基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力管廊運(yùn)維系統(tǒng)研究及應(yīng)用

劉 穎 陳 佳 馮振新*

1(武漢工程科技學(xué)院 湖北 武漢 430000) 2(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430000)

0 引 言

城市綜合管廊，即在城市地下建造的一個(gè)隧道空間，將電力、通信，燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線集于一體。2013年至今，以電力管廊為代表的城市地下綜合管廊建設(shè)如火如荼。正是由于城市綜合管廊具有統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護(hù)和美化城市景觀等突出優(yōu)點(diǎn)，2015年，國務(wù)院先后印發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》(國發(fā)[2013]36號)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)[2014]27號)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)[2015]61號)等一系列政策文件。財(cái)政部、住建部部署開展了城市地下綜合管廊建設(shè)試點(diǎn)工作，全面推進(jìn)地下綜合管廊建設(shè)。僅以武漢市為例，計(jì)劃至2030年底，綜合管廊建設(shè)長度將達(dá)到566.5公里[1]。

電力管廊是城市綜合管廊的主要應(yīng)用之一。較傳統(tǒng)電纜直埋、電纜溝敷設(shè)等方式，電力管廊為電力電纜的運(yùn)維提供了便利。它不僅使運(yùn)維人員能夠近距離接近待檢測電纜和設(shè)備進(jìn)行檢測試驗(yàn)，同時(shí)，為保證國家電網(wǎng)對輸電設(shè)備的精益化管理要求，電力管廊的建設(shè)也為加裝不間斷監(jiān)測儀器提供了空間。常見的監(jiān)測儀器包括：各類氣體傳感器，如氧氣、二氧化碳、甲烷等，電纜環(huán)流，局部放電，電纜表面溫度傳感器等。新投入運(yùn)行的武漢市濱江商務(wù)區(qū)管廊和舵落口-宗關(guān)管廊安裝的針對電纜運(yùn)維的監(jiān)控裝置種類多達(dá)10種。

電纜敷設(shè)方式的改變和監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的激增導(dǎo)致了針對電力管廊內(nèi)電纜及各類監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作也相應(yīng)發(fā)生了改變。在電力管廊運(yùn)檢人員的實(shí)際工作中，主要存在如下幾點(diǎn)問題與挑戰(zhàn)。

1) 工作環(huán)境封閉，形成信息孤島。由于位處地下，多數(shù)管廊也并未做到網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使得巡檢人員對管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備的信息、路線等信息無法得到信息支撐，憑經(jīng)驗(yàn)、靠記憶的情況經(jīng)常發(fā)生。更嚴(yán)重的是，由于缺乏對工作周遭環(huán)境的感知和提示，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)，由于空間封閉、狹窄，人員逃生困難，這對在管廊中進(jìn)行運(yùn)維作業(yè)的人員安全提出了挑戰(zhàn)，需要一種在人員巡檢過程中能夠提供工作環(huán)境安全數(shù)據(jù)的機(jī)制。

2) 管廊運(yùn)維工作量大。一條管廊通常有1公里以上，至少包括一條線路的三回電纜，而1公里電纜需要安裝的各類傳感器就超過500個(gè)，若逐一檢查，工作量巨大，需要一種能夠減輕巡檢人員工作強(qiáng)度的輔助手段。

3) 對監(jiān)控設(shè)備的檢查工作繁瑣且容易疏漏。當(dāng)管廊規(guī)模較大時(shí)，存在分支和拐角，對于不熟悉管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電纜架設(shè)走向的運(yùn)維人員，光查找和比對的工作時(shí)間就可能在3 h以上，需要一種輔助設(shè)備來指導(dǎo)管廊內(nèi)的巡檢工作。

4) 管廊內(nèi)運(yùn)維工作難度大。電力設(shè)備的運(yùn)維工作主要是根據(jù)檢測儀器的讀數(shù)，評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)處理出現(xiàn)故障或存在故障隱患的設(shè)備，這項(xiàng)工作通常需要綜合分析幾類監(jiān)測儀器的讀數(shù)進(jìn)行判斷，需要有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，因此，正確判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)難度較高，最好能提供具有專家系統(tǒng)的輔助分析設(shè)備。

