广播电视发射台站孪生系统的设计与实现

骆昌赓，朱本善

（广东省广播电视技术中心中波总台，广东 广州 510060）

0 引 言

传统广播电视发射台站（以下简称台站）的人机交互只能通过用户界面完成，普遍存在不直观的问题。本文设计一种系统，通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术表示整个台站的运维交互，给用户带来身临其境的人机交互体验，进一步提高台站的运维效率。

数字孪生也叫数字映射、数字分身，是现实世界的物理系统或产品的虚拟表示。在系统模拟、集成、测试、监控及维护等实际用途中，它作为数字虚拟分身存在于信息化平台中，并提供相关的服务。它通过接收物理系统发送来的实时数据，模拟相关行为，同时也能监控、操作物理实体。借助数字孪生，用户可以在信息化平台上了解物理实体的状态，同时能够远程控制设备与系统，从而预判后期可能会出现的故障，以便在故障发生之前做到更好的规避。

台站孪生系统就是台站在信息化平台的虚拟实现或分身[1]。技术人员利用标准作业指导书和数字孪生分别建立标准台站和映射台站，通过映射台站与标准台站之间的对比分析，能够发现异常情况[2]。借助台站孪生系统，运维人员能够做到实时了解设备的状态、组织监控操作、执行预测性维护，缩短宕机时间等，从而达到提高生产效率的目的。该系统增加了数据展示分析手段，提高了数据分析监测效率[3]。

台站孪生系统运行在浏览器端，通过3D可视化技术来还原物理世界中的台站。台站孪生系统中的虚拟设备就是真实设备的一个映射，同时具有真实设备的大部分属性和功能[4]，包括物体外观、操作控制以及实时数据反馈等。

1 技术方案

1.1 基于原生引擎的3D可视化

WebGL是浏览器端的原生Javascript应用程序接口（Application Programming Interface，API），用来绘制2D和3D图形，具有较高的渲染性能。同时，各大浏览器厂商都很好地支持了该API。但是它有个明显的缺点，即在API层没有提供抽象的封装。这意味着较低的开发效率。不仅开发周期长，而且后期维护迭代效率低下。

本文所述的孪生系统配套的原生库是一种浏览器端的Javascript库，用来绘制3D图形。它在底层使用了WebGL技术，同时抽象封装了各种操作接口，正好弥补了WebGL开发效率低的问题。但是对于开发稍复杂的应用系统而言，就需要对技术人员有更高的要求了。

为弥补上述问题，本文系统配套使用了原生引擎，具有高度的可移植性，支持广泛的桌面、移动、控制台和虚拟现实平台。引擎内部集成了可视化编程框架（即蓝图），相比于传统的编程方式，蓝图的开发效率又提升了一个阶梯，技术人员只需通过简单的拖拽就能完成对应的功能模块开发。台站系统的3D可视化部分使用高性能的原生引擎来开发，同时针对台站的应用场景做了抽象封装。

1.2 界面交互开发

实现用户界面的交互，常见的开发技术有原生开发、声明式开发等。原生开发使用的是命令式编程，声明式开发使用的是声明式编程。声明式编程是一种编程范式，它是一种构建计算机程序结构和元素的风格，表达了计算的逻辑而不描述其控制流。命令式编程是另外一种编程范式，使用改变程序状态的语句，这与自然语言中的命令式表达命令的方式相同，命令式程序由计算机执行的命令组成。命令式编程侧重于描述程序如何逐步运行，而不是对其预期结果的高级描述。

在日常开发中，技术员需要花很多的时间去手动处理（即命令式编程）界面元素的显示与更新，而这些操作都是不得不做的且没有技术含量的烦琐事项。使用声明式编程后，技术人员只需要关注界面元素的数据，而不必关心如何显示及更新界面元素。目前主流的声明式框架大同小异，为规避部分声明式框架虽然更加成熟稳定但灵活性不够的问题，本文系统采用渐进式框架，在易用性、灵活性等方面更优越，更适合界面交互的开发和应用扩展。

1.3 渲染问题

众所周知，3D场景的渲染非常消耗图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）。假如使用传统的开发技术方案，可能需要给每个用户浏览器终端配置一个高性能的显卡，这将会增加一定的硬件成本。另外，浏览器在加载场景中的3D模型尤其是较大模型时，往往对网络带宽有更高的要求。而使用原生引擎和像素流技术，能很好地解决这两个问题。像素流技术是指在服务端运行应用实例，然后实时地编码每一帧画面，再通过网络将每一帧画面传递到客户端；客户端收到编码帧后，自动完成解码并播放。简单概括就是，台站系统在服务端实时地生成音视频流并及时地推送到浏览器终端，浏览器终端实时地监控用户操作行为并及时地反馈给服务端的台站系统。

