基于AR技術(shù)的遠(yuǎn)控運(yùn)維技術(shù)

劉麗麗

摘? 要：相較于二維平面空間畫(huà)面，三維空間模型具有更直觀的表現(xiàn)力。文章提出一種基于AR技術(shù)的遠(yuǎn)控運(yùn)維技術(shù)，通過(guò)將變電站站內(nèi)環(huán)境在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中呈現(xiàn)出來(lái)，讓遠(yuǎn)程運(yùn)維人員達(dá)到一種“身臨其境”的感覺(jué)。通過(guò)該技術(shù)，將三維虛擬現(xiàn)實(shí)和遠(yuǎn)程運(yùn)維控制結(jié)合起來(lái)，縮短空間距離，形成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)交互的“運(yùn)維村”。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);遠(yuǎn)控;運(yùn)維

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0155-02

Abstract： The three-dimensional model has a more intuitive expression than a two-dimensional planar space picture. This paper proposes a remote control operation and maintenance technology based on AR technology. By presenting the environment inside the substation station in the virtual reality space， the remote operation and maintenance personnel can "achieve an immersive" feeling. Through this technology， 3D virtual reality and remote operation and maintenance control are combined to shorten the space distance and form a "operation and maintenance village" of virtual reality interaction.

Keywords： AR technology; remote control; operation and maintenance

引言

AR（Augmented Reality）同VR（Vitual Reality）都具有明顯的虛擬性特征，主要區(qū)別在于，AR基于現(xiàn)實(shí)而產(chǎn)生虛擬影像，而VR卻要求產(chǎn)生一個(gè)完全虛擬的世界[1]。基于AR技術(shù)生成各個(gè)變電站的三維視圖，便于運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。

遠(yuǎn)動(dòng)是應(yīng)用通信技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)方的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程信號(hào)、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)等各種功能。南平地區(qū)變電站分布稀疏，考慮到各個(gè)變電站中通信設(shè)備的特點(diǎn)以及成本預(yù)算，如果可以對(duì)狀態(tài)量遠(yuǎn)程監(jiān)控并且可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，可減輕運(yùn)維人員一定的負(fù)擔(dān)。

1 AR技術(shù)

AR是通過(guò)3D建模模擬現(xiàn)實(shí)世界，其目標(biāo)是采用如光電顯示技術(shù)、可視化和交互技術(shù)等[2]技術(shù)，產(chǎn)生用戶(hù)所需的虛擬對(duì)象，該對(duì)象不一定存在于現(xiàn)實(shí)中。另外，還可以通過(guò)注冊(cè)技術(shù)將虛擬對(duì)象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境無(wú)縫結(jié)合，讓用戶(hù)在真實(shí)和虛擬之間進(jìn)行交互。

1.1 AR技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 三維注冊(cè)

三維注冊(cè)在AR技術(shù)中的應(yīng)用主要包含以下兩個(gè)方面[3]：

（1）攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)：通過(guò)將現(xiàn)實(shí)世界中各個(gè)物體的位置進(jìn)行多維數(shù)據(jù)化，以確認(rèn)其在待注冊(cè)場(chǎng)景中的位置。

（2）跟蹤注冊(cè)技術(shù)：目的在于還原真實(shí)場(chǎng)景中物體移動(dòng)所產(chǎn)生的位置信息變化。這種虛擬位置信息的變化主要通過(guò)跟蹤攝像頭中對(duì)象的位置、移動(dòng)速度以及狀態(tài)等方法實(shí)現(xiàn)。

1.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)融合顯示

虛擬現(xiàn)實(shí)融合可理解為通過(guò)模擬人眼的視差效應(yīng)將虛擬信息和現(xiàn)實(shí)信息相疊加并顯示在屏幕上，主要采用圖像融合技術(shù)。現(xiàn)實(shí)對(duì)象的位置和角度信息可通過(guò)機(jī)器視覺(jué)獲得，虛擬對(duì)象的信息需要通過(guò)特定目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

1.1.3 人機(jī)交互

在虛擬現(xiàn)實(shí)融合的新環(huán)境中，打造“沉浸感”，讓用戶(hù)實(shí)現(xiàn)信息交互。

1.2 基于Unity3D平臺(tái)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

Unity3D可讓用戶(hù)輕松的創(chuàng)建建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等，是一個(gè)綜合的、層級(jí)式的3D開(kāi)發(fā)環(huán)境[3]。這三維空間環(huán)境需要攝像機(jī)作為窗口展現(xiàn)，用戶(hù)也是通過(guò)攝像機(jī)這個(gè)窗口才能實(shí)現(xiàn)沉浸式、真實(shí)感的人機(jī)交互。

2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的概念

遠(yuǎn)程控制是管理人員采用合適的信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)端對(duì)象設(shè)備進(jìn)行控制操作，該對(duì)象可以是電網(wǎng)、流域水電站等物理系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：基于無(wú)線電的遠(yuǎn)程控制;基于有線的遠(yuǎn)程控制，比如公用電話、專(zhuān)用線路等。

遠(yuǎn)程控制需要實(shí)時(shí)監(jiān)控才能有效觸發(fā)控制信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控分為三類(lèi)[4]：（1）對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控：對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)或者遠(yuǎn)程桌面控制等，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控效果;（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控：被動(dòng)的監(jiān)視系統(tǒng)，采用攝像頭云臺(tái)。多用于酒店、銀行等系統(tǒng)監(jiān)控方面;（3）對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控：主動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)，多用于電力、機(jī)械生產(chǎn)等方面。

