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(guò)程中，存在著以下問(wèn)題：現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)或人身觸電；在現(xiàn)有的技術(shù)中，故障點(diǎn)的判斷，分析需經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行拍照、錄制及上傳至后臺(tái)，通過(guò)電話進(jìn)行會(huì)診，而現(xiàn)場(chǎng)工作人員不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景與后臺(tái)專家進(jìn)行實(shí)況診斷，也不能知道后臺(tái)專家針對(duì)實(shí)況故障點(diǎn)進(jìn)行圖文，視頻的判斷結(jié)果，這極大的影響到現(xiàn)場(chǎng)消缺效率和增加了消缺工作的誤判概率；作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)差、風(fēng)噪影響和后臺(tái)專家的語(yǔ)音指導(dǎo)；在現(xiàn)有的技術(shù)中，故障點(diǎn)的判斷，分析需經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行手動(dòng)拍照，錄制，及上傳至后臺(tái)，通過(guò)電話進(jìn)行會(huì)診，而現(xiàn)場(chǎng)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操消缺工作時(shí)，雙手得不到解放，這極大的影響到現(xiàn)場(chǎng)消缺效率和增加了消缺工作的出錯(cuò)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(shí)，特別是設(shè)備更新?lián)Q代后，遇到故障只會(huì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)物體的追蹤，頭部運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到對(duì)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(tái)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(chǎng)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(shí)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(shí)別效率低。

因此，本文基于AR技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)。通過(guò)采用距離感應(yīng)裝置實(shí)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(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境同虛擬信息無(wú)縫集成對(duì)接；采用智能巡檢AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線診斷電氣設(shè)備運(yùn)行狀況；采用安全報(bào)警機(jī)制，及時(shí)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(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)接、后臺(tái)管理等部分組成。

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

功能模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)AR三維全息視圖實(shí)時(shí)直播、語(yǔ)音通話、在線錄像、在線標(biāo)記等即時(shí)聯(lián)絡(luò)方式，同時(shí)聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)抓拍、截圖、錄像，實(shí)現(xiàn)人員GPS定位、溫濕度感應(yīng)、安全報(bào)警、人臉識(shí)別等模塊交互。

系統(tǒng)對(duì)接模塊主要負(fù)責(zé)云/本地服務(wù)器的對(duì)接，實(shí)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(kù)存盤跟蹤、云數(shù)據(jù)識(shí)別庫(kù)等信息存儲(chǔ)與傳輸。

后臺(tái)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(shí)別管理，主要負(fù)責(zé)不同環(huán)境下管理信息入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的閉環(huán)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）穿透式AR目鏡與語(yǔ)音交互的變電消缺遠(yuǎn)程視頻會(huì)診系統(tǒng)。在變電消缺過(guò)程中，多功能交互互不干擾同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)智能語(yǔ)音交互與穿透式AR影像展示，即可實(shí)現(xiàn)攝制、遠(yuǎn)程會(huì)診，實(shí)況同步交流、音頻播放、影像展示及危險(xiǎn)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(jí)男生。開學(xué)一個(gè)月以來(lái)，小亮經(jīng)常出現(xiàn)遲到、課間打鬧、不交英語(yǔ)作業(yè)、自習(xí)課搗亂等問(wèn)題。當(dāng)然，小亮也是有優(yōu)點(diǎn)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(yǔ)音交互的變電消缺遠(yuǎn)程視頻會(huì)診系統(tǒng)。在變電消缺過(guò)程中，確?，F(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)警告等功能，通過(guò)多MIC矩陣實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪音的降噪，通過(guò)選擇MIC的拾取選項(xiàng)，傳輸故障異常音至后臺(tái)。通過(guò)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(yǔ)音控制交互式變電消缺遠(yuǎn)程視頻會(huì)診系統(tǒng)設(shè)備?；谥悄蹵I語(yǔ)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與交換。智能AI語(yǔ)音控制包括控制AR自由曲面目鏡/穿透式顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程攝像及視頻會(huì)診，智能AI語(yǔ)音控制包括控制高清攝像頭還原現(xiàn)場(chǎng)故障，即時(shí)傳至后臺(tái)。后臺(tái)專家通過(guò)施工人員佩戴的本設(shè)備正確、及時(shí)、快速地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員來(lái)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(dòng)作進(jìn)行設(shè)備功能操作。影像展示，與后臺(tái)專家共享現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，共享現(xiàn)場(chǎng)故障點(diǎn)的影像展示及展現(xiàn)后臺(tái)專家針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況的消缺指導(dǎo)，及現(xiàn)場(chǎng)操作人員與后臺(tái)專家的同步視頻會(huì)診等功能，從而工作人員在無(wú)需手動(dòng)操作設(shè)備就可看到后臺(tái)專家的指導(dǎo)視頻等，在專家的指導(dǎo)下可針對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行高效、正確的消缺作業(yè)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作人員只需要通過(guò)智能AI語(yǔ)音進(jìn)行控制終端，實(shí)時(shí)觀看到AR目鏡所展現(xiàn)的后臺(tái)傳輸圖紙、畫面、視頻等消缺指導(dǎo)作業(yè)資料，通過(guò)AI智能語(yǔ)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(tái)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(guò)采用智能AI控制系統(tǒng)來(lái)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(duì)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(jì)算功耗降到最低，系統(tǒng)采用分布式計(jì)算設(shè)計(jì)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(jì)算單元，完成設(shè)備身份識(shí)別等圖像計(jì)算功能，采用1.8GHz LTE無(wú)線專網(wǎng)與后臺(tái)服務(wù)器告訴互聯(lián)，完成后臺(tái)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(duì)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(jì)方式。2.4GLTE、GPS、WIFI、藍(lán)牙、RFID采用PIFA、FICA天線多頻技術(shù)、PTT對(duì)講，1.8GLTE則基于MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)，有效避免同類天線互相耦合。分時(shí)工作策略，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信調(diào)度，采用不同通訊模塊分時(shí)工作策略，避免同時(shí)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(chǎng)定位地圖與相機(jī)感知環(huán)境比對(duì)，不斷糾錯(cuò)，提高導(dǎo)航定位能力，遠(yuǎn)程后臺(tái)打開在線地圖顯示作業(yè)的若干感知人員為主，自動(dòng)匹配現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的AR眼鏡ID號(hào)。實(shí)際圖像、訓(xùn)練圖像、感知圖像和查詢圖像場(chǎng)景相互匹配，識(shí)別出作業(yè)地點(diǎn)后，通過(guò)AR技術(shù)實(shí)時(shí)指引。

