基于混合現(xiàn)實技術(shù)的電纜及通道運(yùn)維輔助系統(tǒng)應(yīng)用研究

吳 茜，袁 博，馬凌波

（國網(wǎng)西安供電公司高壓電纜運(yùn)檢中心，陜西 西安 710000）

在傳統(tǒng)的電力電纜及通道運(yùn)維過程中，大量的設(shè)備臺賬、信息圖紙等數(shù)據(jù)主要以電子文檔或紙質(zhì)資料留存。運(yùn)維人員赴現(xiàn)場檢修時往往須攜帶大量資料去現(xiàn)場勘察核對，這種方法不僅耗時費力，且資料查詢困難、更新滯后，難以開展進(jìn)一步的統(tǒng)計分析，不利于運(yùn)維人員的精準(zhǔn)檢修，不符合電網(wǎng)管理精益化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢。

本文介紹了基于混合現(xiàn)實和智能人機(jī)交互技術(shù)的新型電纜及通道運(yùn)維輔助系統(tǒng)的原理，其應(yīng)用于電力電纜及通道運(yùn)維中的方法和意義。該輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了物理真實環(huán)境與三維虛擬環(huán)境之間的數(shù)據(jù)融合與交互，加快數(shù)字化、智慧化運(yùn)維落地，達(dá)到為一線員工賦能，提高生產(chǎn)力的目的。

1 研究背景

傳統(tǒng)電力電纜運(yùn)維的基礎(chǔ)資料可概括為“一圖、兩賬、一冊、一庫”?！耙粓D”是指電纜線路地理走徑圖，“兩賬”是指電纜線路信息臺賬和電纜通道信息臺賬；“一冊”是指電纜饋路圖冊，是全部輸電電纜線路的走徑圖集。“一庫”是指電纜線路資料庫。上述資料繁多且復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理難、利用率低，造成運(yùn)維人員巡視檢修效率低，現(xiàn)場信息獲取及更新不及時、不全面。

目前電力電纜運(yùn)維場景中主要存在以下問題：（1）電纜及通道架構(gòu)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單憑人力難以準(zhǔn)確識別并獲得電纜及通道內(nèi)的全部設(shè)備信息；（2）大多數(shù)電纜及通道的巡視仍以人工現(xiàn)場巡視方式為主，巡視效果、巡視效率都極大地依賴現(xiàn)場人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗，主觀性較強(qiáng)，無法滿足運(yùn)檢高效可靠的管理要求；（3）傳統(tǒng)人工方式巡視須進(jìn)行各種表單的登記、記錄和存儲，人工成本高、人力消耗大，存在數(shù)據(jù)易丟失、數(shù)據(jù)調(diào)用處理難等問題，無法滿足電纜及通道智能運(yùn)檢的發(fā)展需求[1]；（4）由于地下電纜通道環(huán)境復(fù)雜，新員工培訓(xùn)多以室內(nèi)授課為主，即使現(xiàn)場培訓(xùn)也很難全面了解通道內(nèi)部實際情況，培訓(xùn)效果不理想，新員工上手時間長。

基于混合現(xiàn)實技術(shù)的智慧運(yùn)維輔助系統(tǒng)，通過掃描真實電纜通道環(huán)境，創(chuàng)建一個與真實環(huán)境相對應(yīng)的三維虛擬模型，并將相關(guān)設(shè)備信息數(shù)據(jù)添加到創(chuàng)建的三維空間中，運(yùn)維人員通過混合現(xiàn)實技術(shù)眼鏡，如身臨其境般準(zhǔn)確快速獲取通道數(shù)據(jù)，是一種靈活處理現(xiàn)實與虛擬信息交互的技術(shù)應(yīng)用[2]。

2 系統(tǒng)概述

混合現(xiàn)實技術(shù)是繼虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實后，一種可令現(xiàn)實世界與虛擬物體在共同視覺空間顯示并進(jìn)行交互的計算機(jī)虛擬技術(shù)，因具有較強(qiáng)的交互性與融合性，成為近年來研究與應(yīng)用的熱點。

混合現(xiàn)實技術(shù)主要是通過對現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行掃描，創(chuàng)建一個與真實環(huán)境相似的三維模型，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容融入創(chuàng)建的模型中?，F(xiàn)階段，混合現(xiàn)實交互系統(tǒng)主要由虛擬景象生成器、頭部姿勢跟蹤儀器、交感設(shè)備、頭戴顯示器以及定位設(shè)備組成，在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，人們可以通過體感交互的方式與模型進(jìn)行交流?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)可以將實景數(shù)據(jù)融入三維建模中，并且內(nèi)容可根據(jù)環(huán)境變化而變化，使用戶和環(huán)境進(jìn)行沉浸式交互[3]，如圖1 所示。

