基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電力系統(tǒng)云平臺(tái)綜合解決方案

何雙伯,李軍鋒,劉曉,郝騰飛,馮偉夏,黃成云

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電力系統(tǒng)云平臺(tái)綜合解決方案

何雙伯,李軍鋒,劉曉,郝騰飛,馮偉夏,黃成云

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司, 廣東 廣州 510520

為了實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)化和智能化，提升基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的綜合解決方案，研究設(shè)計(jì)了基于AR電力系統(tǒng)云平臺(tái)的綜合解決方案。電力系統(tǒng)解決方案包括設(shè)備檢查、緊急修復(fù)、設(shè)備維護(hù)和電力線路巡檢等操作，采用AR頭戴式智能設(shè)備、便攜式智能傳感器，以及音頻圖像等部分，構(gòu)成了一個(gè)人-硬件-軟件的完整范式。為了結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的特征，所提系統(tǒng)改進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)操作模式，主要通過終端多維展示、后臺(tái)數(shù)據(jù)融合、自定義服務(wù)等交互式協(xié)作。在一些電力企業(yè)的實(shí)施中，所提系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)提供基于AR的綜合解決方案，具有較好的自動(dòng)化和智能化。

電力系統(tǒng); 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí); 智能設(shè)備; 云平臺(tái)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[1]（Augmented Reality，AR）是通過虛擬現(xiàn)實(shí)[2]（Virtual Reality，VR）發(fā)展起來的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。AR是一種將計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象或信息與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，由此增強(qiáng)或擴(kuò)展合成場(chǎng)景的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別在于，AR并非將用戶與現(xiàn)實(shí)世界隔離，而是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或信息加入真實(shí)的場(chǎng)景中，以構(gòu)建虛擬和現(xiàn)實(shí)的混合空間[3]。從觀察者的角度來看，真實(shí)物體和虛擬物體（或信息）共存，且可以互相增強(qiáng)或補(bǔ)充。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠增強(qiáng)人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知和交互能力，具有廣闊的應(yīng)用前景，是近年來的研究熱點(diǎn)。

近年來，我國(guó)加大了電網(wǎng)建設(shè)力度，特別是建設(shè)了一系列遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大了輸電線路的規(guī)模。各省份的電力公司不斷嘗試使用新技術(shù)，以提升工作效率。但同時(shí)也對(duì)巡檢作業(yè)的管理和檢查提出了更高的要求。當(dāng)前市場(chǎng)上的操作輔助系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的固化操作模式，過程不靈活，不能滿足基于個(gè)性化定制的電網(wǎng)運(yùn)行要求。由此常常會(huì)產(chǎn)生不必要的冗余，降低使用期望。AR技術(shù)的使用可以提升工作自動(dòng)化和智能化，改善工作環(huán)境。

在電力系統(tǒng)中，每年在AR技術(shù)上進(jìn)行的科研項(xiàng)目數(shù)量與投入呈幾何式增長(zhǎng)。如文獻(xiàn)[4]通過攝像機(jī)標(biāo)定得到故障源對(duì)應(yīng)的位置信息，以全局增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的形式顯示輸出。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行維護(hù)等階段實(shí)例應(yīng)用的分析，得出AR技術(shù)可以幫助電力企業(yè)從二維圖紙及模擬仿真等模式，轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)+虛擬的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的全新設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)及其相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，利用自由空間中數(shù)字化三維模型與投影儀的幾何關(guān)系推導(dǎo)出了一般的反投影模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的標(biāo)定方法。

目前，在我國(guó)的電力公司的實(shí)際應(yīng)用也有一些成果，如國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司已經(jīng)著手于集成化可穿戴檢測(cè)設(shè)備小型化研究，中國(guó)南方電網(wǎng)公司成功研制出智能頭盔，安徽電力公司研發(fā)出的可穿戴巡檢設(shè)備以大數(shù)據(jù)、定位和導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，主要包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫、三維變電站巡檢模型、GPS導(dǎo)航模塊和可穿戴智能終端。國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司研發(fā)了一些綜合檢測(cè)設(shè)備，包括便攜式智能檢測(cè)管理綜合機(jī)，紅外線、紫外線、超聲波傳感器等，能夠檢測(cè)常見的安全隱患，并在電力設(shè)備的功率瞬態(tài)檢測(cè)中進(jìn)行局部放電。

