基于VR/AR的牽引供電設備專家遠程輔助決策系統研究

彭 程，黨曉勇

0 引言

隨著信息化技術的不斷發展，智能化電網、數字智能化變電所亭的建設已經成為行業重點發展方向。數字智能化變電所亭以智能化為目標，通過各種信息技術手段實現對變電所亭設備運行狀態的實時監測、數據分析和智能管理，從而提高供電可靠性、維護效率和安全性。其中，VR/AR技術的應用成為數字化變電所亭的重要組成部分。在數字化變電所亭中，VR/AR技術能夠通過智能穿戴設備采集、分析進而呈現變電所的實時監測數據和運行狀態，實現遠程指導和實時決策支持，提高運維效率和安全性。本文將重點探討基于VR/AR技術的數字智能化變電所亭維護系統的總體目標規劃、系統構成和應用。

1 總體目標及規劃

利用數字化、智能化技術管理電氣化鐵路，可在變電所亭的生產和運營各個階段收集全面的感測數據，通過對每個階段和過程進行全面建模及仿真，應用衍生而出的數字孿生技術實現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，可以實現對物理系統的反饋優化，推動變電所亭基于數據驅動和智能化的運維管理發展和提升。

為了促進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，如圖1所示。

依托VR/AR技術的變電所亭運維應用是一種融合多種數字化技術的創新，采用建模工具在數字空間中構建精準的物理對象模型，利用實時的物聯網數據進行現場與中心的交互操作。此外，通過數據與模型集成融合，構建綜合決策和展示功能，推動智能運維應用更加智能化和快速化[1]。圖2所示為變電所專家遠程輔助決策系統總體規劃。

圖2 變電所專家遠程輔助決策系統總體規劃

2 系統功能

該系統總體規劃分為連接層、映射層、決策層、業務應用層。

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智能供電運維應用的起始和終止環節。通過深層次的采集感知獲取供電系統設備的全方位數據，利用高質量反饋信息附加給終端進行展示。

2.2 映射層

映射層具備數據互聯、信息互通、模型互操作功能，同時數據、信息、模型三者間能夠實時融合。數據互聯指通過工業通信實現供電設備的物理狀態數據等全生命周期數據集成；信息互通指利用數據字典、元數據描述等功能，構建統一信息模型，實現物理對象信息的統一描述；模型互操作指通過多模型融合技術將幾何模型、仿真模型、業務模型、數據模型等多類模型進行關聯和集成融合，以便上層進行較好的應用。

映射層中最重要的是數據流轉。映射層的核心思路是構建一套使數據“流動”起來的機制和框架，實現系統內外部的數據匯聚，對數據進行重新組織和聯接，為業務可視化、分析、決策等提供數據服務。映射層可以形象地比喻為：形成匯聚的“電流”、可控的“開關”、一體化管理的“電容”和支撐應用的“電源”。

匯聚的“電流”：明確供電體系中各項數據的“源頭”，針對不同的數據源提供有針對性的數據匯聚方式，將各類數據引入“電容”中，并實現數據的持續“流動”更新。

可控的“開關”：“開關”的作用是對數據進行管控，通過“電流”源源不斷匯聚來的原始數據不能直接對外服務，而需遵照數據標準，基于數據模型、應用需求對數據進行融合與治理。

一體化管理的“電容”：“電容”是數據平臺的核心，能夠對結構化、半結構化、非結構化數據進行統一存儲與管理，既能適應數據規模的不斷擴大，也能滿足業務應用系統多類型計算引擎的支撐要求，通過數據標準管理、數據模型管理、數據質量管理、數據開發管理、數據資產管理等一系列環節保障數據的一致性、可用性與安全性。

可用的“電源”：“電源”的作用是“抽取”和“輸送”。數據平臺建設的目的是更好地支撐數據服務，給各類業務提供更加靈活的使用數據、分析數據的方式，最大限度挖掘數據價值。

2.3 決策層

在連接層和映射層的基礎上，通過綜合決策實現描述、診斷、預測、處置等不同深度應用，并將最終決策信息反饋給現場，支撐實現閉環控制。

2.4 業務應用層

基于VR/AR技術的牽引變電所亭動態運行維護應用基于融合了供變電設備在線監測、智能指揮、遠程診斷和運行維護管理等多個子系統，目的在于促進運行維護工作效率，同時能夠充分應對未來智能運維系統的升級與發展。該系統具備以下4個方面的應用場景：

