MR技術(shù)提升變電站智能運(yùn)檢建設(shè)的研究

王棨，趙豫京，聶翔，姚浩宇，江明

1.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州，450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，河南 鄭州，450000；3.河南九域騰龍信息工程有限公司，河南 鄭州，450000

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)場設(shè)備更加復(fù)雜多樣，而后臺(tái)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場聯(lián)系不緊密，使工作人員難以全面掌握設(shè)備參數(shù)和結(jié)構(gòu)的問題，安全管控風(fēng)險(xiǎn)增加。MR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。通過3D建模，構(gòu)建虛擬軟件平臺(tái)，穿戴MR眼鏡，電網(wǎng)運(yùn)維人員眼前就可以同時(shí)呈現(xiàn)真實(shí)的設(shè)備與眼鏡提供的數(shù)據(jù)，從而全面把握設(shè)備狀態(tài)，直觀展示帶電部位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患，實(shí)現(xiàn)可視化告警，輔助電網(wǎng)運(yùn)維人員更好地做好變電站運(yùn)檢工作。

1 MR技術(shù)簡介

隨著科技的快速發(fā)展和5G時(shí)代的到來，各行各業(yè)都將開展MR技術(shù)的研究和應(yīng)用，是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的一個(gè)真實(shí)與虛擬組合的、可人機(jī)交互的環(huán)境。MR（Mixed Reality），中文為混合現(xiàn)實(shí)?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中引入虛擬場景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感，具有真實(shí)性、實(shí)時(shí)互動(dòng)性以及構(gòu)想性等特點(diǎn)。

MR，即是“混合現(xiàn)實(shí)”，是由“智能硬件之父”多倫多大學(xué)教授Steve Mann提出的介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)，全稱Mediated Reality。VR是純虛擬數(shù)字畫面，而AR虛擬數(shù)字畫面加上裸眼現(xiàn)實(shí)，MR是數(shù)字化現(xiàn)實(shí)加上虛擬數(shù)字畫面。從概念上來說，MR與AR更為接近，都是一半現(xiàn)實(shí)一半虛擬影像，但傳統(tǒng)AR技術(shù)運(yùn)用棱鏡光學(xué)原理折射現(xiàn)實(shí)影像，視角不如VR視角大，清晰度也會(huì)受到影響。MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了VR與AR的優(yōu)勢，能更好地將AR技術(shù)體現(xiàn)出來。MR的核心技術(shù)是同步位置和映射（SLAM）一套用于定位一個(gè)人并同時(shí)映射環(huán)境的技術(shù)。為了在新的、未知的或不斷變化的環(huán)境中發(fā)揮作用，技術(shù)需要不斷的創(chuàng)建這些環(huán)境的地圖，然后定位和跟蹤一個(gè)人在其中的運(yùn)動(dòng)。采用圖像識(shí)別和深度傳感器數(shù)據(jù)的SLAM算法來計(jì)算用戶在物理世界中的位置。

2 MR在變電站智能巡檢簡述

變電站巡檢工作作為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要工作，可以高效地維護(hù)檢修電力設(shè)備，在第一時(shí)間消除電力設(shè)備運(yùn)行中隱藏的問題，從根本上提升電力設(shè)備的安全性、高效性和穩(wěn)定性。但是，由于條件的限制，常規(guī)巡檢作業(yè)存在以下問題：（1）巡檢人員攜帶多種設(shè)備，雙手被占用，妨礙檢查；

（2）無法實(shí)時(shí)了解巡檢人員狀態(tài)；（3）現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題反饋溝通方式有限；（4）漏檢、錯(cuò)檢時(shí)有發(fā)生；（5）巡檢過程難以追蹤，巡檢結(jié)果無保障；（6）巡檢結(jié)果不夠直觀、可視化。

采用雙目MR眼鏡，結(jié)合可視化巡檢、自動(dòng)測溫、測振，實(shí)時(shí)記錄反饋，缺陷自動(dòng)派發(fā)工單，遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)幫助一線人員快速處理問題[1]。

3 變電站智能化建設(shè)需求

3.1 智能巡檢業(yè)務(wù)能力提升建設(shè)需求

目前，智能巡檢方面的應(yīng)用主要集中在人工智能視頻識(shí)別巡檢、手持移動(dòng)終端巡檢、智能機(jī)器人巡檢三方面，包含人工智能圖片識(shí)別、RFID感知巡檢、機(jī)器人巡檢等，主要巡檢模式仍以傳統(tǒng)人工抄錄與手持終端巡檢為主，巡檢質(zhì)量主要取決人員個(gè)人能力水平，該方式存在巡檢周期長、人工判斷存在誤差、高點(diǎn)特殊位置難以巡檢等實(shí)施痛點(diǎn)。傳統(tǒng)的人工巡檢模式與新形勢下電網(wǎng)規(guī)模之間的矛盾愈加突出，亟需尋求一種具備智能性、精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性、科學(xué)性的智能立體聯(lián)合巡檢系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢模式。

