基于AR技術(shù)的變電站智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李大勇 楊暢 張永伍 陸小榮

摘要：

針對變電站設(shè)備巡檢環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)人員經(jīng)驗不足、現(xiàn)場缺陷處理效率低下等問題，提出一種基于AR技術(shù)[1]、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和專家知識庫構(gòu)建的智能變電站智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)。以AR眼鏡作為現(xiàn)場信息采集端，通過告訴移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合專家知識庫和設(shè)備運行信息庫[2]，實現(xiàn)專家遠程協(xié)助[3]現(xiàn)場分析定位問題并實現(xiàn)操作步驟遠程監(jiān)督，從而能有效提升巡檢作業(yè)的效率。

關(guān)鍵詞：

AR技術(shù); 智能巡檢; 遠程協(xié)助; 專家知識庫

中圖分類號： TG409

文獻標志碼： A

Application of Remote Assistance System for Intelligent Inspection of Substation Based on the AR Technology

LI Dayong1， YANG Chang1， ZHANG Yongwu1， LU Xiaorong2

（1. State Grid Tianjin Electric Power Company Ltd.， Tianjin 300010， China;

2. Nanjing SPNICE Technology Development Co. Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211153， China）

Abstract：

The substation equipment inspection environment is complex， andthe operating personnel lacks experience， onsite defect processing efficiency and other issues. This paper proposes an intelligent substation intelligent inspection remote assistance system based on AR technology， mobile Internet technology and expert knowledge base. The system takes AR glasses as the field information collection terminal， combines the expert knowledge base and equipment operation information library， and realizes the expert remote assistance and remote supervision of the field analysis and operation step， so as to effectively improve the efficiency of the inspection operation.

Key words：

AR technology; intelligent inspection; remote assistance; expert knowledge base

0引言

電力是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，電力設(shè)備是電力生產(chǎn)經(jīng)營的生命線。而變電站設(shè)備的可靠運行，直接影響到輸變電生產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定。因此保證變電站的設(shè)備處于健康狀態(tài)[4]非常重要。變電站設(shè)備巡檢是指變電站通過對其所管轄范圍內(nèi)的變電設(shè)備進行的定期巡視、檢查以保證變電設(shè)備正常運行的一項日常工作。

變電站巡檢工作是變電運行管理工作的一個重要組成部分，是檢查設(shè)備運行狀況、掌握設(shè)備運行規(guī)律、確保設(shè)備安全運行必不可少的基礎(chǔ)工作。通過提高設(shè)備巡檢質(zhì)量，可改善變電站運行管理水平，確保變電站設(shè)備安全高效運行。

目前變電站內(nèi)設(shè)備涉及電壓等級多、設(shè)備種類型號多、新舊程度不一，因此如何提高變電站設(shè)備的巡檢質(zhì)量是保證設(shè)備安全運行，提高電網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵，近幾年在變電站巡檢方面主要存在以下問題：

（1） 部分運維人員業(yè)務(wù)素質(zhì)不高、巡檢專業(yè)知識匱乏。長期重復(fù)性巡檢工作，易造成對巡檢工作的厭倦和麻痹大意，巡檢不認真、不到位、不全面，存在走馬觀花的問題。

（2） 部分變電站長期運行已逾20年，設(shè)備老齡化問題嚴重，存在著諸多長期存在且難以解決的安全隱患，無疑增加了變電站設(shè)備巡檢工作的難度，導(dǎo)致巡檢效率較低、巡檢質(zhì)量不高、深層次的缺陷問題難以發(fā)現(xiàn)。

（3） 隨著特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的建設(shè)、大規(guī)模新能源系統(tǒng)的接入，電網(wǎng)特性日趨復(fù)雜，電力設(shè)備的種類和型號呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化[5]，且由于不同時期設(shè)備新舊程度不一，導(dǎo)致引發(fā)缺陷的因素越來越多，部分缺陷可發(fā)展存在較長時間，若運維人員對設(shè)備缺陷掌握不清，將造成巡檢時設(shè)備上的缺陷（尤其是可發(fā)展的缺陷，比如設(shè)備滲漏、發(fā)熱等），不能得到足夠的重視和控制，將進一步發(fā)展。

（4） 未建立長期有效的專業(yè)知識及典型經(jīng)驗分享、交流、學(xué)習(xí)機制。未將一些經(jīng)驗豐富的專家對現(xiàn)場問題分析和處理經(jīng)驗形成可供班組運維人員學(xué)習(xí)的知識庫，導(dǎo)致知識傳播范圍有限。同時由于受限于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及終端裝備技術(shù)的限制，專家也無法為現(xiàn)場作業(yè)人員提供技術(shù)支撐。

