增強現實技術在核電廠運維場景中的應用研究

馬玥竹，桑 瑋

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

0 引言

增強現實（Augmented Reality，縮寫AR）是在虛擬現實的基礎上發展起來的一種將虛擬和現實“無縫”集成的新技術。AR 結合了計算機圖形圖像技術、空間定位技術、可視化技術以及交互技術，可在展現真實物理環境信息的同時，將現實世界難以呈現的輔助虛擬數據信息通過增強現實設備疊加顯示在真實物理環境中，真實和虛擬兩種信息可通過增強現實技術相互補充、疊加。AR 技術隨著移動智能設備的發展和普及，從20 世紀60 年代[1]開始經過長期技術積累，目前已可用于商業領域和工業領域。

從2015 年，中國國務院正式印發《中國制造2025》以來，“中國制造2025”和“工業4.0”的發展理念在各個工業領域得到廣泛應用，這對最先進的核電三代堆型的發展提出了更高的要求：其技術發展應具有時代特征，充分吸納最先進的理念和技術，提高先進性，形成強勁國際競爭力。AR 作為近年來最先進的科學技術之一，與核電運維相結合，可提升運維人員對可達空間的認知能力，輔助就地運維人員在就地現場進行工作，提升核電廠安全性和經濟性。

本文將介紹AR 的相關概念和一些關鍵技術，并列舉出其可運用于核電廠運維場景中的應用。

1 AR相關概念和技術

1.1 AR的定義

目前被廣泛接受的AR 定義[2]如下：滿足虛擬和現實、實時交互及空間注冊3 個條件即屬于AR。

實現AR 技術需要基于特定的硬件組件，目前市場上的AR 硬件種類很多，其中較為成熟的AR 硬件可分為以下三大類：

1）頭戴式設備，例如：微軟的HoloLens、谷歌的Google Glasses 和Facebook 的Oculus Rift 等。

2）手持式設備，例如：手機和平板電腦等。

3）空間顯示設備，例如：通過定點全息顯示等方式將虛擬影像投影在現實場景中。

考慮到在核電廠運維中引入AR 技術，主要看中其便攜性與可移動性，故本文的討論范圍在滿足AR 定義的基礎上，需附加滿足可穿戴性這一要求，上文中提出的空間顯示AR 硬件設備由于不具備可穿戴性，故不在本文的討論范圍中。

1.2 AR的關鍵技術及發展現狀

目前AR 系統的基本實現過程分為四步[3]：

1）場景信息獲取：對需要進行增強現實的場景進行掃描，識別場景中的重要物項。為跟蹤注冊技術的實施提供所需場景信息。

2）對場景信息跟蹤注冊：定位場景中的重要物項，確保虛擬物項定位在準確位置，在用戶移動過程中始終保持虛擬物項的定位準確。

3）場景融合繪制：將真實物理場景與虛擬物項進行融合，確保虛擬物項穩定顯示無遮擋。

4）增強信息顯示：將虛擬物項在增強現實硬件設備上進行顯示。

根據上述AR 技術的實現過程可以看出AR 的關鍵技術分為識別技術和跟蹤注冊技術。

1.2.1 識別技術

識別技術是真實環境與虛擬環境交互的重要環節，通過識別，增強現實技術可在數據庫中提取相應的虛擬信息進行疊加，而不是將所有信息混亂地進行疊加。

目前成熟的識別方法有：外觀識別、射頻識別和條碼識別。3 種方法各有優劣，具體比較詳見表1。

表1 識別方法比較表Table 1 Comparison between object recognition methods

表2 跟蹤注冊方法比較表Table 2 Comparison between track recognition methods

1.2.2 跟蹤注冊技術

跟蹤注冊技術確保了虛擬場景與真實場景保持精確的“對齊”關系，實現虛擬與真實場景的完美結合。跟蹤注冊技術分為注冊、跟蹤兩部分：

注冊：將虛擬場景顯示在現實世界準確位置的定位過程。

跟蹤：在注冊過程中需要系統從當前場景中獲得真實空間的實時數據，包括用戶位置、用戶運動情況、觀察角度等來決定如何按照用戶的當前視角重新建立坐標并將虛擬物體顯示到正確位置。

