增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用

劉磊，楊景標(biāo)，趙仲勛

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528251）

特種設(shè)備的安全關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與居民生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)乎經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快的發(fā)展。與機(jī)電類特種設(shè)備相比，承壓類特種設(shè)備普遍具有高壓力、高溫度、介質(zhì)復(fù)雜、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，其檢驗(yàn)工作的復(fù)雜性與難度更大。尤其是近年來，承壓類特種設(shè)備向高參數(shù)、高效能和大型化等方向發(fā)展，傳統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降谋锥吮徊粩喾糯?。為順?yīng)信息化與智能化發(fā)展的要求，需對(duì)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行優(yōu)化，以提高檢驗(yàn)工作的有效性與檢驗(yàn)質(zhì)量的客觀性。因此，AR 技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

AR 技術(shù)正在快速普及與應(yīng)用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指將影像疊加在現(xiàn)實(shí)世界中的技術(shù)，是基于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算和多傳感器相融合，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息結(jié)合與交互。廣義上來講，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)世界的技術(shù)的統(tǒng)稱，該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)對(duì)從現(xiàn)實(shí)世界獲得的“感覺信息”進(jìn)行處理，從而改變所獲的部分信息。處理不僅包括添加，還包括刪除、強(qiáng)調(diào)、衰減等方式。該技術(shù)通過對(duì)人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等進(jìn)行模擬和再輸出，并將虛擬信息疊加到真實(shí)信息上，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的無縫融合，讓人感受到超越真實(shí)世界感受的體驗(yàn)，進(jìn)而提高人類對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的認(rèn)知能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，其完整的系統(tǒng)至少由三部分構(gòu)成：跟蹤、注冊(cè)和顯示。通過各組成部分的相互關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息的交互結(jié)合。近年來，AR 技術(shù)發(fā)展迅速，得到了廣泛應(yīng)用，尤其在教育、娛樂、醫(yī)療、軍事、城市規(guī)劃、導(dǎo)航等領(lǐng)域。

2 傳統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

目前承壓類特種設(shè)備的檢驗(yàn)，主要局限于全過程的人工檢驗(yàn)，即通過檢驗(yàn)人員對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)獲得相應(yīng)的檢驗(yàn)信息。檢驗(yàn)人員依照檢驗(yàn)方案跟自身檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)待檢設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量、理化的檢驗(yàn)與宏觀的檢查，形成檢驗(yàn)記錄，進(jìn)而出具檢驗(yàn)報(bào)告。承壓類特種設(shè)備種類繁多，且檢驗(yàn)項(xiàng)目煩瑣，所以檢驗(yàn)中所遇問題眾多。加之檢驗(yàn)周期跨度大，在不同周期內(nèi)，同一臺(tái)設(shè)備的檢驗(yàn)人員也可能不同，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果差異性較大。通過對(duì)過往檢驗(yàn)項(xiàng)目梳理，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式存在以下弊端。

（1）承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)人員依據(jù)相關(guān)規(guī)程與檢驗(yàn)方案，對(duì)除特殊規(guī)定的項(xiàng)目外，其余項(xiàng)目均按一定比例進(jìn)行抽檢。雖然抽檢工作是在滿足檢驗(yàn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，盡可能選取受力復(fù)雜、易損傷的部位，以保證檢驗(yàn)工作的科學(xué)性，但仍無法確保未抽檢部位不存在隱患。此外，對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行100%的人工檢驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，也是不合理的。因此，通過全人工的抽檢模式會(huì)造成檢驗(yàn)的不全面性，進(jìn)而使設(shè)備的后續(xù)運(yùn)行存在一定安全隱患。

（2）在宏觀檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)人員主要針對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果不合格的部位進(jìn)行記錄和拍照留存，對(duì)合格部位直接下定合格結(jié)論。此種檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o法給下次檢驗(yàn)提供直觀的圖片或數(shù)據(jù)等資料，難以為設(shè)備安全狀況判斷、缺陷擴(kuò)展情況研究、壽命評(píng)估等提供支撐。

（3）設(shè)備檢驗(yàn)完成并投入使用后，由于設(shè)備表面無法永久地標(biāo)識(shí)，并且前后兩次檢驗(yàn)周期間隔長(zhǎng)，因此兩次檢驗(yàn)選取的部位有一定偏差，無法準(zhǔn)確反映設(shè)備安全狀況的發(fā)展情況，容易給檢驗(yàn)人員造成誤判，導(dǎo)致“檢不準(zhǔn)”問題的出現(xiàn)。

（4）對(duì)經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的檢驗(yàn)人員，在檢驗(yàn)項(xiàng)目完整性和方法、部位選取等方面未能快速地合理判斷，導(dǎo)致檢驗(yàn)效率低下。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的結(jié)合