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

（2）通過5G網絡處理在線監測數據，對供變電設備進行在線監測。能夠對變壓器、SF6斷路器、避雷器和隔離開關的實時狀態進行監測，同時能夠收集涉及設備實際運行狀態的物理量，并對這些數據進行趨勢分析，逐步實現人與設備的互動，為檢修提供技術指導。再者，在運行巡視和監控方面，該系統能夠提升工作人員巡視與監控能力，強化對設備狀態的監管，合理安排巡視計劃。此外，能夠對設備狀態的重要指標進行有效監督，以助于提高變電設備管理的信息化、標準化和互動化。系統能夠對變電所亭的基本情況和運行情況進行評價，并給出相應指標。分別從變電所亭電壓等級，設備投運年限、設備運行環境、設備數量、設備類型和所內設備缺陷數量以及缺陷類別等方面進行統一評價。

（3）AR眼鏡/頭盔對現場情況進行數據展示分析及專家求助。在操作現場，工作人員通過采用穿戴AR頭盔或AR眼鏡，能夠現場錄音、錄像和拍照以獲取現場證物信息以及實現人員定位、操作人員路徑規劃，并實時反映操作人員的工作位置；獲取遠程資料、與后臺調度人員進行遠程對話咨詢等。例如，作業人員在實施作業時，智能設備通過識別操作人員的語音提示，從數據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、工作任務及導航指示；在進行具體操作時，智能設備能夠根據任務的屬性對作業任務進行安全風險評估，并對任務中的風險點進行提示，同時給出避免風險的措施。當在操作過程中遇到疑問時，操作人員可以點擊智能設備上的“疑問求助”按鍵或發出語音指令向智能設備提出疑問解答請求，智能系統從數據庫中尋找相關解決方案；也可以通過系統向遠程專家求助，專家根據智能設備傳遞的現場實際操作信息予以解答。

（4）應用數字孿生的VR智能系統對運維人員進行培訓。VR智能系統通過使用3D技術使學員增強對目標物體的視覺感知，從多個角度對目標物體進行觀察，同時也可以實現不可見、抽象的概念和事物的可視化與具體化。在供變電培訓方面，通過VR技術可將運營過程中難以觀察的信息經過增加渲染顯現出來。通過VR系統的物理建模，可將發電、輸電、變電和配電等多個運行環節轉換為直觀的視覺模型，學員使用VR終端可直接觀察并了解到供變電設備的電力產生及傳輸過程。此外，通過VR技術，可以更加深刻地了解到供變電在建設、運行、檢修等多個環節的風險情景，同時幫助學員在情景體驗中掌握必要的風險應對技能[2-3]。

3 系統架構

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、負荷開關和防雷設備等。而變電所亭運行維護系統主要是對這些設備的監測與維護，以實現變電所亭的正常運行。在數字化變電所亭系統的基礎上，建立以VR/AR技術為核心的變電所亭運行維護系統，以正常管理維護變電所亭中牽引變電設備。

基于AR技術的變電所亭動態運維系統從大數據應用、高效率、高可靠性的原則出發，構建以滿足變電所亭設備動態維護、AR現場監測、遠程指導等應用需求的架構模型，同時進一步研究開發設計窗口。因此該系統的架構總共分為5層，分別為設備層、感知層、傳輸層、平臺層、展示層，如圖3所示[4]。

圖3 系統架構

3.1 設備層

在設備層面應用物聯網技術，將溫度、壓力等傳感器和其他工業設備與5G網絡相連，實現對供電系統相關設備的智能化識別、定位、跟蹤、監管。

系統主要涉及設備：變壓器、交流開關柜、直流開關柜、400 V開關柜、整流器、軌電位限制裝置、雜散電流采集裝置以及接觸網設備等。

3.2 感知層

依托穿戴式VR設備采集的信息獲取現場實時畫面，并通過與電力監控、在線監測或現場智能儀表設備的接口獲取現場設備真實狀態。該層可以獲取AR智能穿戴設備采集的現場監測數據、變電所亭智能保護裝置的保護信息、故障錄播器的故障信息和生產管理系統的設備信息。

3.3 傳輸層

采用5G、Wi-Fi6等新一代網絡通信技術現實低延遲、高帶寬、高可靠的現場監測信息傳輸。該層的作用是進行外部系統數據的接收與轉換，形成標準的結構化數據，主要包含以下幾種數據源：來自穿戴AR設備的現場監測數據、數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）信息和其他在線監測信息、其他智能輔助設備信息以及生產管理系統的設備信息。

