馬玥竹，桑 瑋

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

0 引言

目前，核電廠的就地運維和檢修工作因為缺乏可將電廠參數(shù)、房間信息、通道信息、設(shè)備信息等重要信息呈現(xiàn)給運維人員的集成平臺，導(dǎo)致核電廠存在人員誤入危險區(qū)域，誤入冗余通道的房間及誤操作冗余通道設(shè)備等潛在風險。同時，就地運維人員通過一次側(cè)表計的讀數(shù)來對設(shè)備狀態(tài)進行評估，其設(shè)備巡檢及維修的效率也存在瓶頸。上述問題均可歸結(jié)為就地維修人員對現(xiàn)場工作環(huán)境實時認知的缺失，為核電廠運維增加了一定的安全隱患。

增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，縮寫AR）作為當前最先進的交互技術(shù)之一，可通過將虛擬和現(xiàn)實“無縫”集成的方式，一定程度上解決就地維修人員對現(xiàn)場工作環(huán)境的實時認知缺失問題。AR 結(jié)合了計算機圖形圖像技術(shù)、空間定位技術(shù)、可視化技術(shù)以及交互技術(shù)，可在展現(xiàn)真實物理環(huán)境信息的同時，將現(xiàn)實世界難以實現(xiàn)的輔助虛擬數(shù)據(jù)信息，通過增強現(xiàn)實設(shè)備疊加顯示在真實物理環(huán)境中，使真實和虛擬兩種信息相互補充、疊加，具有實時交互性。該AR 技術(shù)可通過將運維人員所需的重要信息，通過增強現(xiàn)實設(shè)備疊加展現(xiàn)在數(shù)據(jù)相關(guān)設(shè)備周邊的方式，支持運行人員對設(shè)備的監(jiān)測、調(diào)試和檢修活動，增強工作人員對電廠狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、維修步驟及安保防護等方面的認知，提升核電廠安全、可靠及經(jīng)濟性，有必要將增強現(xiàn)實技術(shù)與電廠運維緊密結(jié)合。

AR 技術(shù)于20 世紀60 年代[1]提出以來，經(jīng)過長時間的技術(shù)發(fā)展及積累，已成功在商業(yè)、醫(yī)學(xué)、教育及工業(yè)領(lǐng)域得到使用。由于核電廠安全冗余設(shè)備數(shù)量大、系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)緊密等原因，引入AR 技術(shù)尚存在一些局限，本文將介紹核電廠AR 技術(shù)應(yīng)用的局限及解決方案。

1 AR技術(shù)的工作原理

AR 技術(shù)是將計算機產(chǎn)生的虛擬物體或其他信息合成到用戶感知的真實世界中的一種交互式的可視化技術(shù)，它是對真實世界的補充[2]。

AR 技術(shù)的原理是通過攝像機識別現(xiàn)實場景中的物體后，利用空間注冊技術(shù)計算虛擬信息在基于現(xiàn)實場景的坐標系中的位置后，將虛擬信息通過AR 組件（如AR 眼鏡、移動手機或平板電腦等設(shè)備）顯示在真實場景中。

AR 技術(shù)工作原理分為四步[3]：

1）場景信息獲?。簩π枰鰪姮F(xiàn)實的場景進行掃描，識別場景中的重要物項，建立真實場景坐標系，為跟蹤注冊技術(shù)的實施提供所需場景信息。

2）空間定位及注冊：通過計算機虛擬世界與真實場景坐標系的對應(yīng)關(guān)系，將虛擬信息按照正確的空間透視關(guān)系疊加到真實場景的準確位置，并確保用戶移動不會造成虛擬信息的抖動與扭曲。

3）場景融合繪制：根據(jù)真實場景三維信息繪制虛擬信息，將真實場景與虛擬信息進行融合，確保虛擬信息穩(wěn)定顯示。

4）增強信息顯示：將虛擬信息在AR 組件設(shè)備上進行顯示。

2 AR技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的局限

核電廠就地環(huán)境的一些特殊性影響著AR 技術(shù)在核電廠的應(yīng)用，主要影響AR 技術(shù)中的場景信息獲取與空間定位及注冊。AR 技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的主要局限有下述幾點。

2.1 網(wǎng)絡(luò)信號屏蔽

目前市場上已投入商用的AR 設(shè)備均需連接網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實時進行設(shè)備定位，達到需增強顯示的模型或數(shù)據(jù)可通過AR 設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定顯示，不出現(xiàn)抖動或遮擋現(xiàn)象。而核電廠就地環(huán)境由于以下3 點原因，很難部署全范圍覆蓋的網(wǎng)絡(luò)且保證網(wǎng)絡(luò)信號良好：

