增強現實技術在核電廠應用中的局限及解決方案

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

目前，核電廠的就地運維和檢修工作因為缺乏可將電廠參數、房間信息、通道信息、設備信息等重要信息呈現給運維人員的集成平臺，導致核電廠存在人員誤入危險區域，誤入冗余通道的房間及誤操作冗余通道設備等潛在風險。同時，就地運維人員通過一次側表計的讀數來對設備狀態進行評估，其設備巡檢及維修的效率也存在瓶頸。上述問題均可歸結為就地維修人員對現場工作環境實時認知的缺失，為核電廠運維增加了一定的安全隱患。

增強現實技術（Augmented Reality，縮寫AR）作為當前最先進的交互技術之一，可通過將虛擬和現實“無縫”集成的方式，一定程度上解決就地維修人員對現場工作環境的實時認知缺失問題。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，將現實世界難以實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，使真實和虛擬兩種信息相互補充、疊加，具有實時交互性。該AR 技術可通過將運維人員所需的重要信息，通過增強現實設備疊加展現在數據相關設備周邊的方式，支持運行人員對設備的監測、調試和檢修活動，增強工作人員對電廠狀態、設備狀態、維修步驟及安保防護等方面的認知，提升核電廠安全、可靠及經濟性，有必要將增強現實技術與電廠運維緊密結合。

AR 技術于20 世紀60 年代[1]提出以來，經過長時間的技術發展及積累，已成功在商業、醫學、教育及工業領域得到使用。由于核電廠安全冗余設備數量大、系統復雜、系統間關聯緊密等原因，引入AR 技術尚存在一些局限，本文將介紹核電廠AR 技術應用的局限及解決方案。

1 AR技術的工作原理

AR 技術是將計算機產生的虛擬物體或其他信息合成到用戶感知的真實世界中的一種交互式的可視化技術，它是對真實世界的補充[2]。

AR 技術的原理是通過攝像機識別現實場景中的物體后，利用空間注冊技術計算虛擬信息在基于現實場景的坐標系中的位置后，將虛擬信息通過AR 組件（如AR 眼鏡、移動手機或平板電腦等設備）顯示在真實場景中。

AR 技術工作原理分為四步[3]：

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

2）空間定位及注冊：通過計算機虛擬世界與真實場景坐標系的對應關系，將虛擬信息按照正確的空間透視關系疊加到真實場景的準確位置，并確保用戶移動不會造成虛擬信息的抖動與扭曲。

3）場景融合繪制：根據真實場景三維信息繪制虛擬信息，將真實場景與虛擬信息進行融合，確保虛擬信息穩定顯示。

4）增強信息顯示：將虛擬信息在AR 組件設備上進行顯示。

2 AR技術在核電廠應用中的局限

核電廠就地環境的一些特殊性影響著AR 技術在核電廠的應用，主要影響AR 技術中的場景信息獲取與空間定位及注冊。AR 技術在核電廠應用中的主要局限有下述幾點。

2.1 網絡信號屏蔽

目前市場上已投入商用的AR 設備均需連接網絡，通過網絡實時進行設備定位，達到需增強顯示的模型或數據可通過AR 設備持續穩定顯示，不出現抖動或遮擋現象。而核電廠就地環境由于以下3 點原因，很難部署全范圍覆蓋的網絡且保證網絡信號良好：

1）就地環境較寬闊，需部署多個網絡基站。

2）特殊鋼筋水泥造成的網絡信號削弱及屏蔽。

3）大量冗余設備及輻射造成的電磁兼容性會造成大量信號噪音。

在無法連接網絡信號的情況下，AR 設備無法做到精確的設備定位。

2.2 大量冗余設備

核電廠為確保其安全性，保證任何工況下電廠均能安全運行，故設置了大量的冗余房間、冗余通道、冗余設備。這些房間、通道、設備在外觀上的一致性，導致AR 設備很難通過常用的基于自然特征的跟蹤注冊方法，實現設備識別及空間跟蹤注冊。

2.3 數據來源復雜

核電廠的電廠參數作為決策過程中最重要的參考，在完成電廠各項任務中均需靈活調用。但核電廠考慮到其安全性，電廠參數不僅數據量龐大且數據來源于不同系統，在執行任務過程中存在需從不同系統中調用數據的情況。數據來源復雜導致AR 設備無法進行所有電廠參數的實時傳輸及存儲。

3 AR技術在核電廠應用中的解決方案

3.1 設備識別解決方案

上述2.1 及2.2 中描述的AR 技術在核電廠應用中的局限均導致設備識別困難，其原因為在核電廠中空間定位和空間注冊相對困難。

AR 技術中最重要的技術即為空間定位與空間注冊技術。空間定位是數字化映射的基礎，通過定位，可將相關虛擬信息精準疊加到真實環境中所需位置，而不會出現虛擬信息顯示錯位的情況。而空間注冊，可將計算機生成的虛擬物體和真實環境中的景象“對齊”。空間注冊需確定虛擬物體與用戶間的關系，通過正確的幾何投影將虛擬物投影到用戶視野中。空間注冊目前較為先進及穩定的方法是基于同步定位與地圖重建的方法，而空間定位技術則存在許多方案及提升空間。

