基于VR/AR的牽引供電設(shè)備專家遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)研究

彭 程，黨曉勇

0 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化電網(wǎng)、數(shù)字智能化變電所亭的建設(shè)已經(jīng)成為行業(yè)重點發(fā)展方向。數(shù)字智能化變電所亭以智能化為目標(biāo)，通過各種信息技術(shù)手段實現(xiàn)對變電所亭設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和智能管理，從而提高供電可靠性、維護(hù)效率和安全性。其中，VR/AR技術(shù)的應(yīng)用成為數(shù)字化變電所亭的重要組成部分。在數(shù)字化變電所亭中，VR/AR技術(shù)能夠通過智能穿戴設(shè)備采集、分析進(jìn)而呈現(xiàn)變電所的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)和實時決策支持，提高運維效率和安全性。本文將重點探討基于VR/AR技術(shù)的數(shù)字智能化變電所亭維護(hù)系統(tǒng)的總體目標(biāo)規(guī)劃、系統(tǒng)構(gòu)成和應(yīng)用。

1 總體目標(biāo)及規(guī)劃

利用數(shù)字化、智能化技術(shù)管理電氣化鐵路，可在變電所亭的生產(chǎn)和運營各個階段收集全面的感測數(shù)據(jù)，通過對每個階段和過程進(jìn)行全面建模及仿真，應(yīng)用衍生而出的數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)從物理實體到虛擬空間的實時和完整的變電所亭映射。借助仿真、計算、分析和決策的智能實體，可以實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的反饋優(yōu)化，推動變電所亭基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和智能化的運維管理發(fā)展和提升。

為了促進(jìn)變電所亭的智能運維水平提升，提出“一個體系、三個屬性、四個加強”三大目標(biāo)，如圖1所示。

依托VR/AR技術(shù)的變電所亭運維應(yīng)用是一種融合多種數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新，采用建模工具在數(shù)字空間中構(gòu)建精準(zhǔn)的物理對象模型，利用實時的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場與中心的交互操作。此外，通過數(shù)據(jù)與模型集成融合，構(gòu)建綜合決策和展示功能，推動智能運維應(yīng)用更加智能化和快速化[1]。圖2所示為變電所專家遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)總體規(guī)劃。

圖2 變電所專家遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)總體規(guī)劃

2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)總體規(guī)劃分為連接層、映射層、決策層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

2.1 連接層

連接層具備采集感知和反饋控制兩大功能，是AR智能供電運維應(yīng)用的起始和終止環(huán)節(jié)。通過深層次的采集感知獲取供電系統(tǒng)設(shè)備的全方位數(shù)據(jù)，利用高質(zhì)量反饋信息附加給終端進(jìn)行展示。

2.2 映射層

映射層具備數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通、模型互操作功能，同時數(shù)據(jù)、信息、模型三者間能夠?qū)崟r融合。數(shù)據(jù)互聯(lián)指通過工業(yè)通信實現(xiàn)供電設(shè)備的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)等全生命周期數(shù)據(jù)集成；信息互通指利用數(shù)據(jù)字典、元數(shù)據(jù)描述等功能，構(gòu)建統(tǒng)一信息模型，實現(xiàn)物理對象信息的統(tǒng)一描述；模型互操作指通過多模型融合技術(shù)將幾何模型、仿真模型、業(yè)務(wù)模型、數(shù)據(jù)模型等多類模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和集成融合，以便上層進(jìn)行較好的應(yīng)用。

映射層中最重要的是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。映射層的核心思路是構(gòu)建一套使數(shù)據(jù)“流動”起來的機制和框架，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外部的數(shù)據(jù)匯聚，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織和聯(lián)接，為業(yè)務(wù)可視化、分析、決策等提供數(shù)據(jù)服務(wù)。映射層可以形象地比喻為：形成匯聚的“電流”、可控的“開關(guān)”、一體化管理的“電容”和支撐應(yīng)用的“電源”。

