基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顏澤鋼，楊景標(biāo)，劉磊

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251）

1 前言

特種設(shè)備正朝大型化、高參數(shù)的方向發(fā)展，設(shè)備數(shù)量逐年增加，檢驗(yàn)復(fù)雜程度和難度不斷增大。特種設(shè)備檢驗(yàn)?zāi)壳安捎萌鞒痰娜斯z驗(yàn)?zāi)Ｊ?，致使檢驗(yàn)人員工作強(qiáng)度大，任務(wù)繁重，且對檢驗(yàn)人員要求較高。此外，承壓類特種設(shè)備普遍具有壓力大、溫度高、介質(zhì)復(fù)雜，且受力復(fù)雜等特點(diǎn)，人工檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o法完全滿足復(fù)雜的檢驗(yàn)環(huán)境要求，使得檢驗(yàn)效率較低。同時(shí)，檢驗(yàn)過程中檢驗(yàn)結(jié)果的記錄只保留不合格部位的圖像，獲得的檢驗(yàn)信息匱乏。特種設(shè)備檢驗(yàn)周期間隔時(shí)間長，且歷次檢驗(yàn)部位的選取存在差異，使檢驗(yàn)結(jié)果的可對比性較差，難以準(zhǔn)確反映缺陷演變發(fā)展規(guī)律，使特種設(shè)備的安全狀況或剩余壽命預(yù)測不夠準(zhǔn)確。對于全人工檢驗(yàn)?zāi)Ｊ剿嬖诘谋锥?，單純通過提高檢驗(yàn)人員素質(zhì)的方式收效甚微，亟需對檢驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。AR技術(shù)作為一種將虛擬信息疊加到真實(shí)場景，并可與之進(jìn)行互動的技術(shù)，極大地拓展了人的感知能力。將AR技術(shù)應(yīng)用在檢驗(yàn)系統(tǒng)中，可將檢驗(yàn)人員現(xiàn)場無法獲取的特種設(shè)備信息與現(xiàn)場檢驗(yàn)環(huán)境結(jié)合起來，有利于提高檢驗(yàn)效率、降低成本，打破傳統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降木窒扌?。檢驗(yàn)人員能夠獲得更加全面的數(shù)據(jù)，得到更加全面而客觀的檢驗(yàn)結(jié)果，對保證特種設(shè)備安全性能具有重要意義。

2 基于AR技術(shù)檢驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算和多傳感器相融合，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息結(jié)合與交互的技術(shù)。近年來，AR技術(shù)發(fā)展迅速，已在教育、娛樂、醫(yī)療、軍事、城市規(guī)劃、導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮其作用。由于承壓類特種設(shè)備及其檢驗(yàn)的特殊性，關(guān)于AR技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究報(bào)道較少。因此，通過AR技術(shù)提高承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字化、可視化與智能化，是一種新穎的檢驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)思路。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜合考慮現(xiàn)場檢驗(yàn)條件與AR技術(shù)特點(diǎn)，本檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖見圖1，該系統(tǒng)整體包括兩部分：前端客戶端與后端服務(wù)器。前端客戶端負(fù)責(zé)圖像的采集和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息的顯示等。后端服務(wù)器負(fù)責(zé)圖像識別、渲染信息建立、數(shù)據(jù)存儲等?？蛻舳伺c服務(wù)器可采用無線網(wǎng)絡(luò)來連接。從圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖可看出，本系統(tǒng)充分發(fā)揮AR技術(shù)的特點(diǎn)，采用視頻式增強(qiáng)的顯示技術(shù)，對待檢特種設(shè)備進(jìn)行畫面拼接與顯示。同時(shí)，采用移動式傳感器的跟蹤技術(shù)與攝像頭標(biāo)定的注冊技術(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告給AR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以待檢設(shè)備作為被跟蹤對象實(shí)際的地理坐標(biāo)與虛擬的坐標(biāo)相統(tǒng)一，達(dá)到讓虛擬物體與設(shè)備環(huán)境無縫結(jié)合的目標(biāo)。在完成待檢設(shè)備的標(biāo)定與注冊后，利用觸摸交互的人機(jī)交互技術(shù)，通過AR系統(tǒng)開發(fā)軟件與模塊對所需的待檢設(shè)備信息進(jìn)行獲取與操作，實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)為檢驗(yàn)工作服務(wù)的目的。

2.3 前端客戶端

前端客戶端組成見圖2，前端客戶端由攝像頭、定位系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面、定位識別模塊、缺陷識別與測量模塊、檢驗(yàn)輔助模塊與檢驗(yàn)記錄模塊組成。結(jié)合圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖可看出，通過攝像頭與定位系統(tǒng)，檢驗(yàn)人員可迅速獲得現(xiàn)場圖像與位置信息。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面，檢驗(yàn)人員可查看待檢設(shè)備的基本信息和模型信息。通過定位識別模塊，檢驗(yàn)人員可對待檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行識別。通過缺陷識別與尺寸測量模塊，檢驗(yàn)人員可對待檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行缺陷識別和缺陷尺寸測量，得到該設(shè)備的缺陷類別與特征尺寸等信息。檢驗(yàn)輔助模塊可根據(jù)服務(wù)器的設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫中所存儲的該設(shè)備的基本信息和模型信息，將該設(shè)備的模型在客戶端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面上進(jìn)行顯示。檢驗(yàn)記錄模塊可對該設(shè)備的檢驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，生成被檢設(shè)備的檢驗(yàn)記錄，并將該設(shè)備的檢驗(yàn)記錄信息存儲至設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖2 前端客戶端組成示意圖