1）就地環(huán)境較寬闊，需部署多個網(wǎng)絡(luò)基站。

2）特殊鋼筋水泥造成的網(wǎng)絡(luò)信號削弱及屏蔽。

3）大量冗余設(shè)備及輻射造成的電磁兼容性會造成大量信號噪音。

在無法連接網(wǎng)絡(luò)信號的情況下，AR 設(shè)備無法做到精確的設(shè)備定位。

2.2 大量冗余設(shè)備

核電廠為確保其安全性，保證任何工況下電廠均能安全運行，故設(shè)置了大量的冗余房間、冗余通道、冗余設(shè)備。這些房間、通道、設(shè)備在外觀上的一致性，導(dǎo)致AR 設(shè)備很難通過常用的基于自然特征的跟蹤注冊方法，實現(xiàn)設(shè)備識別及空間跟蹤注冊。

2.3 數(shù)據(jù)來源復(fù)雜

核電廠的電廠參數(shù)作為決策過程中最重要的參考，在完成電廠各項任務(wù)中均需靈活調(diào)用。但核電廠考慮到其安全性，電廠參數(shù)不僅數(shù)據(jù)量龐大且數(shù)據(jù)來源于不同系統(tǒng)，在執(zhí)行任務(wù)過程中存在需從不同系統(tǒng)中調(diào)用數(shù)據(jù)的情況。數(shù)據(jù)來源復(fù)雜導(dǎo)致AR 設(shè)備無法進行所有電廠參數(shù)的實時傳輸及存儲。

3 AR技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的解決方案

3.1 設(shè)備識別解決方案

上述2.1 及2.2 中描述的AR 技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的局限均導(dǎo)致設(shè)備識別困難，其原因為在核電廠中空間定位和空間注冊相對困難。

AR 技術(shù)中最重要的技術(shù)即為空間定位與空間注冊技術(shù)?？臻g定位是數(shù)字化映射的基礎(chǔ)，通過定位，可將相關(guān)虛擬信息精準疊加到真實環(huán)境中所需位置，而不會出現(xiàn)虛擬信息顯示錯位的情況。而空間注冊，可將計算機生成的虛擬物體和真實環(huán)境中的景象“對齊”?？臻g注冊需確定虛擬物體與用戶間的關(guān)系，通過正確的幾何投影將虛擬物投影到用戶視野中?？臻g注冊目前較為先進及穩(wěn)定的方法是基于同步定位與地圖重建的方法，而空間定位技術(shù)則存在許多方案及提升空間。

目前，市場上增強現(xiàn)實設(shè)備使用的空間定位往往通過GPS 定位系統(tǒng)或通過Wi-Fi 或UWB 定位基站的方式進行空間定位，但考慮到核電廠的特殊環(huán)境及安全性要求，上述兩種空間定位方式均不可直接應(yīng)用于核電廠廠內(nèi)定位，其原因如下：

1）GPS 定位系統(tǒng)：GPS 定位系統(tǒng)由于誤差在幾十米左右，很難運用于電廠環(huán)境中，因為幾十米的定位誤差很容易定位錯房間或廠房，使得人員定位系統(tǒng)無法發(fā)揮其作用。

圖1 離線室內(nèi)定位及注冊系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Off line indoor space position and registration system architecture

2）通過Wi-Fi 或UWB 定位基站進行定位：精準的人員定位系統(tǒng)需要較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需要在整個廠區(qū)中安置大量Wi-Fi 或UWB 定位終端或設(shè)備。然而，核電廠由于存在信號屏蔽和電磁兼容性等問題，無法確保在廠區(qū)所有位置的全覆蓋，并提供長期和持續(xù)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。即便要實現(xiàn)也需要投入大量的設(shè)備成本，這一致命問題導(dǎo)致常用的精準定位系統(tǒng)無法在核電廠使用。

綜上所述，目前市場上尚缺乏滿足核電廠內(nèi)特殊環(huán)境的室內(nèi)定位方法和技術(shù)，在達到高精度的同時，集中解決定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

離線室內(nèi)定位及注冊系統(tǒng)的搭建可滿足在核電廠特殊環(huán)境中達到定位及注冊的高精度、高穩(wěn)定性及高魯棒性的目標，通過對于核電廠目標廠房內(nèi)的空間掃描地圖構(gòu)建，獲取視覺相機在廠房內(nèi)的坐標信息，提供給AR 設(shè)備進行后期的空間注冊功能。