針對變電站巡檢中的以上問題，本文特別提出了綜合AR技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合設(shè)備運行信息、典型問題處置方法等經(jīng)驗構(gòu)成了一套智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)。該系統(tǒng)可解決知識共享、缺陷分析與定位、缺陷處理與監(jiān)督[6]，從而可以充分利用專家積累的豐富經(jīng)驗，為現(xiàn)場作業(yè)提供強有力的指導(dǎo)。使用本文提供的遠程協(xié)助系統(tǒng)，可以大大減少巡檢的人力和花費的時間，從而為電力運維部門節(jié)省大量的人力成本并提升運營效率。

2巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)的構(gòu)成

本文所介紹的基于AR技術(shù)的智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)的框架，如圖1所示。

系統(tǒng)主要由站內(nèi)作業(yè)端、服務(wù)端和專家協(xié)作端三端及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中站內(nèi)協(xié)作端主要是AR眼鏡，服務(wù)端包括巡檢作業(yè)管理系統(tǒng)、設(shè)備運行信息庫、專家知識庫及設(shè)備運行信息庫和遠程協(xié)助服務(wù)器，專家協(xié)作端主要包括專家終端，各個組成部分的主要功能介紹如下。

2.1遠程協(xié)助服務(wù)器

遠程協(xié)助服務(wù)器是遠程協(xié)助系統(tǒng)的中樞節(jié)點，它完成接入位于變電站現(xiàn)場的AR眼鏡和專家終端（包括PC機和移動終端），并連接巡檢作業(yè)管理庫、設(shè)備運行信息庫、專家知識庫，專家可通過查看當前作業(yè)信息、當前問題設(shè)備信息及歷史記錄、搜索專家知識庫完成分析分析和形成處理建議。遠程協(xié)助服務(wù)器作為各個相連節(jié)點的信息中轉(zhuǎn)中心，完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[7]，還可實時監(jiān)視個鏈接節(jié)點的工況信息。

1） 巡檢作業(yè)管理系統(tǒng)

巡檢作業(yè)管理系統(tǒng)提供巡檢計劃規(guī)劃、巡檢作業(yè)新建及巡檢作業(yè)流程處理、巡檢作業(yè)統(tǒng)計查詢等功能。在巡檢作業(yè)管理后端創(chuàng)建好作業(yè)任務(wù)，經(jīng)過必要的審批流程后，由AR眼鏡下載待完成的任務(wù)，作業(yè)人員在現(xiàn)場利用AR眼鏡進行作業(yè)，確認作業(yè)項目是否合格，并記錄現(xiàn)場問題，作業(yè)完成后將作業(yè)記錄提交到后臺。

2） 專家知識系庫

專家知識庫是電網(wǎng)基礎(chǔ)知識、操作規(guī)范、巡檢相關(guān)知識、常見問題描述、問題定位與分析案例、典型問題處理步驟等方面的文字、圖片、語音、視頻等多媒體信息的集合。在這些基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，專家知識庫還提供推理功能，由算法或決策策略來進行與知識庫內(nèi)各項專門知識的推論，依據(jù)使用者的問題來推得正確的答案。專家知識庫提供人機接口，接口的主要功能是提供相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入與輸出，可以由知識管理工程師或領(lǐng)域?qū)＜蚁驇熘性黾有碌闹R項，完成知識庫的完善;而使用者則利用接口達到根據(jù)輸入信息獲取輸入問題的參考解決方案。

3） 設(shè)備運行信息庫

設(shè)備運行信息庫是保存設(shè)備當前運行狀態(tài)、歷史巡檢記錄及缺陷記錄信息的系統(tǒng)，從這里可以獲取設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和歷史運行軌跡信息，從而為現(xiàn)場問題分析及處理方法提供依據(jù)。

2.2AR眼鏡

AR（Augmented Reality）是利用計算機生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環(huán)境，通過各種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中，他是一種全新的人機交互技術(shù)，利用這樣一種技術(shù)，可以實現(xiàn)現(xiàn)場廠家與虛擬場景的疊加，形成一個全新的虛擬世界[8]。AR的優(yōu)越性體現(xiàn)在實現(xiàn)虛擬實物和真實環(huán)境的結(jié)合，讓真實世界和虛擬物體共存，同時它實現(xiàn)了虛擬世界和真實世界的實時同步，滿足用戶在現(xiàn)實世界中真實地感受虛擬空間中模擬的事物，增強了使用的互動性。

一個完整的AR系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)、視頻輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、動作捕獲跟蹤系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、語音識別、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)連接[9]。AR眼鏡是一個高度集成的一體化AR設(shè)備，處理具備AR的基本功能外，還需要在輕便、易操作等各方面進行優(yōu)化提升。AR系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