目前發展較為成熟的跟蹤注冊技術有4 種實現方法：基于傳感器的跟蹤注冊方法、基于標識的跟蹤注冊方法、基于自然特征的跟蹤注冊方法及基于混合的跟蹤注冊方法[4]。4 種方法各有優劣，具體比較詳見表2。

2 AR與核電運維的結合

2.1 AR與核電運維結合的意義

在核電運維場景中，就地巡檢和就地維修是兩項非常重要的環節，就地操縱員需對各種設備進行定期和不定期的巡檢，若發現設備故障需及時進行維修。

最初，核電廠就地操縱員采用的巡檢方式是攜帶列有巡檢任務的紙質工作單進行巡檢，并在工作單上記錄巡檢結果，在巡檢完成后攜帶工作單返回，并在工作電腦上進行入庫。在此過程中，因為沒有信息終端設備的參與，無法將巡檢信息的采集自動化存入數據庫。目前，雖核電廠已引入巡檢儀等信息終端，使得運維人員在巡檢和維修過程中可快速讀取及記錄數據，但由于巡檢儀顯示空間有限，無法呈現大量設備動態信息。同時，在設備維修過程中，由于無法同時觀察到所需動態信息，往往需要確認多個表計的讀數。上述過程不僅耗時耗力，同時還容易增加人因失誤，如：人員誤入危險區域、誤入冗余通道的房間及誤維修冗余通道的設備、記錄錯數據、未及時記錄數據等。

單就核電運維場景中巡檢和檢修這兩項日常工作即可看出，核電運維場景急需移動式的數據可視化系統來提升核電廠運維的安全性及效率。AR 可以完美實現移動式數據可視化系統，故有必要將增強現實技術與電廠運維緊密結合。

由于本文討論重點圍繞于AR 的便攜性給核電廠運維帶來的便捷，故本文中的核電廠運維指核電廠就地環境中的運維，涉及的用戶為核電廠就地操縱員。

2.2 AR與核電運維結合的優勢

AR 與核電運維結合可打破核電廠運維的很多固有狀態，為核電廠運維增加更多可能性，AR 與核電廠運維結合最主要的三點優勢如下：

集成系統，提升決策水平：AR 作為一項可移動的數據可視化及互動的技術，不僅可以單獨開發來滿足核電廠的移動數據呈現或遠程互動的需求，同時也可以作為各成熟系統的輔助技術，形成“增強現實+”，即增強現實+成熟系統，使得各成熟系統不再局限在個人電腦端，打破傳統系統運用的空間限制。同時，各成熟系統也可通過AR 整合在同一物理空間中呈現給就地操縱員，可達到就地操縱員可在任何地點隨時調取所需數據的程度。

解放雙手，提高人員效能：由于AR 硬件設備的發展，現已有成熟的可運用于工業場景的AR 眼鏡、AR 頭盔等設備。這些設備使得就地操縱員可以在工作中無需手持設備，而是全身心投入到工作中，提高工作效率。

遠程協作，擺脫空間束縛：AR 的互動性這一特點使得遠程協作成為一種可能，有經驗的就地操縱員可以在無法到達維修現場的情況下，通過實時音視頻以第一視角觀察現場情況，并通過標記及發送文件等方式遠程指導在現場的就地操縱員進行設備維修。

3 AR與核電運維結合的應用場景及技術點總結

3.1 AR與核電運維結合的應用場景

AR 與核電運維結合的應用場景非常豐富，以下為其中較為典型的4 個應用場景。

1）遠程支持

在核電廠大修期間、事故工況下、遇到較為棘手的設備維修問題或需多人進入危險區域的情況下時，均可通過就地人員佩戴的AR 設備遠程連接專家或廠家維修人員等專業人員輔助就地人員進行設備維修。專家可在不到達現場的情況下，通過就地人員的第一視角身臨其境地了解現場真實狀況，并且同時可看到AR 技術疊加在設備旁的設備參數等信息，在線提出維修建議，支持就地人員進行設備的檢修。這一應用可打破空間限制，提高就地人員的檢修效率。