目前AR技術(shù)不夠成熟，智能化和自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)還有待提高，本文結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的特征，通過例如終端多維展示、后臺(tái)數(shù)據(jù)融合、自定義服務(wù)等交互式協(xié)作，改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)操作模式。由此，提出了云識(shí)別系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)提供基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的自動(dòng)化、智能化解決方案。

圖 1 本文系統(tǒng)架構(gòu)

1 系統(tǒng)架構(gòu)

提出的系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件支持兩部分組成，包括顯示硬件、人機(jī)交互等，如圖1所示。顯示硬件通過智能可穿戴設(shè)備，例如頭盔顯示器、智能眼鏡、智能手環(huán)、移動(dòng)終端等，為用戶提供當(dāng)前真實(shí)的環(huán)境、計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象和文本的同時(shí)顯示。

智能設(shè)備具有接近普通PC的功能，同時(shí)包含內(nèi)置相機(jī)、紅外通信接口、藍(lán)牙無線接口和GPS定位裝置。智能設(shè)備是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的載體，隨著智能設(shè)備的容量、移動(dòng)性、交互性的提升，有望將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

在融合了虛擬和真實(shí)的顯示設(shè)備之外，還需要理解人機(jī)交互設(shè)備的使用者意愿[7]。傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)充分的人機(jī)交互，還需要一系列更自然的交互手段，包括影像識(shí)別、語音識(shí)別和頭部姿態(tài)識(shí)別等。此外，還需要通過計(jì)算平臺(tái)完成例如融合現(xiàn)實(shí)、虛擬物體渲染和人機(jī)交互等復(fù)雜操作。

在硬件平臺(tái)之外，需要一整套的軟件支持，包括識(shí)別當(dāng)前使用者所觀察的目標(biāo)類型和場(chǎng)景，定位識(shí)別，跟蹤軟件，虛擬三維目標(biāo)實(shí)時(shí)渲染，三維圖形繪制融合顯示軟件等。硬件和軟件平臺(tái)共同組成了移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的具體實(shí)施

2.1 體感交互

本文利用智能設(shè)備中集成的便攜傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)加速信號(hào)或角速度信號(hào)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過高效算法識(shí)別人體頭部姿態(tài)。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

首先，不受環(huán)境約束。由于加速傳感器是直接集成在智能眼鏡（或頭盔）中并在用戶體驗(yàn)過程中收集數(shù)據(jù)，因此不需要考慮外部環(huán)境限制和影響（如光照、障礙等），同時(shí)也不需要任何其他的額外設(shè)備（例如相機(jī)等）或其他人的監(jiān)督。由此，用戶可按照日常工作習(xí)慣來行動(dòng)，不需要考慮其他額外因素的影響。這種情況下采集到的數(shù)據(jù)能夠更好地訓(xùn)練場(chǎng)景識(shí)別模型，以反映真實(shí)工作環(huán)境。

其次，成本較低。由于提出的方法中僅使用智能設(shè)備集成的視頻攝像頭和低成本加速傳感器，不需要使用昂貴的視頻攝像機(jī)。圖2是本文使用的Mira Prism智能眼鏡，是一種類似于三星Gear VR或Google眼鏡[8]的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。但是該設(shè)備有兩個(gè)巨大的非硬件優(yōu)勢(shì)，價(jià)格低于1000人民幣，內(nèi)部設(shè)有電腦或相機(jī)技術(shù)，使用IOS操作系統(tǒng)，可以利用蘋果的ARKit平臺(tái)[9]，軟件可將大多數(shù)ARKit應(yīng)用程序轉(zhuǎn)化為實(shí)際的投影疊加層。提出的智能設(shè)備不但成本低，且具有尺寸小、敏感度高和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

