增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的局限及解決方案

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

目前，核電廠的就地運(yùn)維和檢修工作因?yàn)槿狈蓪㈦姀S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(yùn)維人員的集成平臺(tái)，導(dǎo)致核電廠存在人員誤入危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，就地運(yùn)維人員通過(guò)一次側(cè)表計(jì)的讀數(shù)來(lái)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其設(shè)備巡檢及維修的效率也存在瓶頸。上述問(wèn)題均可歸結(jié)為就地維修人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境實(shí)時(shí)認(rèn)知的缺失，為核電廠運(yùn)維增加了一定的安全隱患。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，縮寫(xiě)AR）作為當(dāng)前最先進(jìn)的交互技術(shù)之一，可通過(guò)將虛擬和現(xiàn)實(shí)“無(wú)縫”集成的方式，一定程度上解決就地維修人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的實(shí)時(shí)認(rèn)知缺失問(wèn)題。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)世界難以實(shí)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，使真實(shí)和虛擬兩種信息相互補(bǔ)充、疊加，具有實(shí)時(shí)交互性。該AR 技術(shù)可通過(guò)將運(yùn)維人員所需的重要信息，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、調(diào)試和檢修活動(dòng)，增強(qiáng)工作人員對(duì)電廠狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、維修步驟及安保防護(hù)等方面的認(rèn)知，提升核電廠安全、可靠及經(jīng)濟(jì)性，有必要將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電廠運(yùn)維緊密結(jié)合。

AR 技術(shù)于20 世紀(jì)60 年代[1]提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體或其他信息合成到用戶(hù)感知的真實(shí)世界中的一種交互式的可視化技術(shù)，它是對(duì)真實(shí)世界的補(bǔ)充[2]。

AR 技術(shù)的原理是通過(guò)攝像機(jī)識(shí)別現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的物體后，利用空間注冊(cè)技術(shù)計(jì)算虛擬信息在基于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的坐標(biāo)系中的位置后，將虛擬信息通過(guò)AR 組件（如AR 眼鏡、移動(dòng)手機(jī)或平板電腦等設(shè)備）顯示在真實(shí)場(chǎng)景中。

AR 技術(shù)工作原理分為四步[3]：

1）場(chǎng)景信息獲?。簩?duì)需要增強(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)，建立真實(shí)場(chǎng)景坐標(biāo)系，為跟蹤注冊(cè)技術(shù)的實(shí)施提供所需場(chǎng)景信息。

2）空間定位及注冊(cè)：通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬世界與真實(shí)場(chǎng)景坐標(biāo)系的對(duì)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(shí)場(chǎng)景的準(zhǔn)確位置，并確保用戶(hù)移動(dòng)不會(huì)造成虛擬信息的抖動(dòng)與扭曲。

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

4）增強(qiáng)信息顯示：將虛擬信息在AR 組件設(shè)備上進(jìn)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(chǎng)景信息獲取與空間定位及注冊(cè)。AR 技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的主要局限有下述幾點(diǎn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)屏蔽

目前市場(chǎng)上已投入商用的AR 設(shè)備均需連接網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備定位，達(dá)到需增強(qiáng)顯示的模型或數(shù)據(jù)可通過(guò)AR 設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定顯示，不出現(xiàn)抖動(dòng)或遮擋現(xiàn)象。而核電廠就地環(huán)境由于以下3 點(diǎn)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(hào)良好：

1）就地環(huán)境較寬闊，需部署多個(gè)網(wǎng)絡(luò)基站。

2）特殊鋼筋水泥造成的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(huì)造成大量信號(hào)噪音。

在無(wú)法連接網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的情況下，AR 設(shè)備無(wú)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(yùn)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(guò)常用的基于自然特征的跟蹤注冊(cè)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備識(shí)別及空間跟蹤注冊(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜

核電廠的電廠參數(shù)作為決策過(guò)程中最重要的參考，在完成電廠各項(xiàng)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(lái)源于不同系統(tǒng)，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)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(lái)源復(fù)雜導(dǎo)致AR 設(shè)備無(wú)法進(jìn)行所有電廠參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸及存儲(chǔ)。

3 AR技術(shù)在核電廠應(yīng)用中的解決方案

3.1 設(shè)備識(shí)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(shí)別困難，其原因?yàn)樵诤穗姀S中空間定位和空間注冊(cè)相對(duì)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(cè)技術(shù)?？臻g定位是數(shù)字化映射的基礎(chǔ)，通過(guò)定位，可將相關(guān)虛擬信息精準(zhǔn)疊加到真實(shí)環(huán)境中所需位置，而不會(huì)出現(xiàn)虛擬信息顯示錯(cuò)位的情況。而空間注冊(cè)，可將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體和真實(shí)環(huán)境中的景象“對(duì)齊”。空間注冊(cè)需確定虛擬物體與用戶(hù)間的關(guān)系，通過(guò)正確的幾何投影將虛擬物投影到用戶(hù)視野中。空間注冊(cè)目前較為先進(jìn)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(chǎng)上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備使用的空間定位往往通過(guò)GPS 定位系統(tǒng)或通過(guò)Wi-Fi 或UWB 定位基站的方式進(jìn)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(yùn)用于電廠環(huán)境中，因?yàn)閹资椎亩ㄎ徽`差很容易定位錯(cuò)房間或廠房，使得人員定位系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮其作用。

