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

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 曾慶祝 姚光久 孟晨旭 閆 超 陳偉明 方澤彬

目前在變電站檢修和倒閘操作工作過程中，存在著以下問題：現(xiàn)場工作人員私自跨越作業(yè)安全圍欄，擴(kuò)大工作范圍，誤入帶電間隔，可能導(dǎo)致設(shè)備誤動或人身觸電；在現(xiàn)有的技術(shù)中，故障點的判斷，分析需經(jīng)過現(xiàn)場工作人員進(jìn)行拍照、錄制及上傳至后臺，通過電話進(jìn)行會診，而現(xiàn)場工作人員不能根據(jù)現(xiàn)場的場景與后臺專家進(jìn)行實況診斷，也不能知道后臺專家針對實況故障點進(jìn)行圖文，視頻的判斷結(jié)果，這極大的影響到現(xiàn)場消缺效率和增加了消缺工作的誤判概率；作業(yè)現(xiàn)場信號差、風(fēng)噪影響和后臺專家的語音指導(dǎo)；在現(xiàn)有的技術(shù)中，故障點的判斷，分析需經(jīng)過現(xiàn)場工作人員進(jìn)行手動拍照，錄制，及上傳至后臺，通過電話進(jìn)行會診，而現(xiàn)場工作人員在現(xiàn)場實操消缺工作時，雙手得不到解放，這極大的影響到現(xiàn)場消缺效率和增加了消缺工作的出錯概率；運(yùn)維人員水平參差不平，運(yùn)維人員難以獲取最新專業(yè)知識，特別是設(shè)備更新?lián)Q代后，遇到故障只會簡單更換設(shè)備，沒有專業(yè)技能支撐，難以提升技能水平。

為此，文獻(xiàn)[1]采用AR導(dǎo)航，但沒有實現(xiàn)對物體的追蹤，頭部運(yùn)動會影響到對象及虛擬信息的相互融合；文獻(xiàn)[2]提出AR技術(shù)巡檢管理的運(yùn)用，但智能終端未集成到安全帽上，不利于運(yùn)維檢修使用，后臺系統(tǒng)二維碼數(shù)據(jù)與設(shè)備關(guān)聯(lián)性不高，數(shù)據(jù)源單一，樣本數(shù)據(jù)不足，現(xiàn)場輔助功能不明顯；文獻(xiàn)[3]提出了AR技術(shù)在電力設(shè)備故障識別研究，但DNN算法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法準(zhǔn)確度差，故障識別效率低。

因此，本文基于AR技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)了變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)。通過采用距離感應(yīng)裝置實現(xiàn)作業(yè)人員安全作業(yè)區(qū)域監(jiān)視；采用溫濕度感應(yīng)裝置，感知作業(yè)環(huán)境條件，預(yù)警高溫高濕等不滿足安規(guī)作業(yè)環(huán)境；采用AR三維全息視圖實現(xiàn)真實環(huán)境同虛擬信息無縫集成對接；采用智能巡檢AR技術(shù)，實現(xiàn)在線診斷電氣設(shè)備運(yùn)行狀況；采用安全報警機(jī)制，及時預(yù)警作業(yè)環(huán)境漏電、漏水等威脅。

1 基于AR技術(shù)的變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于AR穿透式三維全息視圖的變電站運(yùn)檢功能結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由自然交互、功能模塊、系統(tǒng)對接、后臺管理等部分組成。

自然交互模塊主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場工作人員頭盔感應(yīng)器設(shè)備采集的現(xiàn)場圖像、視頻、聲音等在云E頭盔終端的展示，實現(xiàn)語音交互、按鍵交互、手勢交互等互聯(lián)互通。

功能模塊主要負(fù)責(zé)對AR三維全息視圖實時直播、語音通話、在線錄像、在線標(biāo)記等即時聯(lián)絡(luò)方式，同時聯(lián)動攝像機(jī)抓拍、截圖、錄像，實現(xiàn)人員GPS定位、溫濕度感應(yīng)、安全報警、人臉識別等模塊交互。

系統(tǒng)對接模塊主要負(fù)責(zé)云/本地服務(wù)器的對接，實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同、作業(yè)錄像、巡檢信息、GPS定位、數(shù)據(jù)庫存盤跟蹤、云數(shù)據(jù)識別庫等信息存儲與傳輸。

后臺管理模塊主要包括數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、系統(tǒng)管理、信息管理、設(shè)備管理、智能識別管理，主要負(fù)責(zé)不同環(huán)境下管理信息入庫，實現(xiàn)作業(yè)的閉環(huán)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

