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基于边缘计算的混合现实数字孪生解决方案

1 目标和概述

1.1 主要目标

随着云计算、IoT、大数据、空间计算等新一代信息技术与工业的融合与应用落地,世界各国纷纷出台了各自的先进制造发展战略,实现工业的物理世界与信息世界的互联互通与智能化操作,进而实现智能工业。

国务院国资委于2020年9月下发的《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》中明确指出,要运用5G、云计算、区块链、人工智能、数字孪生、北斗通信等新一代信息技术,探索构建适应企业业务特点和发展需求的“数据中台”“业务中台”等新型IT架构模式,建设敏捷高效可复用的新一代数字技术基础设施。数字孪生(digital twin)是以数字化方式创建物理

实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。数字孪生产品面向产品全生命周期过程,发挥连接物理世界与信息世界桥梁与纽带作用,提供更加实时、高效、智能的服务。

1.2 总体概述

基于边缘计算的混合现实数字孪生解决方案的设计理念以数字孪生技术体系和5G为依托,针对能源工业领域场景,开展远程指导软件操作、任务演练、硬件故障定位维修以及过程自动记录等工作,支持后方专家增强现实图像标注,实时传输给前方相关辅助内容、标注提示或者虚拟内容叠加到实际场景,提升专家沟通和问题处理效率,进一步发挥人工智能、知识图谱等技术优势,推动设备维护智能化、高效化发展,将人工智能和增强现实技术赋能于现场作业场景,打造资产全寿命周期、智能延伸、主动服务的数字孪生新模式。

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图1 解决方案设计理念

2 解决方案介绍

2.1 产品功能

2.1.1 技术服务

新基建是数字化的基础设施建设,是将原有基础建设的物理实体逐步数字化的过程,也是在数字孪生概念中物理实体与虚拟实体复制的过程,需要三维重建物理场景变成虚拟场景并关联传感器、设备台账信息等抽象数据。本解决方案采用BIM技术体系为资产全寿命周期管理的框架,使用自主研发的激光扫描仪、无人机三维重建云平台等一系列适用于不同场景的三维重建技术, 为传统基建建设的数字孪生化打下坚实基础。

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图2 激光点云建模

2.1.2 软件模块

(1) 数字孪生基础搭建平台DT-P1000系列,由PC 端三维展示与远程支持平台软件、通信信令服务器模块和现场增强现实(AR)终端基础软件三部分组成;

(2) 远程专家协同模块DT-M1000,包括数字孪生融合、电话会议、语音通信、三维标记、监控视频融合、现场视频采集、异地可视化监管、远程审核功能;

(3) 高精度室内定位模块DT-M2000,涵盖基于激光ToF传感器、视觉传感器和惯性测量单元(IMU) 的SLAM定位系统,在室内环境中做到厘米级的定位精度,支持多种手机、平板和增强现实眼镜等终端设备;

(4) 标准作业三维化模块DT-M4000,包括三维操作步骤增强现实、操作后结果三维对比和操作教学等功能;

(5) 系统接口模块DT-M5000,包含IoT平台接口、SCADA系统接口和普通传感器接口等;

(6) 知识图谱DT-M6000,提供流程标准化、案例数字、作业卡数字化、图纸数字化和空间坐标关联的知识图谱系统;

(7) 故障和缺陷数字孪生模块DT-M7000,涵盖现场缺陷与故障记录带三维坐标,在数字孪生体中同步缺陷/故障位置;现场维修过程会直接调用上次记录的 缺陷/故障位置,并通过室内导航引导工作人员到该位 置维修。

2.2 详细方案

2.2.1 项目设计

本解决方案以增强现实通信、三维展示、三维指导、三维查询和知识图谱系统为主,包括3大平台、9大应用模块、33个二级应用功能。应用框架如图3所示:

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图3 应用框架

(1)增强现实平台:基于可穿戴式智能硬件开发的增强现实应用,包括三维感知、增强现实视频录制、电话会议、增强现实标注和基于案例的知识图谱应用;

(2)远程指导服务平台:是一款服务端应用,提供设备数字孪生数据结构存储、设备三维模型非结构化数据存储、电话会议信令服务器、三维标记和文字存储与转发以及应急案例应用;

(3)后端支持平台:是一款基于PC端开发的后台专家指导应用,包括电话会议,视频与截图辅助和三维标记应用。

2.2.2 5G

(1)基站具体参数:

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

  • 系统带宽:≥100MHz;

  • 下行单用户峰值谱频率:30bps/Hz;上行单用户峰值谱效率:15bps/Hz;

  • 下行单用户MI MO流数: 8 ; 上行单用户 MIMO流数:4;

  • 下行MU- MI MO流数: ≥ 1 6 ; 上行MU- MIMO流数:≥8;

  • 下行:正交多址;上行:正交多址(可选非正交多址技术);

  • 下行: OFDM; 上行: OFDM和DFT- S- OFDM。

  • 上下行数据面信道编码:LDPC码;上下行控制面信道编码:Polar码;

  • 下行调制方式:QPSK、16QAM、64QAM和256QAM;上行调制方式:QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM;

