基于AR的用電檢測遠程指導系統設計

傅望 李楷 劉克恒 謝焰 青志明 王立宗

摘 ? 要：在防竊電用電檢測過程中，由于現場線路環境復雜、設備差異大，同時，作業人員對檢測工具的掌握參差不齊，影響了檢測效率和質量。傳統集中培訓的方式受時間場地的影響，主要培訓典型問題的處理，而作業過程中遇到的新問題不能實時得到指導。文章利用AR技術，實時推送現場線路構造及設備3D模型，使作業人員快速掌握現場情況，當遇到復雜問題時，也可實時與后臺專家進行交互，快速解決問題，提高防竊電檢查的效率和質量。

關鍵詞：增強現實;防竊電;用電檢測;可穿戴

1 ? ?用電檢測遠程指導系統設計的必要性

由于利益的驅動，竊電行為在我國層出不窮，竊電方法也越來越具有隱蔽性和科技性[1]。隨著我國智能電網的建設，對竊電行為的檢測也趨于智能化，可以通過對用電大數據的智能化分析準確判斷用戶的異常用電行為，再由現場作業人員進行排查、核實。但在現場排查過程中可能遇到的一系列問題，將導致排查、檢測的結果并不理想，影響竊電檢測效率和質量，主要困難包括：

（1）竊電行為具有隱蔽性和間斷性。竊電用戶采用高科技手段進行竊電，且竊電行為經常發生在夜間，工作人員難以發現。

（2）現場線路環境復雜。作業人員需要熟悉該片區線路設計才可進行竊電檢測，對不熟悉的現場需要即時查閱相關圖紙，影響檢測效率。

（3）用電設備差異化大。由于歷史原因，我國存在大量不同批次、不同類型、不同廠家的用電計量設備，用電檢查的方法不盡相同，要求作業人員掌握所有設備的操作要領比較困難。

（4）在現場用電檢查過程中，對檢查方法步驟的掌握和對檢測工具使用的熟練程度也會影響檢測質量和效率，受培訓時間影響，員工對檢測方法和工具使用的掌握程度也參差不齊。

（5）在現場作業過程中，當遇到比較復雜問題時，傳統方法是通過電話聯系由專家指導解決，但專家不能實時、準確地了解現場情況，影響檢測效率。

基于上述問題，本文提出基于可穿戴增強現實（Aug-mented Reality，AR）的用電檢查遠程指導系統，在解放雙手的情況下將現場線路及設備的3D模型實時投射到可穿戴眼鏡上，使作業人員能實時查看布線情況和設備構造，利用動畫、語音等提示操作步驟，為規范操作規程、提高檢測效率提供了有力的支持。另外，當遇到比較復雜的問題時，也可通過可穿戴眼鏡的攝像頭，將現場第一視角圖像實時傳送給后臺專家，使后臺專家及時，準確地了解現場情況并進行指導，有效解決了復雜問題;在檢測過程中，也可通過便攜攝像頭攝錄作業過程，為后續的調查取證提供材料，也為集中式培訓提供了教學案例。

2 ? ?AR技術

AR技術通過構建全三維、交互式的場景，將虛擬信息疊加在真實的世界中，可穿戴AR設備讓使用者的視野顯示出現實世界不能顯示的內容，特別適用于電力現場作業。在電力現場作業時，通過可穿戴AR設備，現場作業人員可實時獲得現場設備的各種隱含信息并疊加到實際設備中，如接線說明、設備參數、檢查歷史等（見圖1）。也可以將采集的設備狀態數據實時上傳后臺，后臺進行信息的分析、處理，如果發現問題和缺陷，通過AR設備實時推送給作業人員，協助完成故障排查。

AR技術具有虛實結合、實時交互、三維配準3個特征[2]，其中，虛實結合要求AR技術能夠將虛擬信息疊加、融合進現實環境，同時要求虛擬信息在現實場景中具有真實的存在感和位置感。因此，需要利用各種傳感或攝像設備對現實世界中的信息進行采集，利用采集的信息進行建模。AR設備與環境和用戶之間的交互對時延要求較高，數據采集與處理并做出相應的操作需要在極短時間內完成，否則會產生失真感，嚴重時還可能導致眩暈等不良生理反應。AR設備通過計算配準模型在現實空間的位置與姿態，實現與顯示世界的準確疊加，疊加過程需要協調多個設備進行大量的運算，因此要求AR后臺需要強大的運算能力。可考慮采用分布式處理方式以應對來自環境與用戶的海量數據。

3 ? ?系統結構

本系統主要包括：可穿戴AR安全帽、傳輸網絡、3D模型庫等部分，系統結構如圖2所示。

3.1 ?可穿戴AR安全帽

在用電檢測作業過程中，作業人員需要攜帶大量設備，不利于工作開展。系統將AR設備集成到安全帽中，有利于解放作業人員雙手，信息投射到眼鏡上查看更為方便、準確。具體設計以防竊電檢查過程中的場景為參考，創建對應的操作模型，包括：設備識別、信息展示、語音交互、現場拍照、視頻錄制傳送等功能[3]。

