基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理研究與分析

李彪 羅東平

摘要 軌道交通設(shè)備設(shè)施龐雜，設(shè)備維護(hù)管理工作難度很大，對(duì)維修人員的技能要求也較高。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助維修人員快速掌握維修相關(guān)信息，快速適應(yīng)原本繁雜的工作，降低工傷風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)維修人員的專業(yè)技能要求。文章簡(jiǎn)述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，并分析了AR技術(shù)在軌道交通設(shè)備設(shè)施維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)及不足，并與巡檢機(jī)器人、手機(jī)App、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備比較分析。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);設(shè)備維護(hù);優(yōu)勢(shì)分析;降本增效

中圖分類號(hào) F272.92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）08-0007-03

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，各運(yùn)營(yíng)單位須對(duì)其管轄的各專業(yè)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行日常巡查、測(cè)試和維修，保障設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀況的良好和正常運(yùn)行[1]。但是由于大部分運(yùn)營(yíng)單位的設(shè)備設(shè)施均為分專業(yè)維護(hù)，每個(gè)維護(hù)人員僅了解一個(gè)專業(yè)的相關(guān)設(shè)備，日常巡查、檢修的工作性質(zhì)單一、工作條件相對(duì)惡劣、薪資水平較低，因此運(yùn)營(yíng)單位均面臨著招聘難、培養(yǎng)難、專業(yè)整合難的問(wèn)題，承擔(dān)著很高的無(wú)效工時(shí)的人工成本。

為解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低人員成本的目的，各運(yùn)營(yíng)單位都在尋求不同的解決辦法。從降低維保作業(yè)難度、規(guī)范作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的維度考慮，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR技術(shù)）可以將設(shè)備的正常狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)的正常范圍等信息實(shí)時(shí)、定點(diǎn)投射在AR末端屏幕上，輔助維保工作，減少維保人員培訓(xùn)時(shí)間，降低對(duì)維保人員的專業(yè)要求，是解決問(wèn)題的較好思路，值得進(jìn)一步研究。

1 軌道交通維保工作面臨的困難

（1）軌道交通設(shè)備涉及專業(yè)較多，招聘時(shí)很難遇到經(jīng)驗(yàn)豐富且一專多能的維修人才。如何快速培養(yǎng)具備一定基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)和技能的維修人員，令其適應(yīng)軌道交通行業(yè)工作特點(diǎn)，并快速熟悉設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，成為各運(yùn)營(yíng)單位的首要難題[2]。

（2）由于軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展不是一天建成的，同一個(gè)運(yùn)營(yíng)單位需要維保不同時(shí)代、不同設(shè)計(jì)理念的多種專業(yè)設(shè)備，進(jìn)一步加大了維修人員對(duì)設(shè)備的認(rèn)知、理解難度，也增大了人員培養(yǎng)工作的難度。

（3）軌道交通運(yùn)營(yíng)單位的維修部門多以專業(yè)劃分，諸如供電、機(jī)電、通號(hào)、土建等大專業(yè)，由于各專業(yè)檢修人員知識(shí)儲(chǔ)備、技能不同，很難實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)巡檢[3]。為此每個(gè)專業(yè)以5～7個(gè)車站為單位，采取雙人小組形式，每個(gè)專業(yè)分別組織巡檢維修，乘車、步行時(shí)間成為無(wú)效工時(shí)，但各專業(yè)差異性很大，又很難將多個(gè)專業(yè)整合在一起，進(jìn)行大專業(yè)綜合巡檢，成為降低人工成本的難點(diǎn)[4]。

2 AR技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用場(chǎng)景

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、信息的技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。

由于AR技術(shù)的顛覆性和革命性，AR技術(shù)獲得了大量關(guān)注。早在20世紀(jì)90年代，就有3D游戲上市，但由于當(dāng)時(shí)的AR技術(shù)價(jià)格較高，其自身延遲較長(zhǎng)，設(shè)備計(jì)算能力有限等缺陷，導(dǎo)致這些AR游戲產(chǎn)品以失敗收尾，第一次AR熱潮就此消退。隨著隨身電子產(chǎn)品運(yùn)算能力的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的用途越來(lái)越廣。一定程度上改變了消費(fèi)者、企業(yè)與數(shù)字世界的互動(dòng)方式。用戶期望更大程度上從2D轉(zhuǎn)移到沉浸感更強(qiáng)的3D，從3D獲得新的體驗(yàn)，包括商業(yè)、體驗(yàn)店、機(jī)器人、虛擬助理、區(qū)域規(guī)劃、監(jiān)控等，人們從只使用語(yǔ)言功能升級(jí)到包含視覺(jué)在內(nèi)的全方位體驗(yàn)。