  • 下行控制面信道:支持下行控制信道传输带宽小于100MHz;上行控制面信道:支持短时长和长时 长UL控制信道;长时长UL控制信道长度可灵活分配为 大于或等于1ms;

  • 支持带宽小于等于100MHz的UE接入;

  • 下行: SU- MIMO的最大层数建议不小于 9;MU-MIMO的最大层数建议不小于16;上行:SU- MIMO的最大层数建议不小于4;MU-MIMO的最大层数建议不小于8;

  • 切换性能:支持NR系统内无损切换,切换数据面中断时延为0ms;

  • 控制面时延:从常规的空闲态,如idle或者inactive状态,到发送第一个应用层的数据包的链路建立时延≤20ms;

  • 用户面时延:在无线空口上行/下行方向,从空口协议栈层2/3 SDU入口点到对端协议栈层2/3 SDU 出口点,成功传输一个应用包/消息所用的时延≤4ms;

  • 往返时延:从一个UE发出的数据经过空口到基站的S1口,在S1口直接环回再经过一次空口到UE所用的时间≤10ms;

  • 移动性:UE支持最高500km/h的移动速度。

(2)CPE具体技术指标:

  • 工作带宽:≥40MHz;

  • 硬件技术成熟度:≥8;

  • 工作模式:支持SA模式;

  • 网络功能:支持5G转Wi-Fi;

  • 硬件接口:M.2接口;

  • 工作温度:-40℃~ +75℃;

  • 工作湿度:20%~90%;

  • 系统要求:适配微软/Linux等主流系统。

2.2.3 实景建模与混合现实

(1)设备建模

本方案所有模型均采用PBR(基于物理灯管渲染) 技术流程,实现更真实的视觉效果。

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图4 配网设计项目最终效果图

根据使用的引擎平台要求,每单个模型包含四张不同功能的贴图,从而实现逼真的视觉效果。包括:

  • 色彩贴图:表现物体的基本色彩,花纹及文字信息;

  • 法线贴图:对于不需要互动及拆分的模型细节,可以通过法线贴图完善,保证了在低面数下,模型细节的丰富度;

  • 金属及粗糙贴图:区分单一模型上的不同材质,及材质的粗糙程度,表现同一物体上不同材质时不再需要将模型细化,更能表现不同材质的复杂组合;

  • 闭塞阴影贴图:增加模型的整体立体感。  除上述模型贴图外,另有一些特殊贴图,来控制一些特殊模型效果,可根据模型具体需求进行制作:

  • 贴图:划分模型上的发光区域,可控制发光颜色;

  • 细节纹理贴图: 为模型赋予统一的纹理细节,如墙面的颗粒感、水泥路面等。

在本方案中,为保证视觉效果、显示精度,根据道具模型分类,单个道具拆分后的部件需要制作贴图, 而简单模型共享一套贴图,减少资源浪费。

(2)场景建模

利用倾斜摄影和激光雷达技术,在实地场景对建筑物进行采集,自动生成等比的3D场景模型,根据不同场景的需求与特点,应用Revit建筑软件结合maya等3D建模软件,创建精准的建筑外观模型及内部结构模型。创建建筑通用模型素材,如门、窗、楼梯、电梯、商场陈设、植物装饰物等,配布在场景内,丰富建筑环境及内部陈设细节。

在现场拍摄场景全景图,生成高清skybox,部署于对应场景中,通过GI增强整体场景的真实感。

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图5 某110kV室内实景建模效果图

根据现场实际灯光情况配置灯光,对场景烘焙灯光贴图,模拟现场光线效果,同时还可以减少实时光照造成的资源占用。

混合现实系统的技术路线采用SLAM技术的混合现 实路线,具体原理如图6所示。

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图6 SLAM技术的混合现实路线 

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图7 某110kV变电站GIS室传感器数据实际效果

本项目提供两种混合现实实现方式,一是基于手机或平板的MR显示方式,二是基于头戴式显示设备的MR 融合显示方式。其中手机或者平板支持Android ARcore 和iOS ARkit,头戴式显示设备基于Trimble XR10。

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图8 基于Trimble XR10头戴式显示设备

2.2.4 边缘计算

将计算放到边缘计算节点,充分使用5G的高带宽、低时延的特性,在满足应用效果的前提下,降低成本和提升续航能力。通过在变电站主控室部署边缘计算节点,将耗费计算资源的SLAM和三维渲染放到边缘计 算节点上,降低智能可穿戴设备的成本、提升设备的续航时间。实施方式架构图如图9所示。

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图9 实施方式架构图

3 代表性及推广价值

目前我国有变电站约5万座,油田钻井约1.5万座, 电厂发电容量超过20亿千瓦,本解决方案适用于能源行业,包括电网变电站、电厂、油田等生产作业现场应用场景,其在能源工业领域属于刚需,根据现场一线人员的反馈,虽然软件成熟度有待提高,但是从工作人员到管理人员均抱有强烈的期待,目标市场对本解决方案的接受程度高。

根据2014~2018年电网事故数据分析可知,违规违章操作是电力事故的主要原因,占到了事故总量的77%,通过本解决方案的推广实施,可以以厘米级的精度规范现场工作人员的操作对象、活动范围和操作精度,极大降低由违规违章操作造成的人员伤亡、电网事故和经济损失。

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