3.2 ?無線傳輸網絡

在用電檢查作業過程中，需要將設備信息及3D模型數據實時投射到AR眼鏡顯示設備中，同時需要將采集的視頻圖片數據傳送到后臺進行分析和專家指導，因此，要保證數據傳送的時延較小。在防竊電用電檢查作業時，一般不具備穩定的WiFi環境，需要借助4G或5G網絡進行傳輸，目前5G尚不普及，主要依靠4G網絡。為了達到理想的傳輸效果，需要對傳輸的數據內容進行優化，在保證時延低的情況下實現較高的圖片、視頻質量[4]。

3.3 ?后臺建模及分析

為了實現在AR眼鏡中呈現設備及線路信息模型，需要提前將現場設備及線路進行建模，檢測流程和工具使用步驟也需要進行過程模型的建立。因此，后臺建模是AR系統能否實現的前提條件，建模的工作量巨大，應考慮使用傳統的Unity3D技術建模的同時，利用3D深度鏡頭實現設備快速建模。

根據現場采集圖片，自動分析判斷設備缺陷，及時提醒作業人員進行排查，遇到復雜問題也可連線相關專家，進行在線指導作業，提高檢測效率。

4 ?在防竊電中的應用

4.1 ?作業信息獲取

在進行電力防竊電檢查過程中，作業人員佩戴AR設備，通過圖像識別技術快速識別現場設備和作業場景，系統從后臺獲取對應現場設備和線路情況的信息，利用可穿戴設備的光學顯示器將多種信息疊加到現實世界，也可根據需要隨時調閱相關資料，提高檢修效率[5]。

4.2 ?規范作業流程

在使用檢測工具進行檢查作業時，將已經建立的操作過程模型投射到可穿戴AR設備中，提示作業人員工作流程、工具使用的步驟，進一步規范作業過程，提高工具利用效率以及作業質量。

4.3 ?遠程專家指導

在檢測作業過程中，如遇到復雜問題需要設備廠商或專家進行指導時，作業人員可將現場圖像及語音實時傳送給技術人員或專家，使后臺專家能夠以第一視角查看現場情況，及時推送相關資料并提供作業指導，快速解決問題，克服了傳統手機、對講等對現場描述不清的問題。

4.4 ?作業過程取證

檢查作業既是作業過程也是取證過程。傳統的取證方式僅是圖片記錄，無法對作業過程進行監督，導致取證數據的可信度降低。采用可穿戴AR設備進行作業，并記錄過程，在規范作業的同時獲取第一視角的記錄，具備可信性，為后續作業考核和竊電行為等提供依據。

5 ? ?結語

目前，AR技術趨于完善，AR設備層出不窮，已經具備現場實施的基本條件。將便攜AR設備應用到電力設備檢查作業中，有利于作業人員對現場設備信息的快速了解，規范作業步驟、熟練掌握檢查工具的使用，進而提高工作效率。以第一視角進行視頻采集既可提供給遠程專家進行作業指導，同時也可對作業過程進行監督和取證，為電力檢查作業帶來極大便利。

[參考文獻]

[1]李怡璇.反竊電培訓系統中虛擬現實關鍵技術的研究[D].北京：華北電力大學，2018.

[2]李忠魁，鄺石，楊富磊，等.基于增強現實（AR）技術的輸電線路多場景巡視研究[J].內蒙古科技與經濟，2019（19）：88-90.

[3]謝維兵，敬勇，劉敏，等.增強現實（AR）技術在電網培訓中的運用[J].重慶電力高等專科學校學報，2018（1）：43-45.

[4]劉啟才.可穿戴AR單兵系統在電力檢修工作現場的應用[C].無錫：生態互聯數字電力—2019電力行業信息化年會論文集，2019.

[5]李軍鋒，何雙伯，馮偉夏，等.電力設備智能巡檢中增強現實（AR）技術的應用研究[J].電工技術，2018（3）：96-97.

Abstract：In the detection process of electricity anti-theft， due to the complex line environment， large differences in equipment， and the uneven control of detection tools by operators， the detection efficiency and quality are affected. The traditional way of training is affected by time and place. It mainly deals with the typical problems of training， but the new problems encountered in the process of operation cannot be guided in real time. In this paper， AR technology is used to push real-time on-site line construction and equipment 3D model， so that operators can quickly grasp the on-site situation. When encountering complex problems， they can also interact with backstage experts in real time， solve problems quickly， and improve the efficiency and quality of anti stealing inspection.

Key words：augmented reality; electricity anti-theft; electricity detection; wearable