張 照，張紫昱

（招商局公路網(wǎng)絡科技控股股份有限公司 京津塘高速分公司，北京 100176）

隨著我國高速公路建設信息化和智慧化的快速深化發(fā)展，高速公路機電設備的維護和管理成為保障高速公路順暢運行的基本環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的高速公路機電設備維護和管理通常需要現(xiàn)場工作人員進行手動操作，這種方式不僅耗費大量人力物力，還存在一定的安全風險。

為提高高速公路機電設備維護和管理的效率和安全性，近年來越來越多的研究人員開始嘗試采用增強現(xiàn)實（AR，Augmented Reality）技術(shù)進行高速公路機電設備是維護和管理工作。齊文平等人[1]利用實時數(shù)據(jù)獲取、空間定位及視覺跟蹤、手勢及語音交互等技術(shù)，依據(jù)發(fā)電廠巡檢業(yè)務方式，開發(fā)了基于AR 技術(shù)的巡檢終端及其運行環(huán)境系統(tǒng)，實現(xiàn)了巡檢任務管理、數(shù)據(jù)管理、3D 設備模型疊加及遠程協(xié)助等應用；張振等人[2]開發(fā)了可在100 ms 內(nèi)快速辨別人臉、3 s 內(nèi)識別公民身份的警用AR 智能眼鏡，實現(xiàn)了在各類移動場所實施人車排查、動態(tài)布控和重大突發(fā)事件指揮調(diào)度的功能；陶杰等人[3]基于 AR終端，采用真實場景疊加虛擬信息技術(shù)的方式，開發(fā)了基于AR 技術(shù)的隧道人工巡檢輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效的作業(yè)分析、指導和決策。

基于上述研究，本文利用內(nèi)嵌的顯示芯片及波導鏡片，結(jié)合AR 技術(shù)設計可用于高速公路機電設備運營維護（簡稱：運維）場景的AR 智能眼鏡。在高速公路機電設備運維過程中可實時顯示設備狀態(tài)信息、提供操作指導等功能，提高高速公路機電設備運維效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

當前，公路企業(yè)采用高速公路機電運維信息交互調(diào)度管理系統(tǒng)（簡稱：機電運維系統(tǒng)）對公路機電設備進行維護和管理，涉及對象主要有交通運輸部路網(wǎng)監(jiān)測與應急處置中心收費相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)、市屬道路路網(wǎng)管理與應急處置中心收費相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)、發(fā)行服務機構(gòu)相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)、路段業(yè)主收費相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)、收費站系統(tǒng)、車道系統(tǒng)、門架系統(tǒng)等，涵蓋各級收費系統(tǒng)的軟件、硬件和通信網(wǎng)絡設施等[4]，實現(xiàn)高速公路機電設備運維場景下運維人員間的語音交流和調(diào)度，涵蓋通信、待辦、問題上報與處理、音視頻監(jiān)管、巡檢、知識庫和設備管理等功能。本文介紹的機電運維系統(tǒng)由移動端、云服務端和管理端等3 部分組成，移動端與云服務端通過運營商提供的5G 移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機電運維系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 移動端

移動端主要包含AR 智能眼鏡終端和移動手持終端。2 種終端形式都可進行獨立作業(yè)使用。AR 智能眼鏡是單獨進行穿戴的智能終端設備，且在高速戶外作業(yè)場所穿戴可嵌入安全帽中使用。AR 智能眼鏡通過無線5G 移動通信網(wǎng)絡與云服務端連接，將獲取的圖像和采集的語音進行實時交互并顯示返回的信息。

1.2 云服務端

云服務端通過5G 移動通信網(wǎng)絡與移動端相連接，承擔著處理和存儲數(shù)據(jù)的任務，并提供實時的圖像和語音交互功能。云服務端接收移動端的圖像和語音輸入，對其進行處理和分析后傳遞給管理端，并將管理端查詢處理后的數(shù)據(jù)返回給移動端，供移動端用戶查看。云服務端的功能和性能對系統(tǒng)的高效使用發(fā)揮著重要的作用。

1.3 管理端

管理端基于云服務端與移動端進行通信，并提供對系統(tǒng)的實時監(jiān)控和管理功能。管理端可查看和分析來自移動端設備的數(shù)據(jù)，并結(jié)合運維事務進行必要的實時標注操作和調(diào)整，還具有系統(tǒng)參數(shù)配置，用戶權(quán)限管理和運維報告生成等功能，以確保系統(tǒng)的正常運行和高效管理。