圖1 混合現(xiàn)實技術(shù)在電纜線路巡視時的效果展示

在電力電纜及通道運(yùn)維場景中，混合現(xiàn)實技術(shù)可以為運(yùn)維人員實時提供全方位的設(shè)備信息，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，大大提升巡視效率，對設(shè)備檢修提供精準(zhǔn)指導(dǎo)[4]。

3 系統(tǒng)功能

基于混合現(xiàn)實技術(shù)的智慧運(yùn)維輔助系統(tǒng)功能圖如圖2 所示，其具體功能如下。

圖2 基于混合現(xiàn)實技術(shù)的智慧運(yùn)維輔助系統(tǒng)功能圖

遠(yuǎn)程協(xié)作：技術(shù)人員在現(xiàn)場遇到無法解決的問題時，可以使用遠(yuǎn)程協(xié)作和專家取得聯(lián)系，尋求幫助。

設(shè)備管理：包括設(shè)備信息、設(shè)備監(jiān)測和設(shè)備控制，可對接業(yè)務(wù)平臺。將設(shè)備信息直接疊加到現(xiàn)場真實環(huán)境中，方便用戶快速定位和信息查詢。

掃一掃：掃一掃是快速打開其他應(yīng)用，獲取指定的信息或功能的一種方式。

路徑導(dǎo)航：用于向用戶展示地圖信息、位置信息和導(dǎo)航路徑?？商峁┭矙z任務(wù)路線規(guī)劃，現(xiàn)場路徑指引功能[5]。

輔助運(yùn)維：通過下發(fā)特定的運(yùn)維任務(wù)，系統(tǒng)可為運(yùn)維人員提供標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行規(guī)范。運(yùn)維人員可跟隨操作指引進(jìn)行作業(yè)，隨時查看設(shè)備信息、監(jiān)測信息和文檔資料。同時，運(yùn)維人員可使用拍照、錄像等工具，記錄任務(wù)完成情況。

測量工具：通過手動方式在空間中放置點位，根據(jù)點位坐標(biāo)和數(shù)學(xué)公式，計算出長度、角度和面積等。

虛擬安裝：利用混合現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行設(shè)備虛擬擺放、虛擬布線等，為實際工程施工提供參考依據(jù)。

技能培訓(xùn)：利用混合現(xiàn)實技術(shù)展示操作指導(dǎo)和指導(dǎo)內(nèi)容，為員工提供更為直觀的訓(xùn)練和培訓(xùn)。

知識庫：知識庫用于搜索并查看存儲文檔。

人機(jī)交互：包括用手直接操作，用手指向和提交，手勢交互、語音交互和眼睛凝視交互等。

4 應(yīng)用場景分析

地下線纜透視定位。由于地下電纜通道線纜較多、環(huán)境復(fù)雜，人員巡視時難以準(zhǔn)確判斷具體線路的擺放位置和路線走徑，基于電纜建設(shè)投運(yùn)和后期運(yùn)維的基本信息數(shù)據(jù)，通過定位技術(shù)和三維模型投影，將通道內(nèi)線纜投影映射到運(yùn)維人員眼前，如圖3 所示。

圖3 電纜通道模型圖

數(shù)據(jù)識別與錄入。用戶手持紅外線測溫儀等設(shè)備進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)測量，通過圖像識別技術(shù)自動拍照將設(shè)備參數(shù)實時錄入至運(yùn)維系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)文本解析并自動上報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)錄入。

設(shè)備信息標(biāo)記。該系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔⒃诂F(xiàn)實空間以三維面板等形式進(jìn)行排版布局，直接擺放在關(guān)聯(lián)設(shè)備附近，實現(xiàn)邊走邊查，一用即走的效果，節(jié)省用戶搜索與錄入的時間。

巡檢運(yùn)維場景。該系統(tǒng)可實現(xiàn)功能包括巡檢任務(wù)管理、路徑導(dǎo)航、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程協(xié)作、掃一掃等。

遠(yuǎn)程協(xié)作的使用場景。場外呼叫及遠(yuǎn)程指導(dǎo)，后臺業(yè)務(wù)協(xié)同，實時交流與數(shù)據(jù)推送。其優(yōu)點是解放雙手，實時通信且不影響當(dāng)前工作；與業(yè)務(wù)后臺一致的觀察視角，減少文字語音表述的歧義。

