增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電廠(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景中的應(yīng)用研究

馬玥竹，桑 瑋

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，縮寫(xiě)AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種將虛擬和現(xiàn)實(shí)“無(wú)縫”集成的新技術(shù)。AR 結(jié)合了計(jì)算機(jī)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(shí)物理環(huán)境信息的同時(shí)，將現(xiàn)實(shí)世界難以呈現(xiàn)的輔助虛擬數(shù)據(jù)信息通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備疊加顯示在真實(shí)物理環(huán)境中，真實(shí)和虛擬兩種信息可通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互補(bǔ)充、疊加。AR 技術(shù)隨著移動(dòng)智能設(shè)備的發(fā)展和普及，從20 世紀(jì)60 年代[1]開(kāi)始經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)積累，目前已可用于商業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。

從2015 年，中國(guó)國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》以來(lái)，“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”的發(fā)展理念在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這對(duì)最先進(jìn)的核電三代堆型的發(fā)展提出了更高的要求：其技術(shù)發(fā)展應(yīng)具有時(shí)代特征，充分吸納最先進(jìn)的理念和技術(shù)，提高先進(jìn)性，形成強(qiáng)勁國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。AR 作為近年來(lái)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)之一，與核電運(yùn)維相結(jié)合，可提升運(yùn)維人員對(duì)可達(dá)空間的認(rèn)知能力，輔助就地運(yùn)維人員在就地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作，提升核電廠(chǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

本文將介紹AR 的相關(guān)概念和一些關(guān)鍵技術(shù)，并列舉出其可運(yùn)用于核電廠(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景中的應(yīng)用。

1 AR相關(guān)概念和技術(shù)

1.1 AR的定義

目前被廣泛接受的AR 定義[2]如下：滿(mǎn)足虛擬和現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)交互及空間注冊(cè)3 個(gè)條件即屬于AR。

實(shí)現(xiàn)AR 技術(shù)需要基于特定的硬件組件，目前市場(chǎng)上的AR 硬件種類(lèi)很多，其中較為成熟的AR 硬件可分為以下三大類(lèi)：

1）頭戴式設(shè)備，例如：微軟的HoloLens、谷歌的Google Glasses 和Facebook 的Oculus Rift 等。

2）手持式設(shè)備，例如：手機(jī)和平板電腦等。

3）空間顯示設(shè)備，例如：通過(guò)定點(diǎn)全息顯示等方式將虛擬影像投影在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

考慮到在核電廠(chǎng)運(yùn)維中引入AR 技術(shù)，主要看中其便攜性與可移動(dòng)性，故本文的討論范圍在滿(mǎn)足AR 定義的基礎(chǔ)上，需附加滿(mǎn)足可穿戴性這一要求，上文中提出的空間顯示AR 硬件設(shè)備由于不具備可穿戴性，故不在本文的討論范圍中。

1.2 AR的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

目前AR 系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為四步[3]：

1）場(chǎng)景信息獲?。簩?duì)需要進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行掃描，識(shí)別場(chǎng)景中的重要物項(xiàng)。為跟蹤注冊(cè)技術(shù)的實(shí)施提供所需場(chǎng)景信息。

2）對(duì)場(chǎng)景信息跟蹤注冊(cè)：定位場(chǎng)景中的重要物項(xiàng)，確保虛擬物項(xiàng)定位在準(zhǔn)確位置，在用戶(hù)移動(dòng)過(guò)程中始終保持虛擬物項(xiàng)的定位準(zhǔn)確。

3）場(chǎng)景融合繪制：將真實(shí)物理場(chǎng)景與虛擬物項(xiàng)進(jìn)行融合，確保虛擬物項(xiàng)穩(wěn)定顯示無(wú)遮擋。

4）增強(qiáng)信息顯示：將虛擬物項(xiàng)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備上進(jìn)行顯示。

根據(jù)上述AR 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以看出AR 的關(guān)鍵技術(shù)分為識(shí)別技術(shù)和跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

1.2.1 識(shí)別技術(shù)

識(shí)別技術(shù)是真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境交互的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)識(shí)別，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)的虛擬信息進(jìn)行疊加，而不是將所有信息混亂地進(jìn)行疊加。