2 技术创新

台站孪生系统把台站运维带进了数字孪生的世界。在这个虚拟世界里面，运维人员能高效地完成台站运维的相关工作。在技术方面，本系统没有采用传统的技术方案来开发Web 3D应用系统，而是创新性地采用高效可靠的原生引擎及像素流的方案来开发应用系统。

3 系统展现

3.1 台站概览

3.1.1 信息面板

信息面板使用悬浮层的方式展示相关的元素。这里主要展示系统重要的指标数据、实时告警信息以及相关统计数据等。通过这些数据，运维人员能够直观地了解整个台站的当前状态，同时能够及时发现问题并解决问题。

3.1.2 台站全景

为了更真实地还原整个台站的全貌，开发系统时，使用摄影测量的方式来创建模型。Reality Capture（RC）是一种摄影测量软件，能够根据无序照片（地面和/或航空照片）或无缝激光扫描创建3D模型。摄影测量的发展趋势正逐步朝着快速、准确，从静态到动态，从二维空间向三维空间发展[5]。目前最常见的应用领域是文化遗产（艺术和建筑）、全身扫描、游戏、测量、绘图、视觉效果和一般虚拟现实。因此，只需借助一台无人机绕台站飞行并拍摄一组照片，使用RC软件即可创建台站的模型。效果如图1所示。

图1 台站全景图

通过视角控制，能够观察到台站的各个部分。其中包含的设备有摄像头、门禁及发射塔等。

（1）摄像头设备。它能够实时地显示当前的监控画面，同时也能与摄像头做一些基本的交互，比如视角转动、焦距控制等。

（2）门禁设备。可以进行远程控制、读取访问记录、语音播报等。

（3）发射塔。当发射信号存在异常时，发射塔会整体闪烁红光，同时系统播报语音告警信息。这时，通过远程交互，运维人员就能迅速定位故障，然后解决问题，从而消除告警。

点击机房，系统将展示机房的摘要信息。通过该信息，运维人员能够直观地了解机房的当前状态。根据业务需要，可以进入机房作进一步的观察。

3.2 台站详情

台站详情场景展示了机房的内部环境，包括各种设备以及设备、机房、工作区的布局等。效果如图2、图3所示。

图2 机房平视示意图

图3 机房俯视示意图

进入到机房模拟空间后，运维人员可以与目标设备进行交互，比如查看设备的最近巡检记录，检查设备的当前状态是否异常等。下面以发射机为例进行说明，效果如图4所示。

图4 交互示意图

设备的信息面板显示了关键的数据如统计数据和详情状态等。统计数据包括入射功率、反射功率、驻波比以及调幅度等；详情状态包括告警、功放和激励器等信息。这些数据对于日常工作、设备维护等都是至关重要的。同时，设备也还原了真实设备上的按钮、显示器等输入和输出设备。这意味着，运维人员在真实设备上执行的操作或流程也能在对应的虚拟设备上完成，比如设备基本的开机、关机、日常维护等操作[6]。

3.3 巡检任务

虚拟场景中存在工作室，这是远程办公的一种应用场景。工作人员进入工作室后，就能查看当天的工作内容。以巡检任务为例：当确认开始任务后，系统将规划出一条巡检路线，并引导工作人员去往不同的设备地点。这时，工作人员要做的就是检查当前设备是否异常，同时记录每个设备的状态，记录方式有虚拟拍照、表单、文字备注等。

4 结 语

本文系统地探讨了广播发射台站孪生系统的设计与实现的基础理论和关键技术，为企业实践数字孪生台站提供了参考；用较低的成本，提升了台站的建设水平，为台站智慧运维大数据建设引入了新思路。在开发方面，使用主流的原生引擎完成3D可视化开发；为了解决渲染性能问题，采用成熟的像素流技术，从而大大降低了浏览器对硬件的配置要求，提高了台站系统的可用性和推广性；界面交互技术使用主流的VUE框架，进一步提高了开发效率。展望未来，待VR等技术更加成熟后可接入本系统。届时，用户只需通过VR设备，就能拥有身临其境的感觉。