AR 技術(shù)在承壓設(shè)備智能檢測(cè)方面具有很大的應(yīng)用潛力。通過將虛擬信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，AR 技術(shù)可以幫助工作人員快速準(zhǔn)確地識(shí)別和定位承壓設(shè)備的問題，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始探索AR 技術(shù)在相關(guān)方面的應(yīng)用，未來這一領(lǐng)域的發(fā)展前景非常廣闊。德國(guó)西門子公司利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了“Siemens AR Engine”的工具，可以幫助工程師在現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別和解決問題。美國(guó)微軟公司推出了“HoloLens”的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，可以幫助工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)和維修。北京航空航天大學(xué)江西研究院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛機(jī)維修培訓(xùn)系統(tǒng)，可以幫助技術(shù)人員更好地學(xué)習(xí)和掌握維修技能。

現(xiàn)階段，由于缺少承壓類特種設(shè)備的模型及跟蹤、注冊(cè)和顯示等相關(guān)技術(shù)，使AR 技術(shù)無法直接簡(jiǎn)單化應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)領(lǐng)域。同時(shí)，AR 技術(shù)應(yīng)用于各領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)不是普適的，需要對(duì)其在各自領(lǐng)域的應(yīng)用適應(yīng)性進(jìn)行研究。因此，針對(duì)承壓類特種設(shè)備的特點(diǎn)，應(yīng)建立一套基于增強(qiáng)顯示技術(shù)的設(shè)備檢驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括前端客戶端和后端服務(wù)器，客戶端與服務(wù)器之間通信連接。

3.1 前端客戶端與后端服務(wù)器構(gòu)成

前端客戶端設(shè)有攝像頭、定位系統(tǒng)、增強(qiáng)顯示界面。所用攝像頭用于獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像。所用定位系統(tǒng)用于獲取客戶端當(dāng)前位置信息。增強(qiáng)顯示界面用于向檢驗(yàn)人員提供顯示和操作設(shè)置的功能。此外，客戶端上還安裝有定位識(shí)別模塊、缺陷識(shí)別與尺寸測(cè)量模塊、檢驗(yàn)輔助模塊、檢驗(yàn)記錄模塊。

后端服務(wù)器是由設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、檢驗(yàn)方案數(shù)據(jù)庫組成。

3.2 檢驗(yàn)流程的構(gòu)建

圖1 為AR 技術(shù)在設(shè)備檢驗(yàn)中應(yīng)用的示意圖。如圖1所示，檢驗(yàn)人員接收到壓力容器的檢驗(yàn)任務(wù)后，檢驗(yàn)人員從服務(wù)器的設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫中分別調(diào)取壓力容器的基本信息和模型信息，并在客戶端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面查看相關(guān)信息。

圖1 檢驗(yàn)應(yīng)用示意圖

檢驗(yàn)人員根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的信息，如使用年限，容器等級(jí)等，從服務(wù)器的檢驗(yàn)方案數(shù)據(jù)庫中選取出待檢容器的最佳檢驗(yàn)方案。

在檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，檢驗(yàn)人員利用客戶端對(duì)容器進(jìn)行拍照、定位識(shí)別和設(shè)備識(shí)別?？蛻舳说妮o助模塊根據(jù)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)獲得的信息，調(diào)取服務(wù)器中的設(shè)備信息庫與模型信息庫中的信息，并在客戶端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面顯示。檢驗(yàn)人員通過客戶端，可迅速獲得待檢容器的設(shè)備信息。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員可通過客戶端的攝像頭拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像，缺陷識(shí)別與尺寸測(cè)量模塊會(huì)根據(jù)所拍攝的現(xiàn)場(chǎng)圖像對(duì)待檢容器進(jìn)行缺陷識(shí)別和缺陷尺寸測(cè)量，得到缺陷信息。檢驗(yàn)過程中的記錄會(huì)通過記錄模塊生成檢驗(yàn)記錄，并將檢驗(yàn)記錄信息存儲(chǔ)至設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中。此檢驗(yàn)過程相對(duì)于傳統(tǒng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)流程更合理，檢驗(yàn)結(jié)果更客觀，檢驗(yàn)工作更高效，極大地提高了檢驗(yàn)的智能化水平。

4 結(jié)語

（1）AR 技術(shù)在承壓類特種設(shè)備中的應(yīng)用，極大地克服了傳統(tǒng)人工檢驗(yàn)?zāi)Ｊ街写嬖诘男畔T乏、檢驗(yàn)效率低下等弊端，有利于提高檢驗(yàn)效率、降低成本，可獲得更加全面的數(shù)據(jù)，對(duì)保證特種設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

（2）AR 技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用，符合檢驗(yàn)行業(yè)信息化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)水平與服務(wù)能力的提高具有重要的推動(dòng)作用。