3.2 數(shù)字化智能化變電站建設(shè)需求

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、虛擬電廠等新式技術(shù)的快速發(fā)展和移動(dòng)智能設(shè)備的迅速普及，為進(jìn)一步深入推進(jìn)數(shù)字化智能化電站建設(shè)，探索移動(dòng)互聯(lián)與智能感知技術(shù)在變電站智能巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用，提升抽水電站智能巡檢質(zhì)效，建議開展變電站智能巡檢導(dǎo)航與人員定位系統(tǒng)研究與應(yīng)用，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)手段，構(gòu)建集智能巡檢人機(jī)交互、移動(dòng)互聯(lián)、智能感知、定位導(dǎo)航、行為管控于一體的智能巡檢體系，改變傳統(tǒng)管理方式，通過新技術(shù)手段，提高巡檢質(zhì)量，及時(shí)記錄和分析設(shè)備缺陷和隱患，避免巡檢不到位或不及時(shí)等現(xiàn)象，推進(jìn)本質(zhì)安全型電站建設(shè)[2]。

4 建設(shè)內(nèi)容

以遠(yuǎn)程監(jiān)控為目的的MR智能巡檢系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目生產(chǎn)過程中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與三維動(dòng)態(tài)展示，電網(wǎng)人員無需進(jìn)入廠區(qū)內(nèi)部即可快速查看設(shè)備狀態(tài)，對(duì)人員保護(hù)能夠起到非常良好的幫助。智能監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備歷史故障數(shù)據(jù)自動(dòng)設(shè)定工作報(bào)警閾值，出現(xiàn)異常狀態(tài)即可實(shí)時(shí)預(yù)警報(bào)警，及時(shí)提醒電氣工程師前往廠區(qū)關(guān)注設(shè)備狀態(tài)，提前消除設(shè)備安全隱患與異常故障。且智能巡檢系統(tǒng)可以幫助現(xiàn)場工程師快速檢測故障原因并將故障畫面實(shí)時(shí)同步傳輸至設(shè)備廠家處，對(duì)設(shè)備故障的遠(yuǎn)程技術(shù)支持、故障排除等能夠起到良好的輔助作用。

4.1 巡檢數(shù)字孿生體系

在變電站設(shè)備層的典型應(yīng)用基于單體設(shè)備的三維及精細(xì)化模型構(gòu)建，數(shù)據(jù)匯集、融合，實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)友好互動(dòng)的電站重點(diǎn)設(shè)備個(gè)性化管理；在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與物理設(shè)備同步運(yùn)行，產(chǎn)生設(shè)備評(píng)估、故障預(yù)測及維修驗(yàn)證等數(shù)據(jù)；基于橫向比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于物物互動(dòng)的電網(wǎng)設(shè)備集群化自主診斷功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷決策從個(gè)體化到集群化的演變；依托遠(yuǎn)程多維數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)設(shè)備多維度數(shù)據(jù)綜合分析，實(shí)現(xiàn)巡視人員巡視軌跡的實(shí)時(shí)記錄，做到事前計(jì)劃、事后檢查，避免巡視不到位；同時(shí)對(duì)巡檢軌跡進(jìn)行規(guī)范化指導(dǎo)，確保巡視安全。MR智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 MR 智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MR智能眼鏡通過內(nèi)置的加裝加密模塊后接入站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由UFP數(shù)據(jù)本地卸載，通過防火墻、安全接入網(wǎng)關(guān)后進(jìn)入站內(nèi)本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，最后將數(shù)據(jù)回傳至站內(nèi)MR系統(tǒng)平臺(tái)[3]。MR智能眼鏡部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 MR 智能眼鏡部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.3 巡檢即時(shí)處置策略自動(dòng)生成模塊

利用基于海量數(shù)據(jù)的設(shè)備臺(tái)賬、歷史故障缺陷、歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等，研究和構(gòu)建基于歷史和狀態(tài)監(jiān)控的設(shè)備狀態(tài)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常即時(shí)分析診斷和預(yù)測，搭建設(shè)備多源信息狀態(tài)庫，建立高效多級(jí)狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)綜合索引模型，將狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)從設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等維度進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)建模。

4.4 數(shù)字化臺(tái)賬建設(shè)

（1）三維模型采集，采用三維激光掃描儀對(duì)變電站示范區(qū)域開展覆蓋式掃描，并在掃描儀上輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，引入對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)信息，形成具有點(diǎn)坐標(biāo)的變電站設(shè)備數(shù)字化身份證。（2）制定巡檢線路，并依次掃描對(duì)應(yīng)的設(shè)備、銘牌、儀表等信息。（3）制作關(guān)聯(lián)表，將示范區(qū)采集到的設(shè)備、銘牌、儀表等點(diǎn)坐標(biāo)身份證現(xiàn)場設(shè)備的臺(tái)賬進(jìn)行綁定，形成具有關(guān)聯(lián)表信息的設(shè)備數(shù)字化身份證。（4）模型綁定，將這些具備關(guān)聯(lián)表信息的設(shè)備數(shù)字化身份證與3D模型進(jìn)行綁定，并在三維可視化平臺(tái)上面進(jìn)行顯示[4]。