2.2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力調(diào)度系統(tǒng)中，“四遙”功能是極其重要的遠(yuǎn)程控制技術(shù)[5]，即遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)。

（1）遙測(cè)：遙測(cè)值可以是變電站內(nèi)的交流電流、電壓功率、頻率等電氣運(yùn)行信息。整站的遙測(cè)量采集可通過(guò)掃描周期采集，生成運(yùn)行報(bào)表;也可通過(guò)對(duì)遙測(cè)量設(shè)定閾值，如果兩次測(cè)量值相差大于閾值，則更新運(yùn)行報(bào)表。

（2）遙信：遙信是針對(duì)狀態(tài)量的傳送，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、刀閘狀態(tài)、一次設(shè)備告警信號(hào)等。其采集是通過(guò)光耦二極管實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息上傳至監(jiān)控后臺(tái)。

（3）遙控：主控端發(fā)布命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控端合上或斷開(kāi)某個(gè)開(kāi)關(guān)或刀閘等操控。

（4）遙調(diào)：遙調(diào)是監(jiān)控后臺(tái)需要測(cè)控裝置發(fā)布變壓器分接頭調(diào)節(jié)命令。一般來(lái)說(shuō)，遙調(diào)對(duì)可靠性的要求程度不如遙控。

2.3 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

目前，遠(yuǎn)程控制普遍采用客戶(hù)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模型，監(jiān)控方為客戶(hù)端，被監(jiān)控的物理系統(tǒng)所集成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為服務(wù)器模式，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控采用攝像機(jī)，控制命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送。服務(wù)器程序安放在被控制的計(jì)算機(jī)端，客戶(hù)機(jī)程序安裝在控制端[6]。

3 基于AR技術(shù)的遠(yuǎn)控運(yùn)維

遠(yuǎn)控運(yùn)維可采用就地或遠(yuǎn)地控制，功能模塊圖如圖1所示。

現(xiàn)有遠(yuǎn)控運(yùn)維技術(shù)，其核心技術(shù)偏向于“四遙”，通過(guò)云攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，傳遞給運(yùn)維人員后，由運(yùn)維人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維。整個(gè)遠(yuǎn)控運(yùn)維技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：

（1）視頻信息作為二維畫(huà)面，無(wú)法切實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)狀況。

（2）視頻的清晰度、畫(huà)面涵蓋的內(nèi)容有限，需要結(jié)合其他遙測(cè)、遙信信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，效率低。

（3）操作方式不夠直觀。

通過(guò)引進(jìn)AR技術(shù)，將南平地區(qū)各個(gè)變電站真實(shí)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)視頻采集現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，生成現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景各個(gè)物體的虛擬位置。并且，通過(guò)視頻監(jiān)控信號(hào)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化量，將變化量實(shí)時(shí)傳遞到AR場(chǎng)景中，促使其產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的變化，從而達(dá)到構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)目標(biāo)。

與此同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程技術(shù)獲取的各類(lèi)電氣運(yùn)行信息及各類(lèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)等數(shù)據(jù)，也可通過(guò)AR技術(shù)實(shí)時(shí)顯示在虛擬場(chǎng)景中。并可按照預(yù)先設(shè)置的程序，對(duì)場(chǎng)景中發(fā)生的重要事件進(jìn)行視覺(jué)銳化提醒，如：連續(xù)多測(cè)測(cè)量值超閾值、現(xiàn)場(chǎng)用電等。甚至在虛擬場(chǎng)景中，可以極方便的調(diào)用各設(shè)備的故障記錄、運(yùn)行報(bào)表等，無(wú)需在操作臺(tái)上進(jìn)行重復(fù)比對(duì)，加強(qiáng)了作業(yè)效率。

AR的實(shí)現(xiàn)基于Unity3D平臺(tái)，通過(guò)搭建好的虛擬空間作為遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的平臺(tái)。其核心問(wèn)題是如何在虛擬場(chǎng)景中操作現(xiàn)實(shí)環(huán)境，達(dá)到遠(yuǎn)程運(yùn)維的目的。現(xiàn)有的人機(jī)交互技術(shù)，則為我們提供了一個(gè)行之有效的辦法。人機(jī)交互技術(shù)強(qiáng)調(diào)用戶(hù)在真實(shí)與虛擬環(huán)境中獲得信息交互。例如設(shè)置工作臺(tái)，通過(guò)在工作臺(tái)上進(jìn)行操作，將信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)程控制端，達(dá)到在虛擬場(chǎng)景中輸出控制信號(hào)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，電力通信系統(tǒng)中已鋪設(shè)專(zhuān)用光纜，具有較成熟的規(guī)模，有效地實(shí)現(xiàn)有線遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的逐步實(shí)現(xiàn)，其將對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)一個(gè)源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務(wù)一條線”，對(duì)外廣泛連接內(nèi)外網(wǎng)、上下游資源和需求，進(jìn)一步結(jié)合AR技術(shù)的推廣應(yīng)用，變電站真實(shí)環(huán)境建模將更加細(xì)具化、易操控，也能提高不同變電站之間緊密性，極大地縮短故障運(yùn)維成本及時(shí)間，具有廣闊的前景。

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