2）遠程監督

對重要維修、驗收活動，要求現場責任人佩戴AR 顯示終端全程進行第一視角記錄，可支持監督管理人員遠程查看，以及數據存檔，達到規范活動實施，提升可追溯性，加強經驗反饋和知識管理的目標。

3）現場助手

就地操縱員在進行維修、巡檢等任務時，可通過AR顯示終端識別現場設備，調用設備基本信息（如編號、型號、廠商等）、操作記錄（如維修更換記錄）、實時狀態、診斷信息，并與物理世界進行疊加呈現，輔助支持現場作業。同時，亦可在AR 顯示終端增設溫度、劑量傳感器，實現環境信息的實時采集及信息的實時可視化，提醒就地人員所處環境的情況，或在需要時提供就地操縱員最優路線并指示就地操縱員按照所給路線行進。該應用可實現全廠數據共享，全范圍動靜態信息呈現，提升就地人員對環境的認知及決策水平。

4）工作票助手

就地人員進行維修、巡檢等任務時，可通過AR 顯示終端隨時查看或逐條完成并確認工作票中的要求，完成工作票要求，就地人員的執行記錄可與電廠工作票系統在線/離線同步。在就地人員執行工作票的過程中，AR 顯示終端可提供輔助信息（設備動態參數、圖冊等）查詢、遠程音視頻協作、音視頻資料記錄等功能。該應用可把就地人員需完成的工單與完成工單所需查看的信息融合在同一AR顯示終端顯示，實現數據同步。同時，該應用也可通過就地人員的AR 顯示終端記錄完成工單過程中的重要步驟并進行存檔，便于日后對工單完成過程進行查看。

3.2 AR與核電運維結合的應用技術點

結合上述AR 與核電運維結合的應用特點，可將其應用技術點歸納為以下4 點：

1）交互控制：包括手勢控制、語音控制等先進交互方式，用以解放雙手。

2）交互數據：包括電廠參數、維修文件等所有核電廠運維所需的動靜態數據。

3）遠程交互：包括實時音視頻、互動白板等技術。

4）定位與識別：包括設備識別、空間定位、空間注冊等技術。

4 結束語

AR 應用隨著AR 硬件的快速發展，在近年來取得了非常大的成果，涉及領域也越來越廣泛。同理“互聯網+”模式，在5G 網絡驅動下，未來“增強現實+”模式結合物聯網形成的數字孿生核電廠必將成為未來“智慧核電廠”發展基石，將各類電廠數據均可通過增強現實技術呈現給核電廠工作人員。后續結合大數據技術，核電廠工作人員對于核電廠整體狀態的認知將高度提升。

但由于核電廠環境的特殊性、系統的復雜性及對安全性的高要求等原因，導致國內外尚未有成熟的AR 應用用于核電廠運維。目前，AR 應用投運于核電廠運維還需克服以下局限：

1） 核電廠特殊環境中AR 技術的應用。如：在核電廠網絡信號屏蔽嚴重的情況下，如何做到AR 顯示終端對于設備的識別與精確定位、核電廠復雜的數據來源如何集成到AR 應用中。

2） 缺少針對核電行業AR 技術應用的標準與規范。

除了上述局限，還需考慮需疊加的虛擬信息的篩選、虛擬信息的疊加密度、疊加位置及疊加方式，使得AR 技術不僅用于簡單的數據展示，同時可大幅提高就地運維人員的效率，減少人因失誤等問題。

AR 技術在核電廠運維中的發展雖還處于初步發展階段，但隨著數字電廠及軟硬件技術的發展，將AR 技術應用于核電廠運維指日可待。