2.4 后端服務(wù)器

后端服務(wù)器組成見圖3，后端服務(wù)器由設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫與檢驗(yàn)方案數(shù)據(jù)庫組成。設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中存儲有設(shè)備的基本信息，具體包括設(shè)備的基礎(chǔ)信息、安裝位置、結(jié)構(gòu)、標(biāo)志物、歷次檢驗(yàn)信息。其中，設(shè)備的基礎(chǔ)信息包括：型號、設(shè)備代碼、設(shè)備類別、材料、性能參數(shù)、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)日期、設(shè)備圖號、制造日期、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等；設(shè)備的標(biāo)志物信息包括：銘牌信息、背景參照物信息等。模型數(shù)據(jù)庫中存儲有設(shè)備的模型信息，具體包括：設(shè)備的外部模型和內(nèi)部模型。通過三維建模和拼圖的方式，設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫與模型數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)建設(shè)備的模型。承壓類特種設(shè)備內(nèi)外結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差別較大，外部特征明顯，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為降低建模難度，對待檢設(shè)備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)采用不同的建模方式。其中，設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)采用三維建模方式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用拼圖的方式。檢驗(yàn)方案數(shù)據(jù)庫中存儲有設(shè)備的檢驗(yàn)方案，具體包括：宏觀檢驗(yàn)，壁厚測定，無損檢測，材料成分分析，硬度檢測，金相分析，內(nèi)窺鏡檢查，安全附件檢查，耐壓試驗(yàn)，氣密性試驗(yàn)等。不同特種設(shè)備存在差異性，在實(shí)際的檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)人員需對檢驗(yàn)方案有針對性地增加或刪減檢驗(yàn)項(xiàng)目。因此，在檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)庫所存儲的檢驗(yàn)項(xiàng)目可根據(jù)檢驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行增加或刪除。

圖3 后端服務(wù)器組成示意圖

2.5 檢驗(yàn)系統(tǒng)工作流程

AR檢驗(yàn)系統(tǒng)工作流程圖見圖4。檢驗(yàn)人員接收到某待檢設(shè)備的檢驗(yàn)任務(wù)后，在客戶端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面查看該設(shè)備的基本信息和模型信息。檢驗(yàn)輔助模塊根據(jù)待檢設(shè)備的基本信息，從服務(wù)器的檢驗(yàn)方案數(shù)據(jù)庫中選取出該設(shè)備的最佳檢驗(yàn)方案，并在客戶端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面進(jìn)行顯示。同時(shí)，定位模塊根據(jù)客戶端所收集的位置信息、現(xiàn)場圖像，并根據(jù)設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫所存儲的設(shè)備的基本信息，對該設(shè)備進(jìn)行識別。在檢驗(yàn)人員進(jìn)行設(shè)備檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)輔助模塊根據(jù)服務(wù)器中待檢設(shè)備的基本信息與模型信息，對該設(shè)備的模型進(jìn)行歷史檢驗(yàn)區(qū)域和歷史缺陷部位的定位、標(biāo)注、指引，并在操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面上顯示。在檢驗(yàn)人員通過客戶端的攝像頭拍攝現(xiàn)場圖像后，缺陷識別與尺寸測量模塊會根據(jù)現(xiàn)場圖像對該設(shè)備的檢驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，生成檢驗(yàn)記錄，并將被檢設(shè)備的檢驗(yàn)記錄信息存儲至設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中。

圖4 AR檢驗(yàn)系統(tǒng)工作流程圖

3 結(jié)語

本文針對承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)的特點(diǎn)，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為整個(gè)檢驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)出以前端客戶端與后端服務(wù)器為主體架構(gòu)，具有一定智能化程度的承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)系統(tǒng)，其具有以下特點(diǎn)：（1）根據(jù)承壓類特種設(shè)備的復(fù)雜檢驗(yàn)狀況，充分發(fā)揮AR技術(shù)的特點(diǎn)，對AR系統(tǒng)的顯示技術(shù)、跟蹤技術(shù)、標(biāo)定與注冊技術(shù)、交互技術(shù)與檢驗(yàn)流程的匹配做出針對性設(shè)計(jì)，極大提高了系統(tǒng)的科學(xué)性與指引性。（2）AR技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用，極大地克服了傳統(tǒng)人工檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降谋锥耍岣吡藱z驗(yàn)系統(tǒng)的信息化與自動化程度，最終使得檢驗(yàn)效率提高，并使檢驗(yàn)人員獲得了更加全面的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對保證特種設(shè)備安全性能具有重要意義。