本系統(tǒng)中采用的AR眼鏡采用主流處理器，配個4G內(nèi)存，64G存儲器，提供OLED雙目1024x768高透光眼鏡、1300萬像素光學(xué)防抖攝像頭，采用安卓操作系統(tǒng)，支持標準的android APP運行，提供支持語音識別、手勢控制及控制按鈕等輸入方式，網(wǎng)絡(luò)連接方式支持wifi、藍牙及4G移動網(wǎng)絡(luò)連接，配備1200mAH鋰電池，支持長達8小時的續(xù)航能力。

在本系統(tǒng)中，AR眼鏡是現(xiàn)場作業(yè)平臺，既可以在現(xiàn)場執(zhí)行巡檢作業(yè)的操作，也可根據(jù)需要進入遠程協(xié)助交互模式，向?qū)＜野l(fā)送信息或接收專家發(fā)送過來的指導(dǎo)信息。

2.3專家終端

專家終端是專家用來進行遠程協(xié)助操作的PC及或移動終端，專家可以在終端上完成對現(xiàn)場作業(yè)的遠程指導(dǎo)，包括接收AR眼鏡傳回的文字、圖片、語音視頻信息進行問題定位分析，并將處理建議信息發(fā)送到AR眼鏡。在PC端，專家是通過網(wǎng)頁訪問服務(wù)器進行操作的，在移動終端上，是通過APP程序進行操作的。

2.4通信網(wǎng)絡(luò)

遠程協(xié)助系統(tǒng)[10]能夠正常工作的基礎(chǔ)是AR眼鏡、專家終端及遠程協(xié)助服務(wù)器能形成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。遠程協(xié)助服務(wù)器位于局端的電網(wǎng)安全內(nèi)網(wǎng);AR眼鏡在變電站內(nèi)通過移動4G網(wǎng)絡(luò)接入安全內(nèi)網(wǎng)，在辦公區(qū)域，也可通過Wifi接入安全內(nèi)網(wǎng);移動終端式的專家終端通過Wifi或4G網(wǎng)絡(luò)接入安全內(nèi)網(wǎng);PC機式的專家終端一遍與遠程協(xié)助服務(wù)器位于同一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?；谝苿?G接入的通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)如圖3所示。

在圖3中，從廣域網(wǎng)到電力安全內(nèi)網(wǎng)[11]（或電力數(shù)據(jù)網(wǎng)）之間需要通過安全接入平臺，安全接入平臺對每臺接入的外網(wǎng)設(shè)備進行認證，只有通過認證的設(shè)備的數(shù)據(jù)才能進入安全內(nèi)網(wǎng)，這樣就可以保證電力數(shù)據(jù)網(wǎng)不會被惡意接入的設(shè)備攻擊。對于巡檢作業(yè)遠程協(xié)助系統(tǒng)，組件一個獨立的局域網(wǎng)，該局域網(wǎng)通過防火墻與安全內(nèi)網(wǎng)相連，這樣可以保證應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的相對獨立性，以充分保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3變電站智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)工作流程

基于本文所設(shè)計的智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)，完成一個巡檢任務(wù)的流程如圖4所示。

1） 在作業(yè)管理系統(tǒng)中創(chuàng)建新的巡檢作業(yè)任務(wù)，填寫任務(wù)名稱、任務(wù)完成時間、任務(wù)責任人等基本信息，并明確本次巡檢的變電站、待巡檢的設(shè)備及作業(yè)流程和作業(yè)內(nèi)容;

2） 任務(wù)經(jīng)過管理人員審批后，指派給責任人執(zhí)行，任務(wù)進入待執(zhí)行狀態(tài);

3） 任務(wù)責任人利用AR眼鏡接收待執(zhí)行任務(wù)，攜帶AR眼鏡到現(xiàn)場作業(yè)，根據(jù)本次任務(wù)流程進行作業(yè)，包括逐條檢查作業(yè)項是否符合要求，對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題進行處理，保存作業(yè)結(jié)果記錄;

4） 在作業(yè)過程中，如碰到疑難問題，可進請求遠程協(xié)助，由專家遠程指導(dǎo)進行問題處理，具體步驟見遠程協(xié)助流程;

5） 所有作業(yè)項完成后，提交作業(yè)結(jié)果，整個任務(wù)完成。

3.1遠程協(xié)助的詳細工作流程

1） 作業(yè)人員攜帶AR眼鏡到現(xiàn)場作業(yè)，當碰到問題需要協(xié)助時，可以呼叫專家遠程協(xié)助，呼叫請求發(fā)送到遠程協(xié)助服務(wù)器。

2） 如果有專家在線，專家會看到現(xiàn)場工作人員的請求，可以進入遠程協(xié)助，一個專家可以同時為多個。

3） 專家進入遠程協(xié)助后，可以直接查看通過AR眼鏡傳回的現(xiàn)場實景，從而可以很方便地知曉當前作業(yè)的站、設(shè)備及現(xiàn)場問題信息。