針對以上問題，本文提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力管廊運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括管廊內(nèi)巡檢線路指引、設(shè)備讀數(shù)復(fù)核、自動分析異常數(shù)據(jù)、針對設(shè)備故障智能分析、設(shè)備健康狀態(tài)評估等功能。

1 研究背景

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)也稱為混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]，它是通過計(jì)算機(jī)圖像處理基礎(chǔ)、三維建模技術(shù)和信號處理技術(shù)，將虛擬信息與真實(shí)場景實(shí)時(shí)疊加到顯示輸出設(shè)備。相較在裸眼觀看的情況下，AR技術(shù)使用戶能夠獲得更豐富的信息，它是對現(xiàn)實(shí)世界信息量的一種補(bǔ)充和提升，因此而得名。

自2017年以來，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善和成熟，鐵路、通信和電力行業(yè)也逐漸將該技術(shù)應(yīng)用于特定的業(yè)務(wù)以提升工作效率。針對AR技術(shù)研究和應(yīng)用主要集中于輔助設(shè)計(jì)、電力設(shè)備巡檢應(yīng)用及培訓(xùn)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)等方面的工作。例如，周哲峰等[3]研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在隧道運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)方法和效果，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)維方向的應(yīng)用指明了可行性。該文重點(diǎn)在于隧道建設(shè)，特別是隧道整體建設(shè)中，如何利用AR技術(shù)保證施工管理和后期隧道運(yùn)營降低運(yùn)維費(fèi)用，并不只針對電力管廊，也不包括具體運(yùn)維工作如何使用AR技術(shù)。

在針對電力設(shè)備運(yùn)維工作中，研究集中在AR技術(shù)在變電站的運(yùn)維工作中的應(yīng)用，其中包括AR運(yùn)維系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法和部署效果。例如，在文獻(xiàn)[4]中的AR系統(tǒng)是針對變電站的電力設(shè)備運(yùn)維工作而定制開發(fā)，符合電力設(shè)備運(yùn)維的特點(diǎn)，滿足一般電力設(shè)備運(yùn)維的要求，具有一定的專業(yè)性。該系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備臺賬、設(shè)備類型和歷史數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)，對電力設(shè)備運(yùn)維工作起到輔助作用，而不能完全取代巡檢設(shè)備。另外，該運(yùn)維系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，需要在使用過程中連接服務(wù)器?？紤]到管廊特殊的地理位置，該系統(tǒng)應(yīng)用在管廊運(yùn)維的效果有一定的局限性。常潤[5]利用AR技術(shù)開發(fā)了電力運(yùn)維人員的培訓(xùn)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)過程。

山東省濟(jì)寧電力公司設(shè)計(jì)開發(fā)了基于智能交互終端的變電巡檢管理系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)針對現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)督檢查、遠(yuǎn)程在線會診和指揮管理、運(yùn)維信息管理等功能做了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)的應(yīng)用提升了現(xiàn)場設(shè)備的信息化管理手段，優(yōu)化了設(shè)備管理流程，具有較好的應(yīng)用效果。但該系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注管理類數(shù)據(jù)，而非現(xiàn)場實(shí)時(shí)運(yùn)維數(shù)據(jù)的采集和分析。

從開發(fā)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度看，按照移動設(shè)備iOS和Android兩大主流移動設(shè)備操作系統(tǒng)分，主要有ARCore[7]和ARKit[8]兩大陣營。

1) ARCore-Google公司的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)構(gòu)建平臺。它利用不同的API讓移動設(shè)備能夠感知其環(huán)境、理解現(xiàn)實(shí)世界并與信息進(jìn)行交互。ARCore使用的三個(gè)主要功能模塊將虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界整合：(1) 運(yùn)動跟蹤模塊讓手機(jī)可以理解和跟蹤它相對于現(xiàn)實(shí)世界的位置；(2) 環(huán)境理解模塊讓手機(jī)可以檢測各類物體表面的大小和位置；(3) 光估測模塊讓手機(jī)可以估測環(huán)境當(dāng)前的光照條件。

2) ARKit-蘋果公司2017年為iOS系統(tǒng)所新增框架,ARKit框架提供了兩種AR技術(shù)，一種是基于3D場景(SceneKit)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，一種是基于2D場景(SpriktKit)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。ARKit主要有三層核心技術(shù)：(1) 快速穩(wěn)定的世界定位模塊，它包括實(shí)時(shí)運(yùn)算、運(yùn)動定位、無須預(yù)設(shè)(軟硬件)；(2) 平面和邊界感知碰撞測試和光線估算模塊，它讓虛擬內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)環(huán)境無縫銜接；(3) 渲染模塊支持各種渲染制作工具。

