增強現實在電網仿真培訓和工作輔助的應用

薛 江，李軍鋒，何雙伯，馮偉夏

（廣東電網有限責任公司教育培訓評價中心，廣東 廣州 510520）

增強現實在電網仿真培訓和工作輔助的應用

薛 江，李軍鋒，何雙伯，馮偉夏

（廣東電網有限責任公司教育培訓評價中心，廣東 廣州 510520）

隨著微軟Hololens的發布，增強現實技術的研究和應用迎來新的高潮。重點研究了增強現實技術中的三維注冊技術、虛實融合顯示技術和人機實時交互技術。在此基礎上，將增強現實技術結合微軟Hololens頭盔應用到電網的仿真培訓和工作輔助中。在仿真培訓中實現了設備認知培訓、遠程專家支持和電纜溝認知等案例，在工作輔助中實現了變電站現場作業AR智能輔助系統。實際應用表時，增強現實技術可以有效提升電網中仿真培訓的效果，并對現場工作輔助有一定的幫助。

Hololens；增強現實；仿真培訓；工作輔助

增強現實（Augmented reality，AR）[1]是在用戶觀察到的真實自然環境中添加計算機生成的文字、3D模型等信息的技術。增強現實具有虛實混合的特性，實現了虛擬世界和真實世界的融合，可以很好地解決虛擬現實中場景真實感不足的問題。一個AR系統的基本工作流程包括虛擬信息的建立和渲染、真實世界中的跟蹤和定位、虛擬信息在真實場景中的注冊、顯示輸出和實時的人機交互。

虛擬信息的建立和渲染在電網中主要是通過一定的方法進行電網本體和電網設備的3D模型的建立[2]。而真實世界中的跟蹤和定位主要包括使用單一姿態跟蹤器的方法和混合跟蹤技術[3]。虛擬信息在真實場景中的注冊主要解決虛實匹配的問題，其中，虛實遮擋是研究的一個難點[4]。顯示輸出和實時人機交互的研究中，不同的輸出設備、不同的人機交互方式給用戶帶來不同的體驗[5]。本文重點研究了增強現實在電網仿真培訓和工作輔助中的應用。

1 增強現實技術

增強現實具有3個重要特性，也是其3大關鍵技術所在：①三維注冊技術，即利用自動跟蹤技術將虛擬模型和真實物體精確地對準；②虛實融合顯示技術使虛擬模型和真實世界中的物體共存于用戶的視野中；③人機實時交互技術，用戶可以與視野中的真實物體和虛擬物體進行實時的交互。

1.1 三維注冊技術

三維注冊技術是實現移動增強現實應用的基礎技術，也是決定移動增強現實應用系統性能優劣的關鍵。其主要完成的任務是實時檢測出攝像頭相對于真實場景的位置狀態并確定虛擬模型在真實世界中的位置坐標。在電網應用中，可結合手機、平板電腦、可穿戴設備的視頻攝像頭、羅盤、加速器等傳感器，通過AR＋LBS模式，獲取當前工作區的屬性信息、環境或者歷史記錄等信息；結合快速響應碼（二維碼）及特定圖形識別等技術，快速獲取電力設備、工器具、建筑物等設備的相關屬性信息。

1.2 虛實融合顯示技術

虛實融合顯示技術是通過特定的顯示設備結合一定的顯示算法使虛擬模型和真實世界中的物體在用戶視野中共存。目前的顯示設備分為頭盔顯示式、手持顯示式以及投影顯示式等。隨著微軟Hololens頭盔的發布，增強現實在虛實融合顯示方面有了極大的進展，也加速了增強現實在電網仿真培訓和工作輔助中的應用。虛實整合算法的一個關鍵點是通過基于視覺的光照一致性算法，實現虛擬物體與真實物體之間的遮擋、陰影和光照一致性。

1.3 人機實時交互技術

人機實時交互技術指通過基于觸控式、菜單式或者手勢識別算法，將用戶的交互操作輸入到計算機后，經過處理將交互的結果通過顯示設備顯示輸出，使用戶可以通過改變當前畫面標定內容，將自己感興趣的內容顯示出來，或者交互操作顯示的虛擬物體。人機交互可以使用鼠標鍵盤、數據手套等傳統外接設備，也可以利用預先設定好的特定標志，通過觸發事件的方式來實現，而最新的微軟Hololens是通過特定的手勢來實現人機實時交互。

2 增強現實在電網仿真培訓中的應用

增強現實技術在仿真培訓中早有應用。早期的增強現實主要是通過手機將物體的三維模型、動畫等進行顯示，讓學員進行學習。而微軟Hololens推出之后，通過佩戴Hololens頭盔，可以更好地實現增強現實的仿真培訓。目前，基于增強現實的仿真培訓主要應用于以下幾個方面。