4） 專家可以通過文字、語音、或視頻通話方式與現(xiàn)場人員進行實時交流，了解故障詳細信息或者給出故障處理指導(dǎo)意見。專家可以通過設(shè)備運行信息庫，查詢設(shè)備的基本信息、設(shè)備運行歷史數(shù)據(jù)及設(shè)備關(guān)聯(lián)的技術(shù)文檔等信息，以這些信息加速故障定位及處理方法;專家可以通過專家知識庫，通過檢索方式檢索與現(xiàn)場故障類似的信息，尋找故障處理方法。

5） 專家通過綜合現(xiàn)場傳回的實時信息及后端知識庫和運行庫的信息，給出處理方法和操作步驟，以文字、圖片、語音、視頻的方式發(fā)送給AR眼鏡。

6） 現(xiàn)場人員，根據(jù)專家給出的處理方法和步驟進行處理，現(xiàn)場操作可通過視頻實時傳回專家終端，此時專家還可遠程監(jiān)視現(xiàn)場人員的操作，如發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員誤操作或操作后的結(jié)果不符合預(yù)期。可立即指示終止現(xiàn)有操作，進行進一步分析并給出更有效的處理辦法。

7） 問題處理完，可結(jié)束遠程協(xié)助。

4系統(tǒng)優(yōu)勢及應(yīng)用效果

本文中的變電站智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)，利用先進的AR技術(shù)、視頻及語音通信技術(shù)和圖像處理技術(shù)[12]，具有以下優(yōu)勢：

1） 解放雙手

AR眼鏡都可以在求助方需要的時候提供所需遠程協(xié)助，甚至提供跨界協(xié)作、管理和快速的工作流部署，解放雙手讓求助方更專注工作本身。

2） 直觀呈現(xiàn)

AR眼鏡將專家終端的信息瞬間轉(zhuǎn)化為可視的圖文信息、3D動畫、視頻等不同形式的可視內(nèi)容。模擬了專家在現(xiàn)場進行分步指導(dǎo)，無論專家是否在現(xiàn)場，都可以完成復(fù)雜問題的維修和故障排除。

3） 知識共享

遠程協(xié)助服務(wù)器可將設(shè)備運行信息庫、專家知識庫、巡檢作業(yè)管理系統(tǒng)中的信息通過AR眼鏡共享給分布在各處的操作人員，同時還可以進行數(shù)據(jù)的采集和優(yōu)化、分析等處理。

4） 專業(yè)督導(dǎo)

利用AR眼鏡可以實現(xiàn)專家般的一對一操作指導(dǎo)，AR眼鏡端的操作人員可以根據(jù)需要進行選擇調(diào)節(jié)，節(jié)省人員和時間成本、培訓(xùn)成本等。

依據(jù)前文描述的設(shè)計模式，在天津省電力公司某區(qū)屬公司進行了試點應(yīng)用部署，服務(wù)端（包括巡檢作業(yè)管理系統(tǒng)、設(shè)備運行信息庫、專家知識庫）部署與內(nèi)網(wǎng)，同時提供若干臺工業(yè)化的AR眼鏡，構(gòu)建了一套完整的基于AR技術(shù)的智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)并投入使用。根據(jù)在該系統(tǒng)試用的3個月期間內(nèi)的變電站巡檢任務(wù)執(zhí)行時間、缺陷處理時間及人力資源投入來看，到現(xiàn)場人力需求減少50%，總體人力需求減少20%，缺陷處理時間縮短了30%，因此大幅度降低了人力成本、降低了缺陷處理時間，提升了變電站設(shè)備穩(wěn)定運行率。

5總結(jié)

本文介紹了基于AR技術(shù)的變電站智能巡檢遠程協(xié)助系統(tǒng)，說明了系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及闡述了遠程協(xié)助系統(tǒng)在變電站智能巡檢中的應(yīng)用[13]?；贏R技術(shù)的遠程協(xié)助系統(tǒng)，充分利用專家知識庫、運行信息庫及專家自身豐富的專業(yè)經(jīng)驗，為現(xiàn)場作業(yè)人員實時提供解決問題的思路和方法，并可監(jiān)視現(xiàn)場的每一步操作，可減少無操作的可能性。通過遠程協(xié)助系統(tǒng)大大提升了變電站巡檢的工作效率和降低安全事故發(fā)生的幾率，從而節(jié)省了大量的人力成本。

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（收稿日期： 2020.02.17）

作者簡介：李大勇（1974），男，本科，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護及調(diào)度控制技術(shù)。

楊暢（1986），女，本科，工程師，研究方向：繼電保護整定計算及自動遠動技術(shù)。

張永伍（1980），男，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護及調(diào)度控制技術(shù)。

陸小榮（1981），男，本科，助理工程師，研究方向：繼電保護及其自動化技術(shù)。

文章編號：1007757X（2020）08009203