匯聚的“電流”：明確供電體系中各項數(shù)據(jù)的“源頭”，針對不同的數(shù)據(jù)源提供有針對性的數(shù)據(jù)匯聚方式，將各類數(shù)據(jù)引入“電容”中，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)“流動”更新。

可控的“開關(guān)”：“開關(guān)”的作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管控，通過“電流”源源不斷匯聚來的原始數(shù)據(jù)不能直接對外服務(wù)，而需遵照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，基于數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與治理。

一體化管理的“電容”：“電容”是數(shù)據(jù)平臺的核心，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲與管理，既能適應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷擴大，也能滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)多類型計算引擎的支撐要求，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)開發(fā)管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理等一系列環(huán)節(jié)保障數(shù)據(jù)的一致性、可用性與安全性。

可用的“電源”：“電源”的作用是“抽取”和“輸送”。數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的目的是更好地支撐數(shù)據(jù)服務(wù)，給各類業(yè)務(wù)提供更加靈活的使用數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的方式，最大限度挖掘數(shù)據(jù)價值。

2.3 決策層

在連接層和映射層的基礎(chǔ)上，通過綜合決策實現(xiàn)描述、診斷、預(yù)測、處置等不同深度應(yīng)用，并將最終決策信息反饋給現(xiàn)場，支撐實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

基于VR/AR技術(shù)的牽引變電所亭動態(tài)運行維護(hù)應(yīng)用基于融合了供變電設(shè)備在線監(jiān)測、智能指揮、遠(yuǎn)程診斷和運行維護(hù)管理等多個子系統(tǒng)，目的在于促進(jìn)運行維護(hù)工作效率，同時能夠充分應(yīng)對未來智能運維系統(tǒng)的升級與發(fā)展。該系統(tǒng)具備以下4個方面的應(yīng)用場景：

（1）與供變電設(shè)備數(shù)據(jù)信息庫相連接，獲取相關(guān)供變電設(shè)備的三維立體模型，將供變電設(shè)備大量的復(fù)雜手冊指南展現(xiàn)為立體圖像的形式，并顯示于運維人員屏幕前，對每一步驟進(jìn)行指導(dǎo)與說明。通過AR技術(shù)的展示，工作人員能夠更加清晰地了解供變電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并能夠提示運行維護(hù)操作順序。例如，當(dāng)現(xiàn)場操作人員從當(dāng)?shù)睾笈_或控制中心接收到操作指令時，系統(tǒng)將該指令顯示于操作人員的顯示屏幕，同時系統(tǒng)列出被控設(shè)備的操作順序及設(shè)備運行的狀態(tài)，操作員只需根據(jù)屏幕上顯示的操作順序一一完成對應(yīng)如斷路器、隔離開關(guān)、變壓器等設(shè)備的操作，以及對設(shè)備進(jìn)行智能控制和防誤閉鎖邏輯判斷；同時，系統(tǒng)將該操作人員的操作動作情況實時反饋給后臺控制中心，以便調(diào)度人員獲悉設(shè)備實時狀態(tài)。

（2）通過5G網(wǎng)絡(luò)處理在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對供變電設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。能夠?qū)ψ儔浩?、SF6斷路器、避雷器和隔離開關(guān)的實時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，同時能夠收集涉及設(shè)備實際運行狀態(tài)的物理量，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，逐步實現(xiàn)人與設(shè)備的互動，為檢修提供技術(shù)指導(dǎo)。再者，在運行巡視和監(jiān)控方面，該系統(tǒng)能夠提升工作人員巡視與監(jiān)控能力，強化對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)管，合理安排巡視計劃。此外，能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)的重要指標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)督，以助于提高變電設(shè)備管理的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和互動化。系統(tǒng)能夠?qū)ψ冸娝さ幕厩闆r和運行情況進(jìn)行評價，并給出相應(yīng)指標(biāo)。分別從變電所亭電壓等級，設(shè)備投運年限、設(shè)備運行環(huán)境、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備類型和所內(nèi)設(shè)備缺陷數(shù)量以及缺陷類別等方面進(jìn)行統(tǒng)一評價。