2.1 設備認知培訓

將設備認知與增強現實技術結合起來用于培訓，滿足電網公司信息化安全要求，能夠幫助員工提升教育培訓及績效支持效率，提高電網公司教育培訓工作的針對性，開展基于場景的真實性學習培訓工作，提高培訓資源的利用效益。

2.2 遠程專家支持

基于AR移動設備與系統后臺進行遠程互動，通過遠程語音幫助、圖片參考、視頻指導、相關推薦信息的發送，用以解決操作人員遇到難以做出決策的工作項目，操作人員可以通過AR智能終端將現場復雜的場景直接傳輸到后臺，后臺專家根據現場情況通過語音或是相關的圖片、動畫推送給現場操作者，讓現場操作人員直接獲得指導，極大地減少了溝通和交流成本。

2.3 電纜檢測培訓

對地下電力電纜的精確位置建立詳細的位置數據庫。利用AR設備掃描檢修地點的街景，通過街景識別技術來對工作人員進行定位。系統調用位置數據庫的信息，根據工作人員與電纜的相對位置畫面顯示電纜的位置。

3 增強現實在電網工作輔助中的應用

“基于增強現實的工作輔助及其系統”通過研究工作輔助課件注冊、追蹤、交互算法等，探索增強現實技術在電網工作輔助與教育培訓領域的融合應用，構建增強現實技術的電網仿真培訓、工作輔助、現場支持等方面的應用模式，對現場工作人員開展試驗、巡視、檢查、維護等工作提供支持，增強了培訓的趣味性和實效性，具備廣闊的應用前景。

變電站現場作業因設備繁多、專業性強、安全風險大，對人員素質和技能要求很高。開發變電站現場作業AR智能輔助系統，為現場人員實時提供高度融合現場環境的引導與輔助信息，支持后臺專家團隊及時糾正現場人員錯誤操作并提供遠程協助，保障現場作業的安全、規范、高效，對提升變電站現場作業水平有著重大意義。以線路停復電操作為例，介紹變電站現場作業AR智能輔助系統的實例應用。在操作界面選擇對應的信息按鈕，可以獲取相關的信息。選擇“工作任務”，可以獲取工作任務的詳細信息，包括任務名稱、任務編號、任務詳細步驟等信息。選擇“線路導航”，可以獲取變電站三維沙盤，并在沙盤上顯示作業人員所處位置、工作任務位置及線路導航指示。作業人員根據導航指示到達工作任務地點，選擇“安全風險”可獲取本工作任務的危險點及控制措施，并顯示本次作業工作區域，若超出工作區域范圍，系統將會給予危險警示。當作業過程中遇到疑問時，可隨時通過系統聯系遠程支持專家，將現場第一視角影像通過AR設備傳輸給專家，專家可根據現場實際情況給予技術支持。選擇“變電站信息”可查詢變電站臺賬信息、接線圖、人員信息等信息。作業過程中，系統會按照標準的作業操作流程顯示作業引導信息。比如作業第11步為檢查機構箱門應上鎖，系統會顯示相應的引導信息。當檢查機構箱門已上鎖，并在作業任務頁面打鉤確認該步驟后，系統會自動顯示下一操作步驟引導信息為“驗明閘刀開關側三相無電”，作業人員按照標準作業引導信息提示逐步完成整個工作任務。

4 結束語

隨著微軟Hololens的發布，增強現實技術在2016年迎來迅猛發展。傳統的電網培訓和現場工作在引入增強現實技術之后得到了創新。增強現實技術在電網中進一步發展，可以同時推動增強現實技術本身的發展和電網培訓、現場工作輔助的創新，這也是本文下一步的研究重點。

［1］林倞，楊珂，王涌天，等.移動增強現實系統的關鍵技術研究［J］.中國圖象圖形學報，2009（03）：560-564.

［2］彭向陽，陳馳，徐曉剛，等.基于無人機激光掃描的輸電通道安全距離診斷技術［J］.電網技術，2014（11）：3254-3259.

［3］羅斌，王涌天，沈浩，等.增強現實混合跟蹤技術綜述［J］.自動化學報，2013（08）：1185-1201.

［4］徐維鵬，王涌天，劉越，等.增強現實中的虛實遮擋處理綜述［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2013（11）：1635-1642.

［5］林一，陳靖，劉越，等.基于心智模型的虛擬現實與增強現實混合式移動導覽系統的用戶體驗設計［J］.計算機學報，2015（02）：408-422.

TP391

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.149

2095－6835（2017）21－0149－02

薛江（1986—），男，博士，研究方向為圖像識別及仿真系統。

〔編輯：劉曉芳〕