2.1 AR技術(shù)工作原理

AR技術(shù)的處理流程是首先通過(guò)攝像頭和傳感器將真實(shí)世界的圖像信息、用戶位置信息、攝像頭攝像角度信息數(shù)據(jù)采集，并傳入計(jì)算機(jī)CPU中，并通過(guò)陀螺儀、加速度傳感器、Wi-Fi等定位手段確定用戶位置及攝像頭入射角度信息，計(jì)算機(jī)對(duì)上述信息進(jìn)行分析和重構(gòu)，從而得出虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的對(duì)齊并進(jìn)行虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的融合計(jì)算，最終通過(guò)顯示器、投影設(shè)備或智能移動(dòng)設(shè)備將合成影像實(shí)時(shí)傳遞給用戶。用戶可通過(guò)AR頭顯或智能移動(dòng)設(shè)備上的交互配件，如語(yǔ)音、眼動(dòng)作、加速度傳感器、攝像頭、屏幕等設(shè)備采集控制信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互及信息更新，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互操作。其中，三維注冊(cè)是AR技術(shù)之核心，即以現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中二維或三維物體為標(biāo)識(shí)物，將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息進(jìn)行對(duì)位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運(yùn)動(dòng)路徑等與現(xiàn)實(shí)環(huán)境必須完美匹配，達(dá)到虛實(shí)相生的地步。

2.2 AR技術(shù)的分類

2.2.1 Monitor-based系統(tǒng)

在基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR實(shí)現(xiàn)方案中，攝像機(jī)接收到現(xiàn)實(shí)世界圖像信號(hào)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或線路傳遞到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)合成的虛擬影像重疊在一起，并通過(guò)顯示器、投影光線等形式傳遞給用戶。用戶從屏幕上可以看到虛擬影像與現(xiàn)實(shí)世界圖像重疊在一起，因此用戶的沉浸感較低，但卻是一套最簡(jiǎn)單實(shí)用的AR實(shí)現(xiàn)方案。

由于這套方案的硬件要求很低，因此被實(shí)驗(yàn)室中的AR系統(tǒng)研究者們大量采用。Monitor-based系統(tǒng)如圖1。

2.2.2 Video See-Through系統(tǒng)

頭盔式顯示器（Head-Mounted Displays-HMD）多以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形式應(yīng)用于培訓(xùn)、娛樂(lè)等領(lǐng)域，提供沉浸式體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。

根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（Video See-Through HMD）和基于光學(xué)原理的穿透式HMD（Optical See-Through HMD）。Video See-Through系統(tǒng)如圖2。

2.2.3 Optical See-Through系統(tǒng)

在上述的兩套系統(tǒng)方案中，輸入計(jì)算機(jī)中的有計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬影像通道和來(lái)自攝像頭的真實(shí)圖像通道。

而在Optical See-Through HMD實(shí)現(xiàn)方案中去除了后者，真實(shí)場(chǎng)景的圖像經(jīng)過(guò)一定的調(diào)光處理后，將影像直接投影到人眼，虛擬通道的信息經(jīng)投影反射后再進(jìn)入人眼，兩者以光學(xué)的方法進(jìn)行合成。Optical See-through系統(tǒng)如圖3。

2.3 AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

AR技術(shù)結(jié)合二維碼技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)及室內(nèi)定位技術(shù)，將設(shè)備的正常狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)正常范圍、往日歷史數(shù)據(jù)、常用操作指令、巡檢關(guān)注點(diǎn)等信息有選擇地投射到AR眼鏡或頭盔上。巡檢維修人員可結(jié)合AR眼鏡或頭盔上的信息完成設(shè)備檢修、維修工作。