掃一掃的使用場景。查看設(shè)備詳情、監(jiān)測信息等，設(shè)備檢修時進(jìn)行設(shè)備識別登記。其優(yōu)點是步驟簡單，無須煩瑣輸入，部署方便。

路徑導(dǎo)航的使用場景。巡視任務(wù)最佳路線規(guī)劃，維修設(shè)備位置定位指引。其優(yōu)點是直觀顯示行進(jìn)路線，人員位置實時打點標(biāo)記[5]。

工程勘察場景應(yīng)用。通過該運(yùn)維系統(tǒng)可在測量工具與虛擬安裝場景下實現(xiàn)可視化應(yīng)用。

測量工具的使用場景?，F(xiàn)場環(huán)境勘察，虛擬布線。其優(yōu)點是無須額外設(shè)備輔助，無接觸測量。

虛擬安裝的使用場景?，F(xiàn)場施工設(shè)計方案驗證，查看場地設(shè)計規(guī)劃，查看建筑內(nèi)部管線構(gòu)造。其優(yōu)點是方案效果直觀，容易理解；方便快速切換不同方案進(jìn)行對比；建筑透視，易于展示內(nèi)部構(gòu)造。

檢修指導(dǎo)場景應(yīng)用。系統(tǒng)可在技能培訓(xùn)或檢修現(xiàn)場進(jìn)行知識庫使用查詢，如在設(shè)備檢修時查看維修指導(dǎo)手冊，施工時查看工程設(shè)計文件，運(yùn)維過程中查看歷史維修記錄。其優(yōu)點是資料統(tǒng)一管理，搜索方便；與設(shè)備信息、執(zhí)行任務(wù)關(guān)聯(lián)，運(yùn)維過程中可快速調(diào)用。

5 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

實時互動性?；旌犀F(xiàn)實的實時交互性得益于混合現(xiàn)實技術(shù)的感知技術(shù)及傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)中可以搭載多種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，運(yùn)維人員可通過混合現(xiàn)實技術(shù)將這些數(shù)據(jù)融入到虛擬模型中，實現(xiàn)全方位的監(jiān)控和反饋。

在維修過程中，現(xiàn)場維修人員利用視頻、語音交互功能與后臺之間進(jìn)行實時溝通，專家能對復(fù)雜的維修項目進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，提高維修質(zhì)量。

快速開展故障查詢。工作人員可從云端業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)中快速獲取相關(guān)設(shè)備的歷史運(yùn)行參數(shù)和屬性數(shù)據(jù)，如設(shè)備結(jié)構(gòu)信息、零件設(shè)備的更換歷史等，同時能迅速確認(rèn)電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的位置，為工作人員顯示故障點附近的信息，將檢測到的故障信息及時上傳到云端，為后續(xù)工作的開展提供參考[6]。

數(shù)字化傳輸與存儲?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)可以采集到現(xiàn)實世界中所有的信息，并可以將收集的信息高速存儲在云端，便于用戶對信息進(jìn)行數(shù)字化分解與重構(gòu)。

技能培訓(xùn)。利用混合現(xiàn)實技術(shù)，維修人員可以在虛擬場景中進(jìn)行虛擬操作，以此掌握操作技能，提高實際操作的安全性和效率。

信息直觀展示?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)可使運(yùn)維人員快速獲取電纜及通道的信息，提供更加直觀的視覺效果；可通過虛擬模型更好地理解電纜及通道的結(jié)構(gòu)和特點，從而更加準(zhǔn)確地判斷電纜的狀態(tài)和運(yùn)行情況；可提供全方位的視角，在不同的角度和距離下觀察電纜及通道，全面了解電纜的情況；可提供實時的監(jiān)控和反饋，實時查看電纜及通道的狀態(tài)，及時采取相應(yīng)的措施，從而保證電纜及通道的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

本文介紹了基于混合現(xiàn)實技術(shù)的智慧運(yùn)維輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對復(fù)雜電纜線路和地下通道信息的虛擬再現(xiàn)，使運(yùn)檢人員直觀掌握電纜及通道的全方位信息。通過數(shù)據(jù)分析處理，可為設(shè)備檢修維護(hù)提供精準(zhǔn)依據(jù)。該系統(tǒng)同時具備技能培訓(xùn)、實時互動、工程勘察等功能，為電力電纜專業(yè)的數(shù)字化運(yùn)維提供了技術(shù)支撐。