目前成熟的識(shí)別方法有：外觀(guān)識(shí)別、射頻識(shí)別和條碼識(shí)別。3 種方法各有優(yōu)劣，具體比較詳見(jiàn)表1。

表1 識(shí)別方法比較表Table 1 Comparison between object recognition methods

表2 跟蹤注冊(cè)方法比較表Table 2 Comparison between track recognition methods

1.2.2 跟蹤注冊(cè)技術(shù)

跟蹤注冊(cè)技術(shù)確保了虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景保持精確的“對(duì)齊”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)場(chǎng)景的完美結(jié)合。跟蹤注冊(cè)技術(shù)分為注冊(cè)、跟蹤兩部分：

注冊(cè)：將虛擬場(chǎng)景顯示在現(xiàn)實(shí)世界準(zhǔn)確位置的定位過(guò)程。

跟蹤：在注冊(cè)過(guò)程中需要系統(tǒng)從當(dāng)前場(chǎng)景中獲得真實(shí)空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括用戶(hù)位置、用戶(hù)運(yùn)動(dòng)情況、觀(guān)察角度等來(lái)決定如何按照用戶(hù)的當(dāng)前視角重新建立坐標(biāo)并將虛擬物體顯示到正確位置。

目前發(fā)展較為成熟的跟蹤注冊(cè)技術(shù)有4 種實(shí)現(xiàn)方法：基于傳感器的跟蹤注冊(cè)方法、基于標(biāo)識(shí)的跟蹤注冊(cè)方法、基于自然特征的跟蹤注冊(cè)方法及基于混合的跟蹤注冊(cè)方法[4]。4 種方法各有優(yōu)劣，具體比較詳見(jiàn)表2。

2 AR與核電運(yùn)維的結(jié)合

2.1 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的意義

在核電運(yùn)維場(chǎng)景中，就地巡檢和就地維修是兩項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)，就地操縱員需對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行定期和不定期的巡檢，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障需及時(shí)進(jìn)行維修。

最初，核電廠(chǎng)就地操縱員采用的巡檢方式是攜帶列有巡檢任務(wù)的紙質(zhì)工作單進(jìn)行巡檢，并在工作單上記錄巡檢結(jié)果，在巡檢完成后攜帶工作單返回，并在工作電腦上進(jìn)行入庫(kù)。在此過(guò)程中，因?yàn)闆](méi)有信息終端設(shè)備的參與，無(wú)法將巡檢信息的采集自動(dòng)化存入數(shù)據(jù)庫(kù)。目前，雖核電廠(chǎng)已引入巡檢儀等信息終端，使得運(yùn)維人員在巡檢和維修過(guò)程中可快速讀取及記錄數(shù)據(jù)，但由于巡檢儀顯示空間有限，無(wú)法呈現(xiàn)大量設(shè)備動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)，在設(shè)備維修過(guò)程中，由于無(wú)法同時(shí)觀(guān)察到所需動(dòng)態(tài)信息，往往需要確認(rèn)多個(gè)表計(jì)的讀數(shù)。上述過(guò)程不僅耗時(shí)耗力，同時(shí)還容易增加人因失誤，如：人員誤入危險(xiǎn)區(qū)域、誤入冗余通道的房間及誤維修冗余通道的設(shè)備、記錄錯(cuò)數(shù)據(jù)、未及時(shí)記錄數(shù)據(jù)等。

單就核電運(yùn)維場(chǎng)景中巡檢和檢修這兩項(xiàng)日常工作即可看出，核電運(yùn)維場(chǎng)景急需移動(dòng)式的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)來(lái)提升核電廠(chǎng)運(yùn)維的安全性及效率。AR 可以完美實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，故有必要將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電廠(chǎng)運(yùn)維緊密結(jié)合。

由于本文討論重點(diǎn)圍繞于AR 的便攜性給核電廠(chǎng)運(yùn)維帶來(lái)的便捷，故本文中的核電廠(chǎng)運(yùn)維指核電廠(chǎng)就地環(huán)境中的運(yùn)維，涉及的用戶(hù)為核電廠(chǎng)就地操縱員。