從目前研究情況看，針對地下管廊這種特殊環(huán)境，尤其是針對電力管廊中設(shè)備運(yùn)維業(yè)務(wù)的AR系統(tǒng)的研究相對較少。本文介紹一套基于AR技術(shù)的適用于城市電力管廊這一特殊業(yè)務(wù)場景和環(huán)境的巡檢系統(tǒng)。不同于現(xiàn)存的巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)為巡檢人員在弱光條件下找尋待檢測設(shè)備測點(diǎn)和傳感器提供了可視化引導(dǎo)。同時(shí)，利用手勢感應(yīng)模塊，使巡檢人員能夠更方便迅速地召回傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，提高了巡檢工作效率。

2 系統(tǒng)介紹

基于AR技術(shù)的電力管廊運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是將巡檢任務(wù)生成、任務(wù)下發(fā)、巡檢路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)巡檢數(shù)據(jù)回傳與分析相結(jié)合，提高管廊巡檢的工作水平和效率。

該系統(tǒng)采用服務(wù)器-客戶端模式設(shè)計(jì)，將現(xiàn)場工作的數(shù)據(jù)處理與后端數(shù)據(jù)存儲、分析分開。服務(wù)器與客戶端的通信由于受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)連接等方面的影響，可以采取分布、分時(shí)傳輸。同時(shí)，由于客戶端還承擔(dān)著諸如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障類型研判這類計(jì)算量較高的任務(wù)，因此，系統(tǒng)對客戶端的運(yùn)算能力提出了較高要求，能夠支持本系統(tǒng)的最低硬件配置要求詳見表1。本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，采用的客戶端硬件是微軟公司開發(fā)的HoLoLens[9]，并將其作為現(xiàn)場支持邊緣計(jì)算的節(jié)點(diǎn)。

表1 硬件配置表

從軟件架構(gòu)上，本系統(tǒng)在ARCore架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了針對管廊內(nèi)電力設(shè)備和傳感器的三維模型以及針對業(yè)務(wù)需求的分析模塊，是滿足管廊巡檢要求的專業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2.1 總體框架

本系統(tǒng)總體上由兩部分組成，通過實(shí)時(shí)4G通信或分時(shí)傳輸方式連接管廊現(xiàn)場AR巡檢儀和管廊巡檢綜合管控系統(tǒng)。同時(shí)，本系統(tǒng)也可以作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中臺，支持向電力系統(tǒng)的其他信息系統(tǒng)，如生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)，提供信息及服務(wù)?？傮w系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 包括中心管理系統(tǒng)的AR管廊巡檢系統(tǒng)總體框架

管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如工作班組管轄內(nèi)管廊內(nèi)設(shè)備的臺賬信息、統(tǒng)計(jì)信息，如管廊內(nèi)設(shè)備故障率、任務(wù)安排及工作人員信息。如圖2所示，這些信息作為管理工作的依據(jù)和基礎(chǔ)，將集中反映在系統(tǒng)頁面，方便管理人員下達(dá)任務(wù)以及全面掌握設(shè)備運(yùn)行情況。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連接情況較好時(shí)，綜合管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接收巡檢人員發(fā)回的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)并體現(xiàn)在圖3的頁面中。

圖2 管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析頁面

圖3 管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)全景展示頁面

管廊現(xiàn)場AR巡檢儀由現(xiàn)場工作人員佩戴。管理平臺與巡檢儀的數(shù)據(jù)交換主要通過電力專用網(wǎng)絡(luò)。由于受到管廊網(wǎng)絡(luò)信號弱的影響，在任務(wù)下發(fā)時(shí)，工作管廊的設(shè)備信息、管廊三維模型等數(shù)據(jù)通過管理平臺發(fā)送到巡檢儀，作為管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。人員下到管廊后，AR模塊中的視頻采集、圖像處理及3D模型加載子模塊將預(yù)存的管廊信息、模型和實(shí)時(shí)設(shè)備信息融合后再由視頻展示模塊顯示。

2.2 硬件架構(gòu)