（3）AR眼鏡/頭盔對現(xiàn)場情況進(jìn)行數(shù)據(jù)展示分析及專家求助。在操作現(xiàn)場，工作人員通過采用穿戴AR頭盔或AR眼鏡，能夠現(xiàn)場錄音、錄像和拍照以獲取現(xiàn)場證物信息以及實現(xiàn)人員定位、操作人員路徑規(guī)劃，并實時反映操作人員的工作位置；獲取遠(yuǎn)程資料、與后臺調(diào)度人員進(jìn)行遠(yuǎn)程對話咨詢等。例如，作業(yè)人員在實施作業(yè)時，智能設(shè)備通過識別操作人員的語音提示，從數(shù)據(jù)庫獲取變電所亭的三維圖像，同時在屏幕上顯示操作人員的位置、工作任務(wù)及導(dǎo)航指示；在進(jìn)行具體操作時，智能設(shè)備能夠根據(jù)任務(wù)的屬性對作業(yè)任務(wù)進(jìn)行安全風(fēng)險評估，并對任務(wù)中的風(fēng)險點進(jìn)行提示，同時給出避免風(fēng)險的措施。當(dāng)在操作過程中遇到疑問時，操作人員可以點擊智能設(shè)備上的“疑問求助”按鍵或發(fā)出語音指令向智能設(shè)備提出疑問解答請求，智能系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中尋找相關(guān)解決方案；也可以通過系統(tǒng)向遠(yuǎn)程專家求助，專家根據(jù)智能設(shè)備傳遞的現(xiàn)場實際操作信息予以解答。

（4）應(yīng)用數(shù)字孿生的VR智能系統(tǒng)對運維人員進(jìn)行培訓(xùn)。VR智能系統(tǒng)通過使用3D技術(shù)使學(xué)員增強對目標(biāo)物體的視覺感知，從多個角度對目標(biāo)物體進(jìn)行觀察，同時也可以實現(xiàn)不可見、抽象的概念和事物的可視化與具體化。在供變電培訓(xùn)方面，通過VR技術(shù)可將運營過程中難以觀察的信息經(jīng)過增加渲染顯現(xiàn)出來。通過VR系統(tǒng)的物理建模，可將發(fā)電、輸電、變電和配電等多個運行環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為直觀的視覺模型，學(xué)員使用VR終端可直接觀察并了解到供變電設(shè)備的電力產(chǎn)生及傳輸過程。此外，通過VR技術(shù)，可以更加深刻地了解到供變電在建設(shè)、運行、檢修等多個環(huán)節(jié)的風(fēng)險情景，同時幫助學(xué)員在情景體驗中掌握必要的風(fēng)險應(yīng)對技能[2-3]。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

牽引變電所亭是改變電壓、控制和分配電能的場所，其中包含了變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)和防雷設(shè)備等。而變電所亭運行維護(hù)系統(tǒng)主要是對這些設(shè)備的監(jiān)測與維護(hù)，以實現(xiàn)變電所亭的正常運行。在數(shù)字化變電所亭系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立以VR/AR技術(shù)為核心的變電所亭運行維護(hù)系統(tǒng)，以正常管理維護(hù)變電所亭中牽引變電設(shè)備。

基于AR技術(shù)的變電所亭動態(tài)運維系統(tǒng)從大數(shù)據(jù)應(yīng)用、高效率、高可靠性的原則出發(fā)，構(gòu)建以滿足變電所亭設(shè)備動態(tài)維護(hù)、AR現(xiàn)場監(jiān)測、遠(yuǎn)程指導(dǎo)等應(yīng)用需求的架構(gòu)模型，同時進(jìn)一步研究開發(fā)設(shè)計窗口。因此該系統(tǒng)的架構(gòu)總共分為5層，分別為設(shè)備層、感知層、傳輸層、平臺層、展示層，如圖3所示[4]。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 設(shè)備層