2.2 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

AR 與核電運(yùn)維結(jié)合可打破核電廠(chǎng)運(yùn)維的很多固有狀態(tài)，為核電廠(chǎng)運(yùn)維增加更多可能性，AR 與核電廠(chǎng)運(yùn)維結(jié)合最主要的三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)如下：

集成系統(tǒng)，提升決策水平：AR 作為一項(xiàng)可移動(dòng)的數(shù)據(jù)可視化及互動(dòng)的技術(shù)，不僅可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)來(lái)滿(mǎn)足核電廠(chǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)或遠(yuǎn)程互動(dòng)的需求，同時(shí)也可以作為各成熟系統(tǒng)的輔助技術(shù)，形成“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+”，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+成熟系統(tǒng)，使得各成熟系統(tǒng)不再局限在個(gè)人電腦端，打破傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)用的空間限制。同時(shí)，各成熟系統(tǒng)也可通過(guò)AR 整合在同一物理空間中呈現(xiàn)給就地操縱員，可達(dá)到就地操縱員可在任何地點(diǎn)隨時(shí)調(diào)取所需數(shù)據(jù)的程度。

解放雙手，提高人員效能：由于AR 硬件設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)已有成熟的可運(yùn)用于工業(yè)場(chǎng)景的AR 眼鏡、AR 頭盔等設(shè)備。這些設(shè)備使得就地操縱員可以在工作中無(wú)需手持設(shè)備，而是全身心投入到工作中，提高工作效率。

遠(yuǎn)程協(xié)作，擺脫空間束縛：AR 的互動(dòng)性這一特點(diǎn)使得遠(yuǎn)程協(xié)作成為一種可能，有經(jīng)驗(yàn)的就地操縱員可以在無(wú)法到達(dá)維修現(xiàn)場(chǎng)的情況下，通過(guò)實(shí)時(shí)音視頻以第一視角觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過(guò)標(biāo)記及發(fā)送文件等方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)在現(xiàn)場(chǎng)的就地操縱員進(jìn)行設(shè)備維修。

3 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)點(diǎn)總結(jié)

3.1 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景

AR 與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，以下為其中較為典型的4 個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

1）遠(yuǎn)程支持

在核電廠(chǎng)大修期間、事故工況下、遇到較為棘手的設(shè)備維修問(wèn)題或需多人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的情況下時(shí)，均可通過(guò)就地人員佩戴的AR 設(shè)備遠(yuǎn)程連接專(zhuān)家或廠(chǎng)家維修人員等專(zhuān)業(yè)人員輔助就地人員進(jìn)行設(shè)備維修。專(zhuān)家可在不到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的情況下，通過(guò)就地人員的第一視角身臨其境地了解現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)狀況，并且同時(shí)可看到AR 技術(shù)疊加在設(shè)備旁的設(shè)備參數(shù)等信息，在線(xiàn)提出維修建議，支持就地人員進(jìn)行設(shè)備的檢修。這一應(yīng)用可打破空間限制，提高就地人員的檢修效率。

2）遠(yuǎn)程監(jiān)督

對(duì)重要維修、驗(yàn)收活動(dòng)，要求現(xiàn)場(chǎng)責(zé)任人佩戴AR 顯示終端全程進(jìn)行第一視角記錄，可支持監(jiān)督管理人員遠(yuǎn)程查看，以及數(shù)據(jù)存檔，達(dá)到規(guī)范活動(dòng)實(shí)施，提升可追溯性，加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)反饋和知識(shí)管理的目標(biāo)。

3）現(xiàn)場(chǎng)助手

就地操縱員在進(jìn)行維修、巡檢等任務(wù)時(shí)，可通過(guò)AR顯示終端識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，調(diào)用設(shè)備基本信息（如編號(hào)、型號(hào)、廠(chǎng)商等）、操作記錄（如維修更換記錄）、實(shí)時(shí)狀態(tài)、診斷信息，并與物理世界進(jìn)行疊加呈現(xiàn)，輔助支持現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。同時(shí)，亦可在AR 顯示終端增設(shè)溫度、劑量傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集及信息的實(shí)時(shí)可視化，提醒就地人員所處環(huán)境的情況，或在需要時(shí)提供就地操縱員最優(yōu)路線(xiàn)并指示就地操縱員按照所給路線(xiàn)行進(jìn)。該應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)數(shù)據(jù)共享，全范圍動(dòng)靜態(tài)信息呈現(xiàn)，提升就地人員對(duì)環(huán)境的認(rèn)知及決策水平。