AR巡檢儀硬件主要由視頻采集模塊、AR融合成像模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲和信號處理模塊組成。AR融合成像模塊利用光學(xué)反射投影原理，即微型投影儀先是將光投到棱鏡反射屏上，而后通過棱鏡反射到眼球，達(dá)到成像最清晰的效果。視頻采集模塊包括3D深度攝像頭、2D主攝像頭及視頻處理芯片，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場圖像的采集，由于管廊內(nèi)光線較弱，視頻處理芯片需根據(jù)現(xiàn)場光線情況自動調(diào)節(jié)鏡頭和視頻參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)成像效果。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括用于連接電力APN的4G通信模塊、與現(xiàn)場傳感器交互的RFID模塊、連接外接設(shè)備的藍(lán)牙和Wi-Fi模塊；存儲模塊的主控芯片采用聯(lián)蕓科技MAP100X SSD主控芯片[10]。

信號處理芯片包括陀螺儀芯片、水平儀芯片等，將巡檢人員的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)傳輸給中央處理單元進(jìn)行融合處理。數(shù)據(jù)處理單元包括圖像處理單元GPU和中央處理單元CPU。

2.3 軟件架構(gòu)

軟件是融合業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的核心，也是利用預(yù)制模型和AR技術(shù)開展巡檢工作的突破口。如圖4所示，管廊現(xiàn)場AR巡檢儀的軟件架構(gòu)包括五層，分別為：

1) 輸入動作層。最上層軟件模塊，包括處理不同動作、場景和組件的子模塊，例如預(yù)制動作是將視頻中出現(xiàn)的特定手勢或身體姿勢作為調(diào)用接口或數(shù)據(jù)的觸發(fā)器。

2) 數(shù)據(jù)提供層。為AR融合提供內(nèi)置或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，包括提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸入提供方，以及調(diào)用內(nèi)外部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)訪問觀察方。

3) 服務(wù)層。提供調(diào)用不同功能組件的接口，包括調(diào)用2D主攝像頭、3D深度攝像頭的攝像頭服務(wù)接口、感知模型在空間中綁定位置的空間感知服務(wù)接口、感知移動和物體邊界的相應(yīng)服務(wù)接口。

4) 運(yùn)行時(shí)。處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的開發(fā)包，是混合現(xiàn)實(shí)視頻和虛擬模型的核心模塊。

5) 配置層。根據(jù)用戶需求調(diào)用不同可視化組件，完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，調(diào)用的組件以及渲染的程度自由設(shè)置及修改。

除此之外，為支持巡檢業(yè)務(wù)，其他軟件模塊還包括業(yè)務(wù)算法，例如設(shè)備健康狀況評估算法模塊、任務(wù)管理模塊、AR融合成像軟件模塊，以及基礎(chǔ)軟件模塊，如基礎(chǔ)用戶接口等。

圖4 軟件架構(gòu)

2.4 跟蹤算法

將虛擬物體實(shí)現(xiàn)在3D場景中是由SceneKit框架來完成：每一個(gè)虛擬的物體都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)(SCNNode),每一個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)場景(SCNScene),無數(shù)個(gè)場景構(gòu)成了3D世界。該系統(tǒng)采用基于自然特征點(diǎn)的跟蹤注冊算法進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能實(shí)現(xiàn)如下：由攝像頭捕捉的畫面首先送入ARCore的ARSession模塊構(gòu)建3D場景，在3D場景中，每個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)注冊在虛擬場景的位置坐標(biāo)，物體在3D場景中都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)相同物體的特征量相同，則在連續(xù)兩幀畫面中就能識別哪些物體是同一個(gè)物體。本系統(tǒng)的虛擬場景構(gòu)建就是通過特征點(diǎn)追蹤算法在視頻中對虛擬場景進(jìn)行重構(gòu)的。

本系統(tǒng)的虛擬場景構(gòu)建步驟如圖5所示。從功能劃分來看，可主要分為兩步，包括：(1) 預(yù)處理階段；(2) 實(shí)時(shí)處理階段。

圖5 構(gòu)建虛擬場景流程

在預(yù)處理階段，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用攝像頭接口開始視頻傳輸后，Java本地接口(JNI)觸發(fā)系統(tǒng)功能，開始處理視頻中的物體特征值。本文采用ORB算法，將傳感器和電纜的形狀、顏色作為特征，并將結(jié)果存入特征數(shù)據(jù)庫。由于在管廊中，電纜的特征如顏色和形狀不如傳感器明顯，從效果上看，基于傳感器的場景重構(gòu)要由于基于電纜的場景重構(gòu)。