（1）穿透式AR目鏡與語音交互的變電消缺遠(yuǎn)程視頻會診系統(tǒng)。在變電消缺過程中，多功能交互互不干擾同時進(jìn)行，通過智能語音交互與穿透式AR影像展示，即可實現(xiàn)攝制、遠(yuǎn)程會診，實況同步交流、音頻播放、影像展示及危險警告等功能，從而工作人員可專注于消缺作業(yè)，降低操作難度，進(jìn)而提高作業(yè)安全性。

小亮（化名）是一位七年級男生。開學(xué)一個月以來，小亮經(jīng)常出現(xiàn)遲到、課間打鬧、不交英語作業(yè)、自習(xí)課搗亂等問題。當(dāng)然，小亮也是有優(yōu)點的，比如，性格開朗、胸懷寬廣、人緣好等。

（2）多MIC矩陣骨振子傳音器與語音交互的變電消缺遠(yuǎn)程視頻會診系統(tǒng)。在變電消缺過程中，確?，F(xiàn)場的工作人員在高空風(fēng)噪，及其他環(huán)境噪音下進(jìn)行高品質(zhì)音頻通話，及危險警告等功能，通過多MIC矩陣實現(xiàn)環(huán)境噪音的降噪，通過選擇MIC的拾取選項，傳輸故障異常音至后臺。通過骨振子傳音器在人體骨質(zhì)，人體軟組織等媒介進(jìn)行聲音傳遞。從而避免環(huán)境噪音，風(fēng)噪等噪音影響通話質(zhì)量。

（3）智能AI語音控制交互式變電消缺遠(yuǎn)程視頻會診系統(tǒng)設(shè)備?；谥悄蹵I語音控制系統(tǒng)核心，自由曲面目鏡遠(yuǎn)程視頻成像，穿透式顯示方法。使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸與交換。智能AI語音控制包括控制AR自由曲面目鏡/穿透式顯示設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程攝像及視頻會診，智能AI語音控制包括控制高清攝像頭還原現(xiàn)場故障，即時傳至后臺。后臺專家通過施工人員佩戴的本設(shè)備正確、及時、快速地指導(dǎo)現(xiàn)場施工人員來處理故障。采用智能AI控制系統(tǒng)全程處理設(shè)備功能控制，進(jìn)行沒有物理接觸操作設(shè)備的動作進(jìn)行設(shè)備功能操作。影像展示，與后臺專家共享現(xiàn)場實況，共享現(xiàn)場故障點的影像展示及展現(xiàn)后臺專家針對現(xiàn)場實況的消缺指導(dǎo)，及現(xiàn)場操作人員與后臺專家的同步視頻會診等功能，從而工作人員在無需手動操作設(shè)備就可看到后臺專家的指導(dǎo)視頻等，在專家的指導(dǎo)下可針對故障點進(jìn)行高效、正確的消缺作業(yè)。同時現(xiàn)場工作人員只需要通過智能AI語音進(jìn)行控制終端，實時觀看到AR目鏡所展現(xiàn)的后臺傳輸圖紙、畫面、視頻等消缺指導(dǎo)作業(yè)資料，通過AI智能語音控制系統(tǒng)，進(jìn)行GPRS和北斗等全球定位，并傳輸至數(shù)據(jù)后臺進(jìn)行精準(zhǔn)定位施工人員所處位置及故障坐標(biāo)位。通過采用智能AI控制系統(tǒng)來全程處理以上功能，能更進(jìn)一步的解放一線作業(yè)人員的雙手，使之更安全的進(jìn)行戶外的具體施工。

2 基于AR技術(shù)的變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 AR智能導(dǎo)航定位抗干擾能力

AR眼鏡的設(shè)備感知以及數(shù)據(jù)提取算法對硬件算力要求較高，直接提升眼鏡功耗，導(dǎo)致眼鏡的體積重量增大。

為了將AR眼鏡計算功耗降到最低，系統(tǒng)采用分布式計算設(shè)計理念：將智能穿戴主機(jī)作為AR眼鏡的主要環(huán)節(jié)感知計算單元，完成設(shè)備身份識別等圖像計算功能，采用1.8GHz LTE無線專網(wǎng)與后臺服務(wù)器告訴互聯(lián)，完成后臺數(shù)據(jù)檢索與推送功能。