離線室內(nèi)定位及注冊系統(tǒng)的原理如圖1 所示。該系統(tǒng)通過多傳感器融合的空間掃描和空間定位組件處理視覺與慣性接連數(shù)據(jù)，實時提供支持AR 設(shè)備空間定位及空間注冊的六自由度姿態(tài)定位信息并通過一次掃描離線生成可視化稀疏點云，通過UDP 的通訊方式輸出給AR 設(shè)備端。在AR 設(shè)備就地應(yīng)用中，空間定位設(shè)備利用基于視覺的同步定位與地圖重建技術(shù)，同時參考預(yù)先由點云和三維模型對比建立的離線地圖獲取實時的位置信息，AR 設(shè)備參考當前所在位置，向數(shù)據(jù)服務(wù)器請求周邊的相關(guān)模型數(shù)據(jù)以及實時數(shù)據(jù)點。最終，AR 設(shè)備將展現(xiàn)包含靜態(tài)設(shè)備信息以及實時動態(tài)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的混合疊加視野。

該定位系統(tǒng)將定位設(shè)備與AR 的靈活性、便攜性與易操作性融入解決方案，提供一套基于分析環(huán)境不確定性、精確建模和多傳感器融合的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，僅需在首次使用前對整個場景進行掃描建立點云模型即可，不依賴于無線網(wǎng)絡(luò)，無需在廠內(nèi)增加Wi-Fi 或UWB 定位基站。

3.2 數(shù)據(jù)交互解決方案

圖2 OPC通信過程Fig.2 OPC Communication process

為解決上述2.3 中描述的數(shù)據(jù)來源接口不一致的問題，可采用OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）通訊的方式。OPC 是一套集信息模型定義，服務(wù)集與通訊標準為一體的標準化技術(shù)框架。同時，隨著《OPC統(tǒng)一框架》國家標準的發(fā)布，OPC 也成為了“工業(yè)4.0”實現(xiàn)標準化的基石，選擇OPC 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口符合國家標準。AR 設(shè)備可通過OPC 通訊的方式與核電廠內(nèi)來自各個不同系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行傳輸及交互。

核電廠的儀控設(shè)備或仿真儀控設(shè)備，通過OPC DA3.0接口提供實時數(shù)據(jù)點，通過以下手段將數(shù)據(jù)綜合到一起并提供云端的實時數(shù)據(jù)服務(wù)，OPC 通信過程如圖2 所示。

首先，在各個實時數(shù)據(jù)來源系統(tǒng)中部署OPC 執(zhí)行服務(wù)（OPC Daemon），該服務(wù)只用來執(zhí)行最終OPC 讀寫查操作。對于數(shù)據(jù)點的訂閱，使用組播方式發(fā)放給數(shù)據(jù)管理器，實時數(shù)據(jù)管理器負責與各個OPC 執(zhí)行端建立數(shù)據(jù)連接，按照用戶請求進行按需數(shù)據(jù)查詢以及周期性數(shù)據(jù)查詢，執(zhí)行數(shù)據(jù)點清單的定期更新，建立歷史數(shù)據(jù)緩存機制。為了提供高可用性，實時數(shù)據(jù)管理器可以建立高可用性集群，所有集群公用一個可擴展的額存儲中心，通過離散數(shù)據(jù)索引，保證數(shù)據(jù)緩存的完整性。實時數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)使用RPC 方式對外提供服務(wù)。服務(wù)層面使用輪詢或者其他動態(tài)負載均衡手段暴露出訪問接口（HTTPS），通過建立SaaS 服務(wù)部署模式，提供給AR 設(shè)備進行數(shù)據(jù)訪問。

在數(shù)據(jù)處理方面，PDS 數(shù)據(jù)先被展開成多個設(shè)備，而后按照用戶定制的綁定規(guī)則自動或者由用戶手動將實時數(shù)據(jù)點綁定到設(shè)備上，使得實時數(shù)據(jù)點與設(shè)備建立多對多關(guān)系。當用戶從現(xiàn)場的設(shè)備中獲取有效的定位信息，利用定位信息查詢到設(shè)備模型后，將自動查詢設(shè)備模型的綁定數(shù)據(jù)點。通過聯(lián)動實時數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)點的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)開放給現(xiàn)場設(shè)備的信息顯示端。

4 結(jié)束語

隨著AR 技術(shù)硬件的快速發(fā)展，AR 設(shè)備將具有更強的便攜性與續(xù)航能力。同時，隨著AR 技術(shù)軟件的快速發(fā)展，虛擬信息將趨于真實，提高虛擬信息的真實感及沉浸感。AR 技術(shù)可以輔助核電廠使龐大數(shù)據(jù)打破空間限制，隨時隨地進行顯示及交互。

本文中提出基于現(xiàn)有技術(shù)能力且針對核電廠就地環(huán)境的離線室內(nèi)空間定位和注冊方案及針對核電廠來源復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互方案，可推進AR 技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用，同時應(yīng)繼續(xù)關(guān)注與研究更高效的技術(shù)和方案，提升AR 技術(shù)在核電行業(yè)的實用性。