2.3.1 可準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

由于AR技術(shù)可以客觀、位置準(zhǔn)確地將設(shè)備正常的運(yùn)行信息投射在AR眼鏡或頭盔上，可快速準(zhǔn)確識(shí)別、判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，判斷設(shè)備是否運(yùn)行正常[5]。

2.3.2 借助AR技術(shù)可實(shí)時(shí)協(xié)助維修操作

AR技術(shù)可將各個(gè)操作規(guī)程、注意事項(xiàng)、操作位置、數(shù)據(jù)留痕等內(nèi)容實(shí)時(shí)標(biāo)注并投影到維修操作者的視野中。徹底解放維修操作者的雙手并可以將指定通話的語(yǔ)音信息以文字形式投影到操作者的視野中。

AR技術(shù)可在維修人員視野范圍內(nèi)投影必要的標(biāo)注，以提示維修人員進(jìn)行相應(yīng)的操作或警示維修人員不要觸碰某些部件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析判斷維修人員操作是否存在違章風(fēng)險(xiǎn)及其他可預(yù)見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)，并發(fā)出警示音或警示符號(hào)，降低發(fā)生工傷的概率。

2.3.3 實(shí)現(xiàn)多專業(yè)綜合巡檢作業(yè)

AR技術(shù)可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接后臺(tái)云數(shù)據(jù)庫(kù)，加載多個(gè)專業(yè)的維修信息，可協(xié)助初級(jí)維護(hù)人員完成多個(gè)復(fù)雜專業(yè)的日常巡檢、抄錄數(shù)據(jù)、對(duì)比分析、簡(jiǎn)單故障處置等工作。維修信息較為客觀準(zhǔn)確，巡檢工作只需完成基礎(chǔ)的專業(yè)技能、安全培訓(xùn)即可完成過(guò)去若干專業(yè)完成的巡檢工作。

2.3.4 可降低人員成本

AR技術(shù)可將數(shù)據(jù)、巡檢關(guān)注點(diǎn)等信息直接投射在AR眼鏡或頭盔上，相關(guān)數(shù)據(jù)、巡檢關(guān)注點(diǎn)等信息還可通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)或云端的不斷迭代更新。過(guò)去由于每個(gè)人的知識(shí)儲(chǔ)備量有限，又無(wú)法短時(shí)間快速掌握多個(gè)專業(yè)設(shè)備巡檢要點(diǎn)。在AR技術(shù)的協(xié)助下，具備基礎(chǔ)專業(yè)技能的初級(jí)維護(hù)人員，可完成設(shè)備狀態(tài)巡視、抄錄運(yùn)行數(shù)據(jù)、目視檢查關(guān)注內(nèi)容等工作，可短時(shí)間、快速協(xié)助初級(jí)維護(hù)人員完成重復(fù)性強(qiáng)且系統(tǒng)龐雜的巡檢工作。通過(guò)降低工作難度的維度，降低企業(yè)用人的技術(shù)等級(jí)，從而降低人員成本[6]。

2.4 AR技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

目前AR技術(shù)在軍事上應(yīng)用較多，主要用于作戰(zhàn)飛機(jī)的HUD瞄準(zhǔn)具，單兵AR技術(shù)也日漸成熟，諸如AR智能眼鏡、AR潛水面鏡等文娛器材也逐漸融入民眾的生活。

目前民用AR技術(shù)未來(lái)主要服務(wù)于安保、維修、生產(chǎn)、醫(yī)療等領(lǐng)域，分別實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持、遠(yuǎn)程專家在線溝通、自動(dòng)識(shí)別信息可視化、操作提示信息可視化、語(yǔ)音信息可視化等技術(shù)支持功能。通過(guò)上述功能，AR技術(shù)可作為多職能團(tuán)隊(duì)的支持性單兵設(shè)備，保障多職能團(tuán)隊(duì)在遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)下完成通號(hào)、供電、機(jī)電、土建等眾多專業(yè)維護(hù)、維修、應(yīng)急工作。

同時(shí)站務(wù)或乘務(wù)人員可實(shí)時(shí)與公司決策團(tuán)隊(duì)視頻通信，輔助公司決策團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)獲取應(yīng)急響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況，使應(yīng)急決策更加貼合現(xiàn)場(chǎng)情況。