目前，市場上增強現實設備使用的空間定位往往通過GPS 定位系統或通過Wi-Fi 或UWB 定位基站的方式進行空間定位，但考慮到核電廠的特殊環境及安全性要求，上述兩種空間定位方式均不可直接應用于核電廠廠內定位，其原因如下：

1）GPS 定位系統：GPS 定位系統由于誤差在幾十米左右，很難運用于電廠環境中，因為幾十米的定位誤差很容易定位錯房間或廠房，使得人員定位系統無法發揮其作用。

圖1 離線室內定位及注冊系統架構Fig.1 Off line indoor space position and registration system architecture

2）通過Wi-Fi 或UWB 定位基站進行定位：精準的人員定位系統需要較好的網絡環境，需要在整個廠區中安置大量Wi-Fi 或UWB 定位終端或設備。然而，核電廠由于存在信號屏蔽和電磁兼容性等問題，無法確保在廠區所有位置的全覆蓋，并提供長期和持續良好的網絡環境。即便要實現也需要投入大量的設備成本，這一致命問題導致常用的精準定位系統無法在核電廠使用。

綜上所述，目前市場上尚缺乏滿足核電廠內特殊環境的室內定位方法和技術，在達到高精度的同時，集中解決定位系統的穩定性與魯棒性。

離線室內定位及注冊系統的搭建可滿足在核電廠特殊環境中達到定位及注冊的高精度、高穩定性及高魯棒性的目標，通過對于核電廠目標廠房內的空間掃描地圖構建，獲取視覺相機在廠房內的坐標信息，提供給AR 設備進行后期的空間注冊功能。

離線室內定位及注冊系統的原理如圖1 所示。該系統通過多傳感器融合的空間掃描和空間定位組件處理視覺與慣性接連數據，實時提供支持AR 設備空間定位及空間注冊的六自由度姿態定位信息并通過一次掃描離線生成可視化稀疏點云，通過UDP 的通訊方式輸出給AR 設備端。在AR 設備就地應用中，空間定位設備利用基于視覺的同步定位與地圖重建技術，同時參考預先由點云和三維模型對比建立的離線地圖獲取實時的位置信息，AR 設備參考當前所在位置，向數據服務器請求周邊的相關模型數據以及實時數據點。最終，AR 設備將展現包含靜態設備信息以及實時動態數據在現場的混合疊加視野。

該定位系統將定位設備與AR 的靈活性、便攜性與易操作性融入解決方案，提供一套基于分析環境不確定性、精確建模和多傳感器融合的室內空間定位系統，僅需在首次使用前對整個場景進行掃描建立點云模型即可，不依賴于無線網絡，無需在廠內增加Wi-Fi 或UWB 定位基站。

3.2 數據交互解決方案

圖2 OPC通信過程Fig.2 OPC Communication process

為解決上述2.3 中描述的數據來源接口不一致的問題，可采用OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）通訊的方式。OPC 是一套集信息模型定義，服務集與通訊標準為一體的標準化技術框架。同時，隨著《OPC統一框架》國家標準的發布，OPC 也成為了“工業4.0”實現標準化的基石，選擇OPC 統一數據接口符合國家標準。AR 設備可通過OPC 通訊的方式與核電廠內來自各個不同系統的實時數據、歷史數據進行傳輸及交互。

核電廠的儀控設備或仿真儀控設備，通過OPC DA3.0接口提供實時數據點，通過以下手段將數據綜合到一起并提供云端的實時數據服務，OPC 通信過程如圖2 所示。

首先，在各個實時數據來源系統中部署OPC 執行服務（OPC Daemon），該服務只用來執行最終OPC 讀寫查操作。對于數據點的訂閱，使用組播方式發放給數據管理器，實時數據管理器負責與各個OPC 執行端建立數據連接，按照用戶請求進行按需數據查詢以及周期性數據查詢，執行數據點清單的定期更新，建立歷史數據緩存機制。為了提供高可用性，實時數據管理器可以建立高可用性集群，所有集群公用一個可擴展的額存儲中心，通過離散數據索引，保證數據緩存的完整性。實時數據的歷史數據使用RPC 方式對外提供服務。服務層面使用輪詢或者其他動態負載均衡手段暴露出訪問接口（HTTPS），通過建立SaaS 服務部署模式，提供給AR 設備進行數據訪問。

在數據處理方面，PDS 數據先被展開成多個設備，而后按照用戶定制的綁定規則自動或者由用戶手動將實時數據點綁定到設備上，使得實時數據點與設備建立多對多關系。當用戶從現場的設備中獲取有效的定位信息，利用定位信息查詢到設備模型后，將自動查詢設備模型的綁定數據點。通過聯動實時數據服務，數據點的實時數據、歷史數據開放給現場設備的信息顯示端。

4 結束語

隨著AR 技術硬件的快速發展，AR 設備將具有更強的便攜性與續航能力。同時，隨著AR 技術軟件的快速發展，虛擬信息將趨于真實，提高虛擬信息的真實感及沉浸感。AR 技術可以輔助核電廠使龐大數據打破空間限制，隨時隨地進行顯示及交互。

本文中提出基于現有技術能力且針對核電廠就地環境的離線室內空間定位和注冊方案及針對核電廠來源復雜的數據交互方案，可推進AR 技術在核電廠中的應用，同時應繼續關注與研究更高效的技術和方案，提升AR 技術在核電行業的實用性。