4.5 設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測

通過對(duì)變電站示范區(qū)內(nèi)設(shè)備安裝部署高清紅外攝像頭、電纜接頭溫度傳感器、電纜溝水浸傳感器等感知設(shè)備，為變電站設(shè)備的在線分析、運(yùn)行管理、故障預(yù)警等業(yè)務(wù)開展提供支撐，提高變電站設(shè)備運(yùn)行管理水平。通過軟件平臺(tái)三維技術(shù)進(jìn)行感知設(shè)備狀態(tài)信息的加載，真正實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備的足不出戶在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)告警、全景展現(xiàn)。

4.6 智能巡檢系統(tǒng)功能

（1）遠(yuǎn)程在線協(xié)作功能，可以通過呼叫功能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一指導(dǎo)，在會(huì)話過程中可以進(jìn)行語音和文字互動(dòng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)功能：用戶可以根據(jù)作業(yè)內(nèi)容，將步驟、提示文字、提示圖片等編輯到巡檢標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程中。（3）在線知識(shí)庫功能：用戶在巡檢過程中，可在線開啟知識(shí)庫，查找巡檢相關(guān)設(shè)備資料與操作資料。

4.7 智能運(yùn)檢

（1）人工智能分析，綜合利用變電站設(shè)備信息、運(yùn)行信息、環(huán)境信息及歷史故障告警數(shù)據(jù)和缺陷數(shù)據(jù)，開展多傳感器多參量的協(xié)同感知，通過人工智分析處理，給出配網(wǎng)故障原因分析結(jié)果，通過主站數(shù)據(jù)控制中心對(duì)各個(gè)傳感器裝置上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，按照相應(yīng)的處理方法，得到更為準(zhǔn)確的判斷值。

（2）MR智能巡檢，電力運(yùn)維人員穿戴上MR設(shè)備，可以從系統(tǒng)內(nèi)下載變電站示范區(qū)域巡檢的任務(wù)，按照巡檢任務(wù)，通過語音識(shí)別交互，做好每個(gè)巡視點(diǎn)的工作巡視記錄，在線提交巡視任務(wù)。如果在巡視中發(fā)現(xiàn)異常告警，可通過MR穿戴設(shè)備（MR眼鏡）連線后臺(tái)專家，共享變電站設(shè)備異常信息數(shù)據(jù)，專家根據(jù)現(xiàn)場提供的異常數(shù)據(jù)信息和現(xiàn)場的照片進(jìn)行在線診療，并給出消缺辦法，指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場消缺工作，當(dāng)運(yùn)維人員消缺完成后，在線提交本次消缺的全部視頻資料，匯報(bào)消缺任務(wù)完成，根據(jù)語音提示信息進(jìn)行巡檢[5]。

（3）巡檢流程實(shí)例，通過MR系統(tǒng)平臺(tái)配置的各種點(diǎn)巡檢、作業(yè)指導(dǎo)、設(shè)備信息、設(shè)備維修等工作流程可快速發(fā)布至一線作業(yè)人員設(shè)備終端，作業(yè)人員可根據(jù)終端設(shè)備提示性的流程步驟完成相關(guān)作業(yè)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場員工的快速賦能，且在執(zhí)行任務(wù)工作過程中終端設(shè)備可執(zhí)行第一視角的音視頻采集，保障業(yè)務(wù)過程可追溯。MR巡檢管理流程圖如圖3所示。

圖3 MR 巡檢管理流程圖

5 建設(shè)成效

結(jié)合變電站實(shí)際需求，開展MR技術(shù)與變電站智能巡檢業(yè)務(wù)的提升深度業(yè)務(wù)邏輯與三維可視化技術(shù)，提供全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字孿生一站式服務(wù)。并通過數(shù)據(jù)挖掘和IOT（電力物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)為數(shù)據(jù)賦能，驅(qū)動(dòng)“智能+”在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的滲透，助力變電站智能巡檢并快速形成決策，解決人工研判時(shí)存在的人工遺漏、誤判等問題。及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，減少人員巡檢次數(shù)，提升智能化運(yùn)檢水平。MR設(shè)備在線識(shí)別圖如圖4所示。

圖4 MR 設(shè)備在線識(shí)別圖

6 結(jié)語

通過MR、3D建模和人工智能等技術(shù)，輔助變電站工作人員全面掌握變電站設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)設(shè)備安全、人員安全、環(huán)境安全的全方位管控，以及變電站立體式全方位巡檢，完成了MR技術(shù)助力變電站智能化的提升。同時(shí)，通過MR眼鏡可以用全息影像的形式進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)分解，快速定位、精準(zhǔn)指引，分步驟接受專家指導(dǎo)，極大地提高了作業(yè)安全性。MR技術(shù)與電網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用作為電網(wǎng)智能化和數(shù)字化建設(shè)的重要實(shí)踐，將進(jìn)一步推動(dòng)電網(wǎng)智能化發(fā)展。