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

2）通過(guò)Wi-Fi 或UWB 定位基站進(jìn)行定位：精準(zhǔn)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(gè)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(hào)屏蔽和電磁兼容性等問(wèn)題，無(wú)法確保在廠區(qū)所有位置的全覆蓋，并提供長(zhǎng)期和持續(xù)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。即便要實(shí)現(xiàn)也需要投入大量的設(shè)備成本，這一致命問(wèn)題導(dǎo)致常用的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)無(wú)法在核電廠使用。

綜上所述，目前市場(chǎng)上尚缺乏滿(mǎn)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(dá)到高精度的同時(shí)，集中解決定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

離線(xiàn)室內(nèi)定位及注冊(cè)系統(tǒng)的搭建可滿(mǎn)足在核電廠特殊環(huán)境中達(dá)到定位及注冊(cè)的高精度、高穩(wěn)定性及高魯棒性的目標(biāo)，通過(guò)對(duì)于核電廠目標(biāo)廠房?jī)?nèi)的空間掃描地圖構(gòu)建，獲取視覺(jué)相機(jī)在廠房?jī)?nèi)的坐標(biāo)信息，提供給AR 設(shè)備進(jìn)行后期的空間注冊(cè)功能。

離線(xiàn)室內(nèi)定位及注冊(cè)系統(tǒng)的原理如圖1 所示。該系統(tǒng)通過(guò)多傳感器融合的空間掃描和空間定位組件處理視覺(jué)與慣性接連數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)提供支持AR 設(shè)備空間定位及空間注冊(cè)的六自由度姿態(tài)定位信息并通過(guò)一次掃描離線(xiàn)生成可視化稀疏點(diǎn)云，通過(guò)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(jué)的同步定位與地圖重建技術(shù)，同時(shí)參考預(yù)先由點(diǎn)云和三維模型對(duì)比建立的離線(xiàn)地圖獲取實(shí)時(shí)的位置信息，AR 設(shè)備參考當(dāng)前所在位置，向數(shù)據(jù)服務(wù)器請(qǐng)求周邊的相關(guān)模型數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)。最終，AR 設(shè)備將展現(xiàn)包含靜態(tài)設(shè)備信息以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)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(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行掃描建立點(diǎn)云模型即可，不依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)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(guò)程Fig.2 OPC Communication process

為解決上述2.3 中描述的數(shù)據(jù)來(lái)源接口不一致的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)為一體的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)框架。同時(shí)，隨著《OPC統(tǒng)一框架》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，OPC 也成為了“工業(yè)4.0”實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的基石，選擇OPC 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。AR 設(shè)備可通過(guò)OPC 通訊的方式與核電廠內(nèi)來(lái)自各個(gè)不同系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)OPC DA3.0接口提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)以下手段將數(shù)據(jù)綜合到一起并提供云端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，OPC 通信過(guò)程如圖2 所示。

首先，在各個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源系統(tǒng)中部署OPC 執(zhí)行服務(wù)（OPC Daemon），該服務(wù)只用來(lái)執(zhí)行最終OPC 讀寫(xiě)查操作。對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)的訂閱，使用組播方式發(fā)放給數(shù)據(jù)管理器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理器負(fù)責(zé)與各個(gè)OPC 執(zhí)行端建立數(shù)據(jù)連接，按照用戶(hù)請(qǐng)求進(jìn)行按需數(shù)據(jù)查詢(xún)以及周期性數(shù)據(jù)查詢(xún)，執(zhí)行數(shù)據(jù)點(diǎn)清單的定期更新，建立歷史數(shù)據(jù)緩存機(jī)制。為了提供高可用性，實(shí)時(shí)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(gè)可擴(kuò)展的額存儲(chǔ)中心，通過(guò)離散數(shù)據(jù)索引，保證數(shù)據(jù)緩存的完整性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)使用RPC 方式對(duì)外提供服務(wù)。服務(wù)層面使用輪詢(xún)或者其他動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡手段暴露出訪問(wèn)接口（HTTPS），通過(guò)建立SaaS 服務(wù)部署模式，提供給AR 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

在數(shù)據(jù)處理方面，PDS 數(shù)據(jù)先被展開(kāi)成多個(gè)設(shè)備，而后按照用戶(hù)定制的綁定規(guī)則自動(dòng)或者由用戶(hù)手動(dòng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)綁定到設(shè)備上，使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)與設(shè)備建立多對(duì)多關(guān)系。當(dāng)用戶(hù)從現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中獲取有效的定位信息，利用定位信息查詢(xún)到設(shè)備模型后，將自動(dòng)查詢(xún)?cè)O(shè)備模型的綁定數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)開(kāi)放給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息顯示端。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著AR 技術(shù)硬件的快速發(fā)展，AR 設(shè)備將具有更強(qiáng)的便攜性與續(xù)航能力。同時(shí)，隨著AR 技術(shù)軟件的快速發(fā)展，虛擬信息將趨于真實(shí)，提高虛擬信息的真實(shí)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(shí)隨地進(jìn)行顯示及交互。

本文中提出基于現(xiàn)有技術(shù)能力且針對(duì)核電廠就地環(huán)境的離線(xiàn)室內(nèi)空間定位和注冊(cè)方案及針對(duì)核電廠來(lái)源復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互方案，可推進(jìn)AR 技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用，同時(shí)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(shí)用性。