在實(shí)時(shí)處理階段，系統(tǒng)主要判斷與匹配現(xiàn)場環(huán)境和特征數(shù)據(jù)庫，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的三維注冊過程，本系統(tǒng)采用基于KLT(Kanade-Lucas-Tomasi Tracking)算法進(jìn)行圖像特征點(diǎn)追蹤。它通過預(yù)測估計(jì)來確定下一幀特征點(diǎn)的粗略位置。在KLT算法中，假設(shè)特征點(diǎn)目標(biāo)對象在視頻流中僅發(fā)生具有空間一致性的較小移動，而目標(biāo)對象的灰度值幾乎不變。表2是基于KLT在管廊內(nèi)的特征點(diǎn)追蹤測試結(jié)果?？梢钥闯觯谡２剿偾闆r下，KLT算法的渲染時(shí)間低于50 ms/幀，滿足管廊巡檢要求。

表2 KLT算法性能表

當(dāng)追蹤的特征點(diǎn)數(shù)目大于設(shè)定閾值時(shí)，算法則根據(jù)時(shí)間相鄰的前后兩幀的對比評估攝像頭姿態(tài)，進(jìn)一步估算重構(gòu)的模型在重構(gòu)場景中的位置，從而調(diào)用設(shè)備相關(guān)信息，渲染虛擬模型并完成模型在場景中的注冊。

2.5 功能設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際管廊巡檢需求，系統(tǒng)的功能模塊可分為：

1) 任務(wù)管理，包括對任務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)管理，如任務(wù)的接收與完結(jié)等基礎(chǔ)功能。

2) 巡檢支撐，重點(diǎn)解決巡檢人員在工作過程中遇到的各種問題，包括設(shè)備安裝位置提示、巡檢線路引導(dǎo)、設(shè)備狀態(tài)提示。

3) 數(shù)據(jù)處理與分析，主要處理巡檢過程中實(shí)時(shí)接收到的傳感器數(shù)據(jù)，并利用各類不同的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析算法分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具體包括監(jiān)測數(shù)據(jù)召回、檢修指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

(1) 設(shè)備安裝位置提示。通過對管廊進(jìn)行三維建模和對人員在實(shí)際管廊中位置追蹤和圖像比對，巡檢儀將目視范圍內(nèi)的傳感器顯示在巡檢儀上。這樣，人員在巡檢過程中，不會漏檢任何監(jiān)測設(shè)備，保證了巡檢的效率和數(shù)據(jù)的完備性。如圖6所示，監(jiān)測電纜電流卡鉗懸浮顯示在巡檢人員的視野中，提示任務(wù)中需對此設(shè)備進(jìn)行檢查。

圖6 通過AR技術(shù)提示監(jiān)測設(shè)備安裝位置

(2) 巡檢路線引導(dǎo)。通過將人員位置信息與預(yù)設(shè)的巡檢路線進(jìn)行對比，巡檢儀能夠判斷巡檢人員是否在正確的巡檢路線上。另外，預(yù)設(shè)的巡檢路線也能夠直接顯示在巡檢儀上。巡檢路線可由需檢測的設(shè)備自動生成，所生成的路線通過最短路徑算法，串聯(lián)起所有待檢設(shè)備，對規(guī)劃巡檢工作起到提升作用。如圖7所示，當(dāng)巡檢人員靠近待檢設(shè)備時(shí)，巡檢儀屏幕會彈出提示，并在完成任務(wù)后指示前往下一個(gè)監(jiān)測設(shè)備的路線。

圖7 基于AR技術(shù)的任務(wù)提示

(3) 設(shè)備狀態(tài)提示。巡檢儀能夠自動獲取待檢測設(shè)備的異常數(shù)據(jù)，并通過智能評估診斷算法判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，巡檢儀顯式地標(biāo)注異常設(shè)備，提示巡檢人員關(guān)注。通常，根據(jù)異常類型，巡檢儀會進(jìn)一步提示可能的故障類型及可以采取的檢測建議和檢修建議。如圖8所示，設(shè)備的缺陷信息會通過懸浮窗口顯示。