2 AR 智能眼鏡功能設計

由移動終端的AR 智能眼鏡采集圖像或語音，經(jīng)5G 移動通信網(wǎng)絡傳至云服務端，進行處理并與管理端互聯(lián)，管理端將相應信息經(jīng)云服務端推送回移動端，移動端的AR 智能眼鏡通過AR 形式顯示發(fā)回的信息，從而實現(xiàn)設備參數(shù)可視化、遠程協(xié)作和維護過程AR 展示等功能。

2.1 設備參數(shù)可視化

機電設備維護人員可將AR 智能眼鏡連接到云服務端，實時獲取維護設備的各項參數(shù)，通過AR 智能眼鏡的顯示屏將設備參數(shù)可視化地顯示在機電設備維護人員的視野中，使其可在維護設備的同時，直接看到設備的參數(shù)信息；同時，管理端可對設備參數(shù)進行實時監(jiān)控，并設置相應的警報機制，當設備參數(shù)超出閾值時，管理端可通過AR 智能眼鏡向機電設備維護人員發(fā)送報警信息，提醒其及時采取相應措施。

2.2 遠程協(xié)作

2.2.1 實時圖像傳輸和遠程指導

AR 智能眼鏡可通過內(nèi)置攝像頭將穿戴者眼前機電設備的實時圖像傳輸?shù)皆品斩?。協(xié)作人員可在管理端觀看實時圖像，并通過在圖像上做標記，以及發(fā)送語音、視頻或文字等方式與現(xiàn)場機電設備維護人員進行交流討論，并提供遠程指導和技術(shù)支持。

2.2.2 進度跟蹤和更新

機電設備維護人員可隨時在AR 智能眼鏡上更新巡檢或維修任務的進展情況，便于維修管理人員了解各項任務的狀態(tài)和進度，并及時做出相應的調(diào)整。

2.3 維護過程中的AR 展示

機電設備維護人員佩戴AR 智能眼鏡，采用無接觸式控制操作，結(jié)合波導鏡片進行設備維護操作。同時，直觀、便捷地在AR 智能眼鏡的鏡片中閱讀巡檢作業(yè)、報警信息、設備參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)、作業(yè)指導書等數(shù)字化資料，并可通過語音指令進行翻頁和文檔切換操作。

3 AR 智能眼鏡關(guān)鍵技術(shù)

3.1 AR 技術(shù)

AR 技術(shù)是一種能夠增強人類感知能力的技術(shù)。AR 設備主要由傳感器、計算機處理單元和輸出設備等3 個組件構(gòu)成，傳感器收集現(xiàn)實環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理單元融合音頻、圖像和文字，并整合輸出。機電運維系統(tǒng)的AR 智能眼鏡將參數(shù)信息疊加到虛擬實物圖像中[5]，使設備維護人員可以更快、更準確地進行對比和查找設備問題。

3.2 音視頻融合

本文采用協(xié)議轉(zhuǎn)換算法，有效融合音視頻，并進行結(jié)構(gòu)化解析處理，從而實現(xiàn)音視頻應用智能化[6]。本文對音視頻融合編碼的質(zhì)量、帶寬、幀率、容錯率等參數(shù)進行優(yōu)化智能調(diào)整，通過負載均衡等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的音視頻數(shù)據(jù)傳輸。

（1）在視頻編解碼方面，本文采用了MPEG-4、H.263、H.264、H.265 等多種視頻編解碼技術(shù)，并利用GPU、NVENC 硬編解碼技術(shù)提升系統(tǒng)性能。同時，通過圖像去噪、倍頻平滑顯示、防馬賽克、防撕裂、無縫拼接等圖像處理算法，優(yōu)化視頻編解碼過程，提高顯示效果。

（2）在音頻編解碼方面，采用G.711、G.722、G.729、AMR、ADPCM、AAC+等多種音頻編解碼技術(shù)，并應用回聲抑制、噪聲抑制、嘯叫抑制、自動增益、音頻變速播放等音頻處理算法，優(yōu)化音頻編解碼過程，提升播放效果。

（3）在音視頻傳輸方面，本文采用帶寬管理技術(shù)、抗丟包技術(shù)、網(wǎng)絡防抖算法、碼流平滑算法、亂序處理算法、網(wǎng)絡路由算法、網(wǎng)絡自適應編碼（NAC，Network Adaptive Coding）技術(shù)、超高清數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及防火墻 NAT（Network Address Translation）穿越技術(shù)，來進行多網(wǎng)絡適配和多網(wǎng)絡融合，進一步提升音視頻傳輸質(zhì)量。