AR眼鏡主機(jī)在有限體積內(nèi)集成PTT對講、2.4GLTE、1.8GLTE、GPS、WIFI、藍(lán)牙、RFID等多種通訊方式，如何處理天線之間的干擾成為難題，本AR眼鏡采用多天線差異化設(shè)計方式。2.4GLTE、GPS、WIFI、藍(lán)牙、RFID采用PIFA、FICA天線多頻技術(shù)、PTT對講，1.8GLTE則基于MIMO技術(shù)設(shè)計，有效避免同類天線互相耦合。分時工作策略，通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)通信調(diào)度，采用不同通訊模塊分時工作策略，避免同時開機(jī)的相互干擾。

AR眼鏡集成UHF RFID/二維碼讀寫模塊、多星精確定位模塊，現(xiàn)場定位地圖與相機(jī)感知環(huán)境比對，不斷糾錯，提高導(dǎo)航定位能力，遠(yuǎn)程后臺打開在線地圖顯示作業(yè)的若干感知人員為主，自動匹配現(xiàn)場作業(yè)人員佩戴的AR眼鏡ID號。實際圖像、訓(xùn)練圖像、感知圖像和查詢圖像場景相互匹配，識別出作業(yè)地點后，通過AR技術(shù)實時指引。

2.2 多MIC矩陣骨振子降噪技術(shù)

在變電消缺過程中，無需工作人員手持對講設(shè)備，通過多MIC矩陣骨振子傳音器進(jìn)行語音交互通訊，通過MIC矩陣消除環(huán)境噪音，通過骨振子傳音器避免嘈雜環(huán)境音干擾現(xiàn)場操作人員受話，即可在惡劣環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程會診交流、與后臺專家的同步視頻會診，及危險警告等功能，通過關(guān)閉單MIC實現(xiàn)采集故障點異常音。從而工作人員可高度還原故障點異常音給后臺，使得后臺專家準(zhǔn)確指導(dǎo)消缺作業(yè)，降低判斷/操作難度，進(jìn)而提高作業(yè)安全性。

并通過多MIC矩陣骨錘式音器進(jìn)行現(xiàn)場噪音消除和故障點異常音的拾取，和后臺專家進(jìn)行實況音視頻會診，進(jìn)而實時實況同步高效，正確的消缺操作。

2.3 多遠(yuǎn)數(shù)據(jù)交互的遠(yuǎn)程視頻會診系統(tǒng)

工作人員在使用穿透式AR目鏡時，會診數(shù)據(jù)中的會診影像以AR影像的形式顯示于穿透式AR目鏡的顯示屏上，工作人員近眼查看會診影像中所包含的施工圖紙、設(shè)計資料，專家指導(dǎo)等，從而無需手持紙質(zhì)資料，即可查閱并對照進(jìn)行消缺，有效解放了工作人員的雙手，使其可專注于消缺作業(yè)，提高了作業(yè)效率。

主控模塊實時監(jiān)測顯示屏的工作溫度；當(dāng)顯示屏當(dāng)前的工作溫度指示顯示屏存在色彩偏離時，主控模塊基于當(dāng)前的工作溫度調(diào)整會診影像的色彩參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)色彩補(bǔ)償。具體來說，顯示屏在使用過程中會發(fā)熱，隨著工作時間的增加，顯示屏上所積累的熱量會導(dǎo)致顯示屏產(chǎn)生色彩偏離，且顯示屏的色彩偏離值與其當(dāng)前溫度值成線性相關(guān)。主控模塊實時監(jiān)測顯示屏的工作溫度，并基于其溫度值推導(dǎo)出色彩偏離值，再根據(jù)色彩偏離值，對會診影像的色彩參數(shù)進(jìn)行動態(tài)色彩補(bǔ)償，以確保在AR目鏡的運(yùn)行過程中，會診影像的色彩參數(shù)始終保持一致，良好逼真的還原現(xiàn)場故障現(xiàn)象。

設(shè)于AR目鏡之上的控制按鍵供工作人員操作操控以輸入控制指令，控制按鈕可以包括功能按鍵及方向按鍵，工作人員先行操作功能按鍵選定所要設(shè)置的選項，進(jìn)而再通過方向按鍵對該選項進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。例如，在選定進(jìn)行亮度設(shè)置時，即可通過不同的方向按鍵調(diào)高/低顯示屏的顯示亮度，以適配于環(huán)境亮度，獲得良好的顯示效果，避免因顯示屏過亮/過暗而傷害工作人員的視力。另外，在選定進(jìn)行縮放設(shè)置時，即可通過不同的方向按鍵對會診影像的顯示區(qū)域進(jìn)行縮/放調(diào)整，以將顯示區(qū)域調(diào)整至合適的大小，確保顯示區(qū)域不會遮擋工作人員觀察缺陷區(qū)域的視野，同時確保工作人員可清晰地查看會診影像中所包含的數(shù)據(jù)信息。此外，通過設(shè)定相應(yīng)的程序，還可通過控制按鈕完成針對會診影像中技術(shù)資料的選取、翻頁等操作，從而在AR目鏡上即可實現(xiàn)高效便捷控制。