圖8 基于AR的設(shè)備缺陷提示

(4) 檢測數(shù)據(jù)召回。巡檢儀具有近場通信功能，能夠自動連接通信范圍內(nèi)的傳感器并將傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)保存到巡檢儀，以便后期分析使用。

(5) 歷史數(shù)據(jù)查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢往往是巡檢工作的痛點(diǎn)。由于歷史數(shù)據(jù)量大，同時(shí)又與設(shè)備相關(guān)，因此即使巡檢中遇到異常設(shè)備，也會將數(shù)據(jù)對比工作退后至巡檢工作完成后。通過AR巡檢儀，與檢測設(shè)備綁定的所保存的歷史數(shù)據(jù)會根據(jù)巡檢設(shè)備自動關(guān)聯(lián)，方便查詢。如圖9所示，巡檢人員不僅可以查看歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠通過數(shù)據(jù)可視化效果查看數(shù)據(jù)變化趨勢。在圖中，該傳感器顯示隧道內(nèi)的CH4濃度出現(xiàn)了兩次上升，提示巡檢人員注意安全，并上報(bào)綜合管理系統(tǒng)。

圖9 通過手勢召回氣體傳感器的歷史數(shù)據(jù)

(6) 檢修指導(dǎo)。根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)，巡檢儀內(nèi)置的評估診斷算法會根據(jù)結(jié)果自動推送檢修建議。檢修建議的生成是通過當(dāng)次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)和歷史檢修記錄的對比生成，如圖10所示。

圖10 通過AR向巡檢人員推送設(shè)備檢修任務(wù)指導(dǎo)

2.6 工作流程

本文系統(tǒng)具有良好的可移植性，當(dāng)需要在新建管廊部署時(shí)，通過建模-綁定設(shè)備-數(shù)據(jù)同步-導(dǎo)入特定設(shè)備分析算法的步驟，即可完成部署。

1) 建模。構(gòu)造與現(xiàn)場環(huán)境一致的三維模型是開展管廊AR巡檢的前提條件。采用點(diǎn)云技術(shù)[11]構(gòu)建管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與視頻比對。為增加現(xiàn)場感和真實(shí)效果，對點(diǎn)云掃描的模型進(jìn)行貼圖，并將監(jiān)測設(shè)備按照現(xiàn)場安裝位置加入三維模型中。監(jiān)測設(shè)備的模型作為用戶接口與用戶交互。

2) 與現(xiàn)場設(shè)備綁定。AR巡檢設(shè)備是否能夠真實(shí)反映管廊內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)是巡檢工作最關(guān)心的問題。管廊3D模型構(gòu)造好以后，需要三維模型中的監(jiān)測設(shè)備與現(xiàn)場安裝的監(jiān)測設(shè)備一一對應(yīng)。這種對應(yīng)關(guān)系需要結(jié)合設(shè)備的PMS臺賬，將AR巡檢系統(tǒng)與內(nèi)網(wǎng)中的設(shè)備信息關(guān)聯(lián)。一種方法是實(shí)時(shí)讀取內(nèi)網(wǎng)設(shè)備信息，并將現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過安全隔離裝置回傳至內(nèi)網(wǎng)。這種方法實(shí)時(shí)性較好，但往往考慮到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信息安全等因素，實(shí)時(shí)回傳到內(nèi)網(wǎng)的可行性較低。另一種方法是在巡檢工作開始之前，將此次工作相關(guān)的設(shè)備臺賬信息傳入AR巡檢儀，現(xiàn)場人員在巡檢過程中手動選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)來源。這種方法具有良好的數(shù)據(jù)安全性，但人員工作過程較為繁瑣。

3) 數(shù)據(jù)同步。根據(jù)巡檢工作中涉及的不同數(shù)據(jù)種類，數(shù)據(jù)同步過程分為兩個(gè)階段：(1) 靜態(tài)數(shù)據(jù)同步；(2) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)同步。靜態(tài)數(shù)據(jù)同步是指在開展巡檢工作之前，將管廊內(nèi)的設(shè)備臺賬信息、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障消缺信息等數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器同步至巡檢人員配備的AR巡檢儀?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)同步是指在人員巡檢的過程中，現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備將保存的監(jiān)測數(shù)據(jù)同步至AR巡檢儀，便于進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。

