模式。

圖1 解決方案設計理念

2 解決方案介紹

2.1 產品功能

2.1.1 技術服務

新基建是數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字化的過程，也是在數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傳感器、設備臺賬信息等抽象數據。本解決方案采用BIM技術體系為資產全壽命周期管理的框架，使用自主研發的激光掃描儀、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， 為傳統基建建設的數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場增強現實（AR）終端基礎軟件三部分組成；

（2） 遠程專家協同模塊DT-M1000，包括數字孿生融合、電話會議、語音通信、三維標記、監控視頻融合、現場視頻采集、異地可視化監管、遠程審核功能；

（3） 高精度室內定位模塊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，在室內環境中做到厘米級的定位精度，支持多種手機、平板和增強現實眼鏡等終端設備；

（4） 標準作業三維化模塊DT-M4000，包括三維操作步驟增強現實、操作后結果三維對比和操作教學等功能；

（5） 系統接口模塊DT-M5000，包含IoT平臺接口、SCADA系統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、案例數字、作業卡數字化、圖紙數字化和空間坐標關聯的知識圖譜系統；

（7） 故障和缺陷數字孿生模塊DT-M7000，涵蓋現場缺陷與故障記錄帶三維坐標，在數字孿生體中同步缺陷/故障位置；現場維修過程會直接調用上次記錄的 缺陷/故障位置，并通過室內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實通信、三維展示、三維指導、三維查詢和知識圖譜系統為主，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）增強現實平臺：基于可穿戴式智能硬件開發的增強現實應用，包括三維感知、增強現實視頻錄制、電話會議、增強現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，提供設備數字孿生數據結構存儲、設備三維模型非結構化數據存儲、電話會議信令服務器、三維標記和文字存儲與轉發以及應急案例應用；

（3）后端支持平臺：是一款基于PC端開發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：

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

• 系統帶寬：≥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： 8 ； 上行單用戶 MIMO流數：4；

• 下行MU- MI MO流數： ≥ 1 6 ； 上行MU- MIMO流數：≥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。

• 上下行數據面信道編碼：LDPC碼；上下行控制面信道編碼：Polar碼；

• 下行調制方式：QPSK、16QAM、64QAM和256QAM；上行調制方式：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的最大層數建議不小于 9；MU-MIMO的最大層數建議不小于16；上行：SU- MIMO的最大層數建議不小于4；MU-MIMO的最大層數建議不小于8；

• 切換性能：支持NR系統內無損切換，切換數據面中斷時延為0ms；

• 控制面時延：從常規的空閑態，如idle或者inactive狀態，到發送第一個應用層的數據包的鏈路建立時延≤20ms;

• 用戶面時延：在無線空口上行/下行方向，從空口協議棧層2/3 SDU入口點到對端協議棧層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發出的數據經過空口到基站的S1口，在S1口直接環回再經過一次空口到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%；

• 系統要求：適配微軟/Linux等主流系統。

2.2.3 實景建模與混合現實

（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，實現更真實的視覺效果。

圖4 配網設計項目最終效果圖

根據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，從而實現逼真的視覺效果。包括：

• 色彩貼圖：表現物體的基本色彩，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，可以通過法線貼圖完善，保證了在低面數下，模型細節的豐富度；

• 金屬及粗糙貼圖：區分單一模型上的不同材質，及材質的粗糙程度，表現同一物體上不同材質時不再需要將模型細化，更能表現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，可根據模型具體需求進行制作：

• 貼圖：劃分模型上的發光區域，可控制發光顏色；

• 細節紋理貼圖： 為模型賦予統一的紋理細節，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，創建精準的建筑外觀模型及內部結構模型。創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，豐富建筑環境及內部陳設細節。

在現場拍攝場景全景圖，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室內實景建模效果圖

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

混合現實系統的技術路線采用SLAM技術的混合現 實路線，具體原理如圖6所示。

圖6 SLAM技術的混合現實路線 

圖7 某110kV變電站GIS室傳感器數據實際效果

本項目提供兩種混合現實實現方式，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，降低成本和提升續航能力。通過在變電站主控室部署邊緣計算節點，將耗費計算資源的SLAM和三維渲染放到邊緣計 算節點上，降低智能可穿戴設備的成本、提升設備的續航時間。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， 電廠發電容量超過20億千瓦，本解決方案適用于能源行業，包括電網變電站、電廠、油田等生產作業現場應用場景，其在能源工業領域屬于剛需，根據現場一線人員的反饋，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2014~2018年電網事故數據分析可知，違規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范現場工作人員的操作對象、活動范圍和操作精度，極大降低由違規違章操作造成的人員傷亡、電網事故和經濟損失。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