傳統(tǒng)系統(tǒng)需要在識別設(shè)備身份后，快速提取設(shè)備相關(guān)的調(diào)度運(yùn)行、檢修試驗等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，對傳輸速率要求較高；同時，不同的數(shù)據(jù)存在不同的電力內(nèi)網(wǎng)分區(qū)中，物理隔離使得數(shù)據(jù)交互存在障礙，本創(chuàng)新點解決方法：采用增強(qiáng)現(xiàn)實AR技術(shù)，將顯示場景與虛擬信息融為一體，為運(yùn)維人員提供直觀的輔助增強(qiáng)顯示。采用1.8GTD—LTE專網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)智能穿戴主機(jī)與電力內(nèi)網(wǎng)后臺的快速關(guān)聯(lián)，打通電力內(nèi)網(wǎng)不同分區(qū)的數(shù)據(jù)庫，獲取電力內(nèi)網(wǎng)D5000、SCADA等系統(tǒng)的潮流數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測、運(yùn)檢PMS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢作業(yè)可視、可管、可控，提升變電站智能運(yùn)維水平。

3 應(yīng)用實例

為模擬誤開路安全措施操作流程指導(dǎo)，通過按鍵操作或語音智能操作可以查看下一步操作步驟描述和三維場景中的操作功能。模擬變電站三維全息視圖場景，并可通過手勢、語音控制等操作方式實現(xiàn)在場景中對電力設(shè)備的巡視維護(hù)。倒閘操作前電網(wǎng)運(yùn)行方式，可通過AR三維全息視圖和智能語音控制等操作方式實現(xiàn)在場景中對電力設(shè)備的轉(zhuǎn)方式操作。

該系統(tǒng)可長時間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行且定位精度滿足變電站使用要求，有效地保證了該站現(xiàn)場工作人員人機(jī)交互難、實時查看處理故障的時間和空間限制，實現(xiàn)了對變電站運(yùn)維數(shù)字化和智能化操作，確保了人身、設(shè)備、電網(wǎng)安全，多功能交互，無延時上傳后臺，實時對接運(yùn)維現(xiàn)場，提高了現(xiàn)場工作效率。

4 結(jié)語

基于AR技術(shù)的變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)配置有20多項工具功能，有效減少了現(xiàn)場作業(yè)時工具攜帶量，有效節(jié)省了時間和成本。通過遠(yuǎn)程視頻、語音、GPS定位、實時掌握現(xiàn)場作業(yè)人員的工作情況和安全情況。通過語音控制、PC后臺、手機(jī)或IPAD即可操作系統(tǒng)，提高了作業(yè)效率和作業(yè)的智能化程度，解決了信息采集分散，分析管理系統(tǒng)繁多，無法進(jìn)行高效智能化的數(shù)據(jù)分析和管理的問題，提高了管理效率和智能化管理水平。該系統(tǒng)改進(jìn)作業(yè)中人機(jī)之間、各級管理層之間的交互方式，建立互聯(lián)協(xié)同、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、經(jīng)驗共享等信息化生態(tài)圈，實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)的智能化管理，使復(fù)雜的變電設(shè)備變得直觀、透明，AR技術(shù)能夠直觀的展示出操作步驟和工藝，為作業(yè)人員提供更加直觀易懂的技術(shù)指導(dǎo)，而不再只是復(fù)雜、枯燥的作業(yè)指導(dǎo)書和圖紙。AR技術(shù)可以將二次圖紙、試修記錄、設(shè)備拆解、出廠信息、操作手冊、維修手冊檢修資料通過三維全息視圖立體的展示現(xiàn)場工作人員面前，后臺設(shè)備數(shù)據(jù)逼真的融合于現(xiàn)實場景中，讓工作人員能對檢修設(shè)備有直觀和切身的感受，利于最終檢修方案的完善。同時，利用AR技術(shù)可以使虛擬模型與現(xiàn)實中的真實場景相互融合，從而在維修方案定型前可以更好進(jìn)行仿真、分析、指導(dǎo)、維修等工作，更便捷、準(zhǔn)確地指導(dǎo)作業(yè)人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備檢修消缺。