2.5 AR技術(shù)的不足

2.5.1 技術(shù)信息錄入量巨大

由于地鐵系統(tǒng)涉及通號(hào)、供電、機(jī)電、土建等專業(yè)，設(shè)備類型千差萬(wàn)別，同時(shí)巡檢信息量將是非常巨大的。目前此類數(shù)據(jù)均需錄入到后端數(shù)據(jù)庫(kù)或云平臺(tái)上，再以二維碼等手段定位，通過(guò)AR眼鏡等末端設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

2.5.2 僅能從視覺(jué)角度輔助維護(hù)人員完成巡檢工作

巡檢工作實(shí)際上是通過(guò)多個(gè)感官角度實(shí)現(xiàn)的，類似于中醫(yī)的“望、聞、問(wèn)、切”。目前AR技術(shù)僅能通過(guò)視覺(jué)提示信息方式協(xié)助維護(hù)人員應(yīng)做什么，注意什么，設(shè)備應(yīng)處于什么狀態(tài)，但AR技術(shù)尚不能解決如聲音、氣味等非視覺(jué)的感知，此方面需借助必要的檢測(cè)儀器或維修經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。

2.5.3 無(wú)法自主觀察、記錄

AR技術(shù)目前僅能實(shí)時(shí)顯示預(yù)設(shè)的信息，無(wú)法自主地去完成巡檢工作，所以僅能起到輔助維護(hù)人員更快、更好、更全面地完成巡檢工作。

3 AR技術(shù)與其他技術(shù)對(duì)比

3.1 巡檢機(jī)器人技術(shù)對(duì)比

AR技術(shù)輔助維保人員可實(shí)現(xiàn)多個(gè)專業(yè)的巡檢、維修、測(cè)試工作，巡檢機(jī)器人可以對(duì)配電柜、交直流屏等電氣箱進(jìn)行自主巡檢但無(wú)法處理現(xiàn)場(chǎng)需要主觀判斷的工作，AR技術(shù)可通過(guò)遠(yuǎn)程專家支持，完成各專業(yè)的復(fù)雜維修工作，彌補(bǔ)巡檢機(jī)器人的不足。

3.2 手機(jī)App技術(shù)對(duì)比

AR技術(shù)可將加載信息定點(diǎn)投射在AR末端屏幕上，與真實(shí)世界的景象疊加在一起，可以比手機(jī)App提供的信息更準(zhǔn)確、翔實(shí)。同時(shí)解放雙手，更專注地完成維修工作，避免頻繁切換視角或操作手機(jī)導(dǎo)致錯(cuò)誤操作甚至人身傷害事故的發(fā)生。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)比

AR技術(shù)不實(shí)時(shí)監(jiān)控各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，但AR技術(shù)可將運(yùn)行狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)、正常范圍等投射在末端設(shè)備上，供維護(hù)人員參考，輔助維護(hù)人員完成檢修、測(cè)試、維修等工作。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)僅遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制多種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)，但受投資、系統(tǒng)復(fù)雜性等條件限制，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)控到全部參數(shù)及狀態(tài)。AR技術(shù)可以作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的補(bǔ)充，輔助維修人員完成復(fù)雜的維修工作或通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將維修記錄、運(yùn)行記錄提供給維修人員參考，大大降低維修操作成本，此類功能是遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o法取代的。

4 結(jié)論

AR技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用可使維修人員更便捷地完成通信、信號(hào)、供電、機(jī)電等專業(yè)的巡檢、維護(hù)及應(yīng)急工作，降低維修工作對(duì)人員專業(yè)技能的依賴程度，同時(shí)為多職能團(tuán)隊(duì)維護(hù)眾多專業(yè)設(shè)備提供技術(shù)支持，提高維修人員工時(shí)利用率，從而降低運(yùn)營(yíng)單位的維護(hù)維修相關(guān)的人工成本。同時(shí)AR技術(shù)仍有諸如大量信息錄入、動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)比對(duì)分析、提高AR設(shè)備三維定位精度等研究難點(diǎn)。基于室內(nèi)定位技術(shù)及視頻識(shí)別技術(shù)有待挖掘，可進(jìn)一步提高AR技術(shù)的適用范圍及使用深度。

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收稿日期：2022-02-18

作者簡(jiǎn)介：李彪（1986—），男，本科，工程師，從事城市軌道交通工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理、更新改造、新線接收工作。