4）工作票助手

就地人員進(jìn)行維修、巡檢等任務(wù)時(shí)，可通過(guò)AR 顯示終端隨時(shí)查看或逐條完成并確認(rèn)工作票中的要求，完成工作票要求，就地人員的執(zhí)行記錄可與電廠(chǎng)工作票系統(tǒng)在線(xiàn)/離線(xiàn)同步。在就地人員執(zhí)行工作票的過(guò)程中，AR 顯示終端可提供輔助信息（設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)、圖冊(cè)等）查詢(xún)、遠(yuǎn)程音視頻協(xié)作、音視頻資料記錄等功能。該應(yīng)用可把就地人員需完成的工單與完成工單所需查看的信息融合在同一AR顯示終端顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。同時(shí)，該應(yīng)用也可通過(guò)就地人員的AR 顯示終端記錄完成工單過(guò)程中的重要步驟并進(jìn)行存檔，便于日后對(duì)工單完成過(guò)程進(jìn)行查看。

3.2 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)點(diǎn)

結(jié)合上述AR 與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用特點(diǎn)，可將其應(yīng)用技術(shù)點(diǎn)歸納為以下4 點(diǎn)：

1）交互控制：包括手勢(shì)控制、語(yǔ)音控制等先進(jìn)交互方式，用以解放雙手。

2）交互數(shù)據(jù)：包括電廠(chǎng)參數(shù)、維修文件等所有核電廠(chǎng)運(yùn)維所需的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)。

3）遠(yuǎn)程交互：包括實(shí)時(shí)音視頻、互動(dòng)白板等技術(shù)。

4）定位與識(shí)別：包括設(shè)備識(shí)別、空間定位、空間注冊(cè)等技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

AR 應(yīng)用隨著AR 硬件的快速發(fā)展，在近年來(lái)取得了非常大的成果，涉及領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。同理“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，在5G 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)下，未來(lái)“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+”模式結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)形成的數(shù)字孿生核電廠(chǎng)必將成為未來(lái)“智慧核電廠(chǎng)”發(fā)展基石，將各類(lèi)電廠(chǎng)數(shù)據(jù)均可通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)給核電廠(chǎng)工作人員。后續(xù)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，核電廠(chǎng)工作人員對(duì)于核電廠(chǎng)整體狀態(tài)的認(rèn)知將高度提升。

但由于核電廠(chǎng)環(huán)境的特殊性、系統(tǒng)的復(fù)雜性及對(duì)安全性的高要求等原因，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外尚未有成熟的AR 應(yīng)用用于核電廠(chǎng)運(yùn)維。目前，AR 應(yīng)用投運(yùn)于核電廠(chǎng)運(yùn)維還需克服以下局限：

1） 核電廠(chǎng)特殊環(huán)境中AR 技術(shù)的應(yīng)用。如：在核電廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)屏蔽嚴(yán)重的情況下，如何做到AR 顯示終端對(duì)于設(shè)備的識(shí)別與精確定位、核電廠(chǎng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)來(lái)源如何集成到AR 應(yīng)用中。

2） 缺少針對(duì)核電行業(yè)AR 技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

除了上述局限，還需考慮需疊加的虛擬信息的篩選、虛擬信息的疊加密度、疊加位置及疊加方式，使得AR 技術(shù)不僅用于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)展示，同時(shí)可大幅提高就地運(yùn)維人員的效率，減少人因失誤等問(wèn)題。

AR 技術(shù)在核電廠(chǎng)運(yùn)維中的發(fā)展雖還處于初步發(fā)展階段，但隨著數(shù)字電廠(chǎng)及軟硬件技術(shù)的發(fā)展，將AR 技術(shù)應(yīng)用于核電廠(chǎng)運(yùn)維指日可待。