4) 數(shù)據(jù)分析。根據(jù)管廊內(nèi)安裝的監(jiān)測設(shè)備類型及數(shù)據(jù)類型，為了開展設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)及故障診斷，AR巡檢儀需下載相匹配的智能評估診斷算法。

2.7 適用場景

基于AR技術(shù)的電力管廊運(yùn)維系統(tǒng)不僅能夠用于日常電力管廊巡檢工作，提高現(xiàn)場運(yùn)維工作效率，同時(shí)也可作為管廊巡檢人員上崗培訓(xùn)的工具。培訓(xùn)學(xué)員并不需要實(shí)際進(jìn)入管廊，而是在三維重構(gòu)的管廊中進(jìn)行操作，重構(gòu)的管廊按照真實(shí)管廊1∶1建模。學(xué)員通過在虛擬構(gòu)建的管廊中進(jìn)行設(shè)備巡檢技能訓(xùn)練，能夠快速熟悉管廊環(huán)境，提升對管廊中監(jiān)控設(shè)備操作的熟練度。

3 應(yīng)用效果

2019年下半年，該系統(tǒng)應(yīng)用于武漢黃家湖電力管廊及濱江商務(wù)區(qū)管廊的日常巡檢工作，如圖11所示。為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，兩條管廊的巡檢工作同時(shí)采用傳統(tǒng)巡檢方式與基于AR的巡檢方式工作。

圖11 系統(tǒng)在武漢市黃家湖隧道中自動讀取傳感器數(shù)據(jù)

1) 2019年6月至7月間，武漢南瑞運(yùn)維人員針對武漢市黃家湖隧道開展巡檢工作。巡檢工作主要包括檢查電纜局部放電傳感器及管廊內(nèi)氣體傳感器的工作情況。工作人員通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)巡檢儀檢查過程中發(fā)現(xiàn)局部放電情況，并查詢了該局部放電傳感器的歷史數(shù)據(jù)，通過AR巡檢儀內(nèi)置的評估診斷算法，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)綜合評估，發(fā)現(xiàn)一處安全隱患。該故障的研判僅用時(shí)30 min，就完成了故障定位、分析及上報(bào)工作，極大地提高了工作效率。

2) 2019年10月至11月間，武漢南瑞運(yùn)維人員開展軍運(yùn)會保障用電工作，對武漢市江岸區(qū)濱江商務(wù)區(qū)管廊進(jìn)行運(yùn)維巡檢保電工作。工作人員佩戴AR巡檢儀對該管廊開展巡檢工作。采用AR巡檢儀后，巡檢人員檢查全管廊3公里約500個(gè)各類傳感器僅用時(shí)3 h，提高了工作效率并提升了專業(yè)水平。

4 結(jié) 語

本文介紹了利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行管廊內(nèi)巡檢工作，并介紹了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的管廊巡檢儀的軟硬件架構(gòu)、使用算法、應(yīng)用情況。結(jié)果表明，針對管廊巡檢工作難度大、專業(yè)性強(qiáng)及工作強(qiáng)度高的問題，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巡檢儀能夠快速識別管廊內(nèi)傳感器，并能迅速將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)召回，基于內(nèi)置分析算法及歷史信息，能夠快速判斷故障和缺陷類型，提高了管廊巡檢的工作效率，解決了現(xiàn)場人員的技術(shù)痛點(diǎn)。

同時(shí)，現(xiàn)場工作中也發(fā)現(xiàn)了可進(jìn)一步提高之處：

1) 由于管廊內(nèi)光線條件限制，需完善跟蹤算法在弱光條件下的效率。

2) 基于局域網(wǎng)條件的空間定位能夠使巡檢儀在無外網(wǎng)條件下，利用三點(diǎn)定位確定人員在管廊內(nèi)的具體位置，這也是下一步研究的重點(diǎn)。

3) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用屬于強(qiáng)數(shù)據(jù)支撐應(yīng)用環(huán)境，諸如模型加載速度、數(shù)據(jù)召回延時(shí)和地理位置數(shù)據(jù)等參數(shù)均與應(yīng)用效果有密切關(guān)聯(lián)，因此，如何在管廊環(huán)境下利用延時(shí)小、帶寬大的5G網(wǎng)絡(luò)也是需要進(jìn)一步探討的課題。