圖 2 Mira Prism智能眼鏡

第三，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。加速傳感器在用戶身上攜帶，可以非常簡(jiǎn)單地采集使用者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。加速傳感器設(shè)備可以在用戶移動(dòng)過程中輕易獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，且無需用戶的主動(dòng)參與。

最后，加速信號(hào)包含頻域和時(shí)域中的大量信息，通過加速信號(hào)能夠得到用戶頭部移動(dòng)、速度和角度等各種有效信息。動(dòng)作識(shí)別主要包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元、運(yùn)動(dòng)標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)捕獲和跟蹤，其中運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元的硬件設(shè)備包括三軸陀螺儀MEMS，三軸磁力計(jì)校準(zhǔn)，以及在體感交互過程中用于運(yùn)動(dòng)捕獲和跟蹤的姿態(tài)和角度定義算法，如圖3所示。硬件與軟件的范式如圖4所示，在這個(gè)過程中，沉浸感實(shí)現(xiàn)高幀率（至少95 fps）和低延遲[10]。且屏幕響應(yīng)時(shí)間低于3 ms，這樣能夠避免用戶在移動(dòng)頭部時(shí)感到不適。

由定義8可知，發(fā)動(dòng)機(jī)E處于第1次裝試的部裝任務(wù)節(jié)點(diǎn)t3=t4∪t5∪t6，t4，t5，t6的相對(duì)完成工時(shí)量為70，200，280，則t3的相對(duì)完成工時(shí)量為FWH3=280-max{150-70,0,0}=200，部裝任務(wù)節(jié)點(diǎn)t3的進(jìn)度ra3=200/280=71.4%，在裝發(fā)動(dòng)機(jī)E的裝配進(jìn)度Ra=(5+5+200)/1 900=11.1%。

圖 3 體感交互

圖 4 人-硬件-軟件所構(gòu)成的范式

2.2 云平臺(tái)搭建

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中，使用基于AR插件的增強(qiáng)顯示配準(zhǔn)跟蹤和模型優(yōu)化表示[11]。利用Eclipse+Java完成特定功能模塊，例如遠(yuǎn)程輔助、語音識(shí)別、紅外溫度等輔助模塊的開發(fā)。

在云平臺(tái)搭建過程中，基于開源方法進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)，利用輔助功能解決電力運(yùn)行中的問題，降低在終端上存儲(chǔ)的照片和模型資源的云識(shí)別，通過服務(wù)器數(shù)據(jù)融合提升服務(wù)分類操作效率并實(shí)現(xiàn)用戶共享。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

在提出的基于AR的電力系統(tǒng)云識(shí)別方法中，主要問題的技術(shù)解決方案如下：

1）為通過該系統(tǒng)改進(jìn)運(yùn)行時(shí)操作模式，系統(tǒng)被分為三個(gè)部分，即多維顯示終端，后臺(tái)數(shù)據(jù)融合以及高級(jí)云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)共享和三方協(xié)作服務(wù)。終端應(yīng)用分布在國(guó)內(nèi)各個(gè)省份的不同區(qū)域，后臺(tái)服務(wù)器的高級(jí)服務(wù)則共享一個(gè)云平臺(tái)。

2）終端應(yīng)用具有較好的通用性，可以在智能手機(jī)、平板、智能眼鏡、智能頭盔，以及例如智能手環(huán)等可穿戴智能設(shè)備上運(yùn)行。各個(gè)區(qū)域中的后臺(tái)服務(wù)器為特定變電站提供定制化的基礎(chǔ)服務(wù)。高級(jí)服務(wù)，例如遠(yuǎn)程輔助、照片識(shí)別、語音識(shí)別和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，提供統(tǒng)一的升級(jí)服務(wù)。

2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)云識(shí)別

由于智能設(shè)備的計(jì)算性能和圖形顯示能力相對(duì)較弱，為減輕中斷的計(jì)算負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)使用基于C/S的系統(tǒng)架構(gòu)，終端和服務(wù)器共享計(jì)算任務(wù)，服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)或LAN返回計(jì)算結(jié)果，增強(qiáng)了顯示在中斷屏幕上的實(shí)際效果，如圖6所示。