該層可以實現：與控制中心進行數據交換與通信；與變電所亭綜合自動化系統、管理子系統等進行通信；與本地數據庫進行通信訪問；利用5G高帶寬實時傳輸VR設備采集的內容，至邊緣或中心服務器進行分析處理。

從設備層到系統的局域網層，5G工業網絡可以預先對數據進行清洗，再進行現場的計算服務。通過實時計算，一方面可以對采集的數據進行壓縮處理和打包分發，另一方面可以通過對數據分析形成對供電設備的監測預測模型，從而實現對設備的預警、狀態監控和智能控制。

3.4 平臺層

平臺層包含設備管理、數據管理、模型管理、標識管理4大基礎支撐以及數據平臺、模型平臺、業務平臺3部分業務處理平臺。該層包含對外部信息源轉換后的數據和現場巡檢后產生的音視頻等非結構化數據以及對在線監測系統和電力監控系統結構化數據進行存儲和查詢，也是通行大數據、人工智能的應用領域。

在平臺層面，云端具有的大數據分析、云計算能力和工業AR技術將幫助供電運維系統進行實時仿真建模，可以對所有底層設備的信息、分布于各系統的信息和數據進行統一管理。具體功能包括[5]：

（1）對供電系統進行實時監測和維護，實現遠程巡檢和在線監控；

（2）具有大數據處理能力，可以處理海量的供電系統實時數據和歷史數據；

（3）具有數據建模和分析能力，可以實現3D仿真建模和供電系統AR模型搭建；

（4）可以積累供電系統運營知識和模型，將運維人員或供電系統專家的經驗知識沉淀轉化為數字化模型；

（5）可以支持應用創新，可以根據實際情況在平臺上進行應用開發。平臺在邊緣層獲取數據并進行初步計算，將工業技術、工業知識、經驗、模型等工業原理封裝為微服務功能模塊，實現對供電系統的在線監測、AR遠程指導、運營優化和預測性維護等具體應用服務，助力由被動維護升級為基于平臺的主動智能運維。

3.5 展示層（應用層）

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

4 系統應用

實際應用案例中，軌道交通變電所亭設備的監測、維護和管理主要依靠牽引供電設備專家遠程輔助決策系統，以滿足變電所亭設備動態維護、AR現場監測、遠程指導等應用需求。

具體來說，當變電所亭設備出現故障時，系統將自動發出報警信息并將相關信息發送給維護人員。維護人員可以通過系統遠程查看設備的運行狀態，利用AR技術進行實時指導，快速解決問題。除了故障處理，系統還可以實現供電系統的在線監測、運營優化和預測性維護等具體應用服務，可以通過物聯網和5G技術實時監測供電設備運行狀態，分析運行數據，預測設備的故障風險。

此外，系統還可以提供設備的運行數據和運行狀態，如關鍵指標和分析報告，為運營決策提供參考，優化供電系統的運行效率。

5 結語

VR/AR技術在軌道交通運維方面的研究已經取得了一定成果，并逐漸應用于現實場景中。未來，隨著技術的不斷發展和成熟，VR/AR技術將不斷提高其在軌道交通領域的應用效果和性能，包括更高的分辨率、更快的響應速度和更豐富的交互模式。VR/AR技術還將更加廣泛地應用于電氣化鐵路的運營和維護中，包括供電設備的實時監測、遠程故障診斷、維護預警和遠程協作等方面，實現對鐵路系統的全方位智能監控。同時，VR/AR技術將與其他技術相結合，如人工智能、物聯網和大數據等，實現電氣化鐵路的高效、安全、智能運營。

數字化、智能化、網絡化是電力系統轉型升級的重要方向。隨著智能電網的建設，變電所亭的智能運行維護需求也越來越高，傳統的手動巡檢方式已無法滿足。而基于VR/AR技術的變電所亭動態運維系統可以為變電所亭的監測、維護和管理提供新的解決方案。本文所述系統整合了物聯網、5G、VR/AR、大數據、云計算等前沿技術，實現了對變電所亭中設備的智能識別、定位、跟蹤、監管，提高了設備運行的效率和安全性。同時，該系統能夠實現遠程巡檢、在線監測、專家遠程輔助決策和可視化培訓等多項功能，實現變電所亭運行維護工作的智能化、可視化。