3.3 波導鏡片技術(shù)

波導鏡片是AR 智能眼鏡的核心技術(shù)裝置，將光波導和分光比技術(shù)相結(jié)合，從而實現(xiàn)高效的光傳輸和分光比功能。

（1）光波導技術(shù)是一種利用光的全反射原理將光線引導到特定的路徑中的技術(shù)[7]。在波導鏡片中，光波導技術(shù)可將光線從一個端口引導到另一個端口，使得光線在鏡片內(nèi)部傳輸而不會泄漏出來。這種技術(shù)可實現(xiàn)高效的光傳輸，使得鏡片能夠顯示透明感的圖像。

（2）分光比技術(shù)是一種將光線按照不同的波長進行分離和處理的技術(shù)。在波導鏡片中，分光比技術(shù)可將光線按照不同的波長分離，并將不同波長的光線引導到不同的路徑中，對不同波長的光線進行不同的處理（調(diào)整亮度、對比度或應用特定的濾波器等）。基于分光比技術(shù)，波導鏡片可實現(xiàn)對光線的精確控制和調(diào)節(jié)，以提供更加清晰和準確的圖像顯示效果。

波導鏡片結(jié)合了光波導技術(shù)和鏡片的分光比技術(shù)，可實現(xiàn)高效的光傳輸和對光線的精確控制，使得波導鏡片展現(xiàn)出透明感的圖像，并對光線進行精確的調(diào)節(jié)和處理，以提供清晰、準確的顯示效果。機電設備維護人員可長時間無感佩戴，在大視場范圍內(nèi)看到清晰視頻圖像，且透光率高達80%、視場角達40°，透過AR 智能眼鏡可清晰看到維護的機電設備，提升機電設備維護人員工作的便利性。

4 應用驗證

本文的AR 智能眼鏡在京津塘（北京—天津—塘沽）G2 高速公路的機電運維系統(tǒng)上進行應用測試。主要針對遠程協(xié)助和信息的AR 展示中的具體功能進行測試。

4.1 文檔閱讀

測試人員佩戴AR 智能眼鏡，通過控制指令打開系統(tǒng)中的設備手冊，采用語音控制文件翻頁，以及文檔的轉(zhuǎn)換，如圖2 所示。圖2 中為運維人員通過AR 智能眼鏡查看設備操作說明時顯示的設備說明書畫面。

圖2 文檔閱讀應用場景

4.2 觀看視頻

通過本文的AR 智能眼鏡，測試人員可實現(xiàn)一邊收看設備指導視頻，一邊透過波導鏡片查看真實場景中的機電設備，實現(xiàn)虛擬信息和實際環(huán)境的融合，如圖3 所示。圖3 為AR 智能眼鏡中播放的設備培訓視頻的畫面。

圖3 觀看設備指導視頻應用場景

4.3 遠程協(xié)助

以檢查機電設備電路板為場景，測試人員佩戴AR 智能眼鏡，與管理端的同事進行遠程協(xié)助測試。圖4 中，左側(cè)為AR 智能眼鏡采集到的主板的實時畫面，右側(cè)為系統(tǒng)管理端顯示的可對圖像進行AR 標注的頁面。在測試過程中，負責遠程協(xié)助的技術(shù)人員在管理端對圖像進行標注，標注后的效果如圖5所示。

圖4 遠程協(xié)助

圖5 圖像標注

測試過程中，測試人員佩戴AR 智能眼鏡全程并未感覺不適，對整個維護過程中的畫面清晰程度較為滿意，透過鏡片對外部視野觀察程度也較為認可，可進行正常的機電設備維護作業(yè)，且基于AR 智能眼鏡的使用可有效的提升機電設備維護的作業(yè)效率和質(zhì)量[8]。

5 結(jié)束語

本文介紹了AR 智能眼鏡在機電運維系統(tǒng)中的應用方式和具體功能。闡述了AR、音視頻融合、波導鏡片等關(guān)鍵技術(shù)，通過在京津塘G2 高速公路的機電運維系統(tǒng)上進行應用測試，驗證了其實用性和先進性，有效提升了機電設備的維修效率和質(zhì)量。同時，配合上數(shù)字化的工作流程，使機電設備維護的工作步驟更清晰、執(zhí)行更加無錯漏、管理更方便、數(shù)據(jù)更為直觀。