圖 5 本文系統(tǒng)的云平臺(tái)構(gòu)建

圖 6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在智能終端上基于空間位置和姿態(tài)完成設(shè)備跟蹤，根據(jù)該信息計(jì)算出虛擬目標(biāo)，并在終端上完成虛擬目標(biāo)圖像與真實(shí)場(chǎng)景圖像的準(zhǔn)確匹配。其中最重要的技術(shù)是虛擬跟蹤和現(xiàn)實(shí)跟蹤的結(jié)合。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于配準(zhǔn)的設(shè)備跟蹤可被分為兩類：終端跟蹤配準(zhǔn)，即跟蹤器方法；以及利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)和特定算法得到的實(shí)施虛擬目標(biāo)，即虛擬方法。其中虛擬方法可被分為標(biāo)記方法和自然特征方法。

該系統(tǒng)針對(duì)圖像配準(zhǔn)、跟蹤和定位，采用了以下跟蹤技術(shù)。視頻檢測(cè)：利用模式識(shí)別技術(shù)，模板匹配和邊緣檢測(cè)方法，識(shí)別預(yù)定義的標(biāo)記、目標(biāo)或參考點(diǎn)，然后根據(jù)偏移量計(jì)算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣。GPS：用于戶外跟蹤，確定用戶位置。超聲波：原理與GPS相似，使用測(cè)量接收裝置和三個(gè)已知的超聲波源的距離來確定用戶位置。通過陀螺儀旋轉(zhuǎn)角度確定用戶頭部姿態(tài)，以及虛擬場(chǎng)景中的虛擬目標(biāo)轉(zhuǎn)換內(nèi)容。

面向?qū)嶓w的虛擬信息融合云識(shí)別系統(tǒng)的工作流程如下：得到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的運(yùn)行時(shí)真實(shí)電力設(shè)備信息，分析真實(shí)設(shè)備和位置信息，生成虛擬場(chǎng)景、融合視頻并直接顯示。首先，在視頻流中對(duì)場(chǎng)景位置信息進(jìn)行標(biāo)記，基于從真實(shí)場(chǎng)景中得到的相機(jī)定位信息通過虛擬目標(biāo)映射平面中的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算相機(jī)平面中的虛擬目標(biāo)。然后在輸出設(shè)備上展示融合場(chǎng)景。通過輸出設(shè)備、跟蹤和定位技術(shù)和交互技術(shù)的結(jié)合，完成AR系統(tǒng)的實(shí)施。

通過陀螺儀傳感器獲取用戶頭部旋轉(zhuǎn)角度，使用圖像跟蹤技術(shù)獲取目標(biāo)信息，在用戶設(shè)備中簽名并傳遞至后端服務(wù)器，然后生成虛擬現(xiàn)實(shí)，最終將真實(shí)圖像和虛擬信息進(jìn)行合并，并展示出疊加影像。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員通過審視電力設(shè)備外觀，可在終端上快速得到電力設(shè)備三維模型、額外結(jié)構(gòu)和操作指南。并可通過設(shè)備操作指南迅速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并解決故障。

2.4 模型的優(yōu)化與渲染

三維圖像模型的畫面與優(yōu)化渲染是AR技術(shù)中的關(guān)鍵一點(diǎn)。本文系統(tǒng)所用的優(yōu)化和渲染軟件有Balancer和Maya等。其中，Balancer是一款專注于模型優(yōu)化的軟件，因?yàn)楣δ軐Ｒ?，在三維模型的減面與合并功能上非常強(qiáng)大。其優(yōu)化的畫面例子如圖7所示，可以看出其最終效果非常好，且他的可操作性較好，計(jì)算機(jī)速度快。

Maya作為3dsMax的同類型軟件，用于將高精度模型簡(jiǎn)化成一個(gè)低面數(shù)的代理模型。為了給電力用戶創(chuàng)造身臨其境的感受，需要制作方盡量避免龐大的數(shù)據(jù)量給系統(tǒng)帶來沉重的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，或者在保證模型質(zhì)量的前提下，盡可能縮減與優(yōu)化3D模型的數(shù)據(jù)量，這方面Maya做的較為完美，且操作簡(jiǎn)單，可用性好，實(shí)例效果如圖8所示。