在設(shè)備層面應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將溫度、壓力等傳感器和其他工業(yè)設(shè)備與5G網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管。

系統(tǒng)主要涉及設(shè)備：變壓器、交流開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、400 V開關(guān)柜、整流器、軌電位限制裝置、雜散電流采集裝置以及接觸網(wǎng)設(shè)備等。

3.2 感知層

依托穿戴式VR設(shè)備采集的信息獲取現(xiàn)場實時畫面，并通過與電力監(jiān)控、在線監(jiān)測或現(xiàn)場智能儀表設(shè)備的接口獲取現(xiàn)場設(shè)備真實狀態(tài)。該層可以獲取AR智能穿戴設(shè)備采集的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、變電所亭智能保護(hù)裝置的保護(hù)信息、故障錄播器的故障信息和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)備信息。

3.3 傳輸層

采用5G、Wi-Fi6等新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)現(xiàn)實低延遲、高帶寬、高可靠的現(xiàn)場監(jiān)測信息傳輸。該層的作用是進(jìn)行外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)換，形成標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要包含以下幾種數(shù)據(jù)源：來自穿戴AR設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）信息和其他在線監(jiān)測信息、其他智能輔助設(shè)備信息以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)備信息。

該層可以實現(xiàn)：與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信；與變電所亭綜合自動化系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)等進(jìn)行通信；與本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信訪問；利用5G高帶寬實時傳輸VR設(shè)備采集的內(nèi)容，至邊緣或中心服務(wù)器進(jìn)行分析處理。

從設(shè)備層到系統(tǒng)的局域網(wǎng)層，5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，再進(jìn)行現(xiàn)場的計算服務(wù)。通過實時計算，一方面可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理和打包分發(fā)，另一方面可以通過對數(shù)據(jù)分析形成對供電設(shè)備的監(jiān)測預(yù)測模型，從而實現(xiàn)對設(shè)備的預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)控和智能控制。

3.4 平臺層

平臺層包含設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、模型管理、標(biāo)識管理4大基礎(chǔ)支撐以及數(shù)據(jù)平臺、模型平臺、業(yè)務(wù)平臺3部分業(yè)務(wù)處理平臺。該層包含對外部信息源轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場巡檢后產(chǎn)生的音視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及對在線監(jiān)測系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和查詢，也是通行大數(shù)據(jù)、人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域。

在平臺層面，云端具有的大數(shù)據(jù)分析、云計算能力和工業(yè)AR技術(shù)將幫助供電運維系統(tǒng)進(jìn)行實時仿真建模，可以對所有底層設(shè)備的信息、分布于各系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。具體功能包括[5]：

（1）對供電系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測和維護(hù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢和在線監(jiān)控；

（2）具有大數(shù)據(jù)處理能力，可以處理海量的供電系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；

（3）具有數(shù)據(jù)建模和分析能力，可以實現(xiàn)3D仿真建模和供電系統(tǒng)AR模型搭建；

（4）可以積累供電系統(tǒng)運營知識和模型，將運維人員或供電系統(tǒng)專家的經(jīng)驗知識沉淀轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型；

（5）可以支持應(yīng)用創(chuàng)新，可以根據(jù)實際情況在平臺上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。平臺在邊緣層獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步計算，將工業(yè)技術(shù)、工業(yè)知識、經(jīng)驗、模型等工業(yè)原理封裝為微服務(wù)功能模塊，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的在線監(jiān)測、AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)、運營優(yōu)化和預(yù)測性維護(hù)等具體應(yīng)用服務(wù)，助力由被動維護(hù)升級為基于平臺的主動智能運維。