2.2 多MIC矩陣骨振子降噪技術(shù)

在變電消缺過(guò)程中，無(wú)需工作人員手持對(duì)講設(shè)備，通過(guò)多MIC矩陣骨振子傳音器進(jìn)行語(yǔ)音交互通訊，通過(guò)MIC矩陣消除環(huán)境噪音，通過(guò)骨振子傳音器避免嘈雜環(huán)境音干擾現(xiàn)場(chǎng)操作人員受話，即可在惡劣環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診交流、與后臺(tái)專家的同步視頻會(huì)診，及危險(xiǎn)警告等功能，通過(guò)關(guān)閉單MIC實(shí)現(xiàn)采集故障點(diǎn)異常音。從而工作人員可高度還原故障點(diǎn)異常音給后臺(tái)，使得后臺(tái)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(guò)多MIC矩陣骨錘式音器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪音消除和故障點(diǎn)異常音的拾取，和后臺(tái)專家進(jìn)行實(shí)況音視頻會(huì)診，進(jìn)而實(shí)時(shí)實(shí)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(huì)診系統(tǒng)

工作人員在使用穿透式AR目鏡時(shí)，會(huì)診數(shù)據(jù)中的會(huì)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(huì)診影像中所包含的施工圖紙、設(shè)計(jì)資料，專家指導(dǎo)等，從而無(wú)需手持紙質(zhì)資料，即可查閱并對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，主控模塊基于當(dāng)前的工作溫度調(diào)整會(huì)診影像的色彩參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)色彩補(bǔ)償。具體來(lái)說(shuō)，顯示屏在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，隨著工作時(shí)間的增加，顯示屏上所積累的熱量會(huì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)會(huì)診影像的色彩參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)色彩補(bǔ)償，以確保在AR目鏡的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)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(chǎng)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(xiàng)，進(jìn)而再通過(guò)方向按鍵對(duì)該選項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。例如，在選定進(jìn)行亮度設(shè)置時(shí)，即可通過(guò)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(guò)亮/過(guò)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(shí)，即可通過(guò)不同的方向按鍵對(duì)會(huì)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(huì)遮擋工作人員觀察缺陷區(qū)域的視野，同時(shí)確保工作人員可清晰地查看會(huì)診影像中所包含的數(shù)據(jù)信息。此外，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的程序，還可通過(guò)控制按鈕完成針對(duì)會(huì)診影像中技術(shù)資料的選取、翻頁(yè)等操作，從而在AR目鏡上即可實(shí)現(xiàn)高效便捷控制。

傳統(tǒng)系統(tǒng)需要在識(shí)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(yàn)等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，對(duì)傳輸速率要求較高；同時(shí)，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(diǎn)解決方法：采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)，將顯示場(chǎng)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(shí)現(xiàn)智能穿戴主機(jī)與電力內(nèi)網(wǎng)后臺(tái)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(kù)，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(cè)、運(yùn)檢PMS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)例

為模擬誤開路安全措施操作流程指導(dǎo)，通過(guò)按鍵操作或語(yǔ)音智能操作可以查看下一步操作步驟描述和三維場(chǎng)景中的操作功能。模擬變電站三維全息視圖場(chǎng)景，并可通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音控制等操作方式實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中對(duì)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(guò)AR三維全息視圖和智能語(yǔ)音控制等操作方式實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中對(duì)電力設(shè)備的轉(zhuǎn)方式操作。

該系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)工作人員人機(jī)交互難、實(shí)時(shí)查看處理故障的時(shí)間和空間限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(wú)延時(shí)上傳后臺(tái)，實(shí)時(shí)對(duì)接運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

基于AR技術(shù)的變電站智能運(yùn)檢系統(tǒng)配置有20多項(xiàng)工具功能，有效減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)工具攜帶量，有效節(jié)省了時(shí)間和成本。通過(guò)遠(yuǎn)程視頻、語(yǔ)音、GPS定位、實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作情況和安全情況。通過(guò)語(yǔ)音控制、PC后臺(tái)、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(wú)法進(jìn)行高效智能化的數(shù)據(jù)分析和管理的問(wèn)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(jí)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(yàn)共享等信息化生態(tài)圈，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)、維修手冊(cè)檢修資料通過(guò)三維全息視圖立體的展示現(xiàn)場(chǎng)工作人員面前，后臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)逼真的融合于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，讓工作人員能對(duì)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(shí)，利用AR技術(shù)可以使虛擬模型與現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)場(chǎng)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。