圖7 對(duì)羊角斷路器進(jìn)行Balancer優(yōu)化

圖8 對(duì)電流互感器模型進(jìn)行優(yōu)化渲染

3 結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于AR的云識(shí)別電力系統(tǒng)平臺(tái)，在一些電力企業(yè)的實(shí)施和實(shí)踐中，所提系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)提供基于AR的自動(dòng)化和智能化的綜合解決方案。其特征如下：

根據(jù)區(qū)域劃分終端和后臺(tái)服務(wù)器，不同部分的終端和后臺(tái)服務(wù)器共享云平臺(tái)的高級(jí)服務(wù)，其中包括變電站定制化基礎(chǔ)服務(wù)和高級(jí)服務(wù)?？赏ㄟ^更新云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)服務(wù)升級(jí)，及時(shí)、有效和準(zhǔn)確地提升用戶體驗(yàn)。終端主要被用戶數(shù)據(jù)采集和展示，云平臺(tái)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合和資源存儲(chǔ)，由此解決了終端設(shè)備處理能力不足、存儲(chǔ)容量有限的缺點(diǎn)。

通過功能模塊劃分，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界和虛擬場(chǎng)景的結(jié)合，能夠提升電力運(yùn)行的自動(dòng)化和智能化，有效提高工作效率。

在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，存在以下難題：

首先，交互模式的無縫切換。作為輔助操作手段，根據(jù)不同場(chǎng)景中的工作環(huán)境，動(dòng)態(tài)選擇一種交互模式。舉例來說，在光線較差的場(chǎng)景中首選語音交互，次選為姿態(tài)交互；在嘈雜環(huán)境中，首選姿態(tài)交互。其次，雙向操作理念。利用各種交互模式，在同一個(gè)工作場(chǎng)景中，遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)的工作人員之間可彼此進(jìn)行交互，共同完成任務(wù)。例如當(dāng)遠(yuǎn)程觀察時(shí)，旋轉(zhuǎn)頭部，選擇視場(chǎng)，通過姿態(tài)交互完成放大和縮小。其中相應(yīng)的硬件需要進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，并通過軟件輔助判定。

其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在顯示方式、交互體驗(yàn)和顯示效果方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可顯著提高三維模型和實(shí)體設(shè)備的分析能力。但當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的識(shí)別跟蹤研究領(lǐng)域，受環(huán)境因素（例如光強(qiáng)、角度）的影響較大，如何確保全天候正確識(shí)別和虛擬模型的合理自然疊加，尚有待進(jìn)一步研究。

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Integrated Solution of Power System Cloud Platform Based on Augmented Reality

HE Shuang-bo, LI Jun-feng, LIU Xiao, HAO Teng-fei, FENG Wei-xia, HAUNG Cheng-yun

510520,

In order to realize the automation and intellectualization of power grid operation in power enterprises and enhance the comprehensive solution based on augmented reality (AR), a comprehensive solution based on AR power system cloud platform is studied and designed. Power system solutions include equipment inspection, emergency repair, equipment maintenance and power line patrol operations. A complete human-hardware-software paradigm is formed by using AR head-mounted smart devices, portable smart sensors, and audio images. To combine the characteristics of power system operation site, the proposed system improves the field operation mode, mainly through interactive collaboration such as terminal multiple-dimensional display, background data fusion, custom service and so on. In the implementation of some electric power enterprises, the proposed system can provide a comprehensive solution based on AR to the grid site, which has better automation and intelligence.

Power system; augmented reality; smart devices; cloud platform

TP391

A

1000-2324(2019)03-0477-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.026

2018-03-01

2018-04-13

何雙伯(1983-),男,碩士研究生,工程師,主要從事電力系統(tǒng)與自動(dòng)化工作. E-mail:heshuangbodada@163.com