3.5 展示層（應(yīng)用層）

VR/AR應(yīng)用主要包含專家遠(yuǎn)程輔助決策、智能巡檢以及可視化培訓(xùn)3個領(lǐng)域應(yīng)用。專家遠(yuǎn)程輔助決策應(yīng)用、智能巡檢應(yīng)用主要由AR可穿戴設(shè)備組成，可通過AR可穿戴設(shè)備中的空間感知定位系統(tǒng)獲取工作人員的空間坐標(biāo)，查詢周圍供變電設(shè)備的當(dāng)前運行情況、運維記錄、歷史缺陷記錄、運維工作工單、廠家及設(shè)備提示信息以及屏柜布置圖等信息，有助于現(xiàn)場運維操作。培訓(xùn)模擬系統(tǒng)主要包括在控制中心服務(wù)器端的數(shù)字孿生模型服務(wù)，依靠采集的實時數(shù)據(jù)建立數(shù)字孿生模型，運營人員通過中心模擬終端在建立的數(shù)字孿生模型中進(jìn)行操作仿真模擬[6]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

實際應(yīng)用案例中，軌道交通變電所亭設(shè)備的監(jiān)測、維護(hù)和管理主要依靠牽引供電設(shè)備專家遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)，以滿足變電所亭設(shè)備動態(tài)維護(hù)、AR現(xiàn)場監(jiān)測、遠(yuǎn)程指導(dǎo)等應(yīng)用需求。

具體來說，當(dāng)變電所亭設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動發(fā)出報警信息并將相關(guān)信息發(fā)送給維護(hù)人員。維護(hù)人員可以通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程查看設(shè)備的運行狀態(tài)，利用AR技術(shù)進(jìn)行實時指導(dǎo)，快速解決問題。除了故障處理，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)供電系統(tǒng)的在線監(jiān)測、運營優(yōu)化和預(yù)測性維護(hù)等具體應(yīng)用服務(wù)，可以通過物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)實時監(jiān)測供電設(shè)備運行狀態(tài)，分析運行數(shù)據(jù)，預(yù)測設(shè)備的故障風(fēng)險。

此外，系統(tǒng)還可以提供設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，如關(guān)鍵指標(biāo)和分析報告，為運營決策提供參考，優(yōu)化供電系統(tǒng)的運行效率。

5 結(jié)語

VR/AR技術(shù)在軌道交通運維方面的研究已經(jīng)取得了一定成果，并逐漸應(yīng)用于現(xiàn)實場景中。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，VR/AR技術(shù)將不斷提高其在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用效果和性能，包括更高的分辨率、更快的響應(yīng)速度和更豐富的交互模式。VR/AR技術(shù)還將更加廣泛地應(yīng)用于電氣化鐵路的運營和維護(hù)中，包括供電設(shè)備的實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程故障診斷、維護(hù)預(yù)警和遠(yuǎn)程協(xié)作等方面，實現(xiàn)對鐵路系統(tǒng)的全方位智能監(jiān)控。同時，VR/AR技術(shù)將與其他技術(shù)相結(jié)合，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)電氣化鐵路的高效、安全、智能運營。

數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的重要方向。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，變電所亭的智能運行維護(hù)需求也越來越高，傳統(tǒng)的手動巡檢方式已無法滿足。而基于VR/AR技術(shù)的變電所亭動態(tài)運維系統(tǒng)可以為變電所亭的監(jiān)測、維護(hù)和管理提供新的解決方案。本文所述系統(tǒng)整合了物聯(lián)網(wǎng)、5G、VR/AR、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)，實現(xiàn)了對變電所亭中設(shè)備的智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)管，提高了設(shè)備運行的效率和安全性。同時，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢、在線監(jiān)測、專家遠(yuǎn)程輔助決策和可視化培訓(xùn)等多項功能，實現(xiàn)變電所亭運行維護(hù)工作的智能化、可視化。