混合現實技術的運檢作業支持系統的研究

國網湖北省電力有限公司檢修公司 趙 然 汪楊凱 李云越 曾宏宇 葉 雷

設備的維護及檢修方法通常以電子文檔的形式進行存儲和記錄，在檢修過程中，運檢人員需提前打印標準化作業指導卡，按照作業指導卡的內容開展檢修工作，然而由于運檢人員的技能水平參差不齊、作業指導卡的內容很難體現和指導現場檢修工藝的實際過程，導致現場運檢效率較低，本文提出采用一種基于混合現實技術的運檢作業支持系統，該系統不僅能夠使運檢人員直觀的了解維護及檢修工作內容，也可以作為維護及檢修過程優化的參考依據。

目前，變電站運檢人員對設備的培訓學習主要通過圖紙、培訓課件、檢修期間設備的解體檢修或者進入設備制造廠來了解設備的結構原理，學習周期較長；在對設備進行檢修或者操作時，運檢人員需對設備結構比較了解，按照標準化作業指導卡上的流程進行作業，每完成一項內容進行打勾確認，然而由于編制標準化作業指導卡的人員素質不一、運檢人員技能水平參差不齊，導致標準化作業指導卡的可參考性較低，工作效率較低。

1 混合現實技術（MR）

混合現實技術（MR）通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。通過 HoloLens 創建并呈現全息圖（Hologram），全息圖可包含聲音，并且可以從 Hologram 所處空間的真實位置發出，通過揚聲器實現。全息圖不僅可以用手勢交互，當你發出語音指令時，也會收到相應的回復，實現交互。如圖1所示。

2 在變電站中的應用設想

利用混合現實技術（MR）的技術特點，通過MR技術在實際設備上實現標準化操作和作業，再把實操實訓和逼真的事故預演結合起來，使運檢人員在知道怎么做的情況下，同時知道什么不能做，積極主動的掌握知識點和技能，以達到技能和安全水平同步提高的目的。

以400V開關和1000kV HGIS開關間隔為例，對復雜的盤柜進行虛擬再現，對盤柜的各個零件進行三維建模，再程序編寫生成一個可以與實際盤柜1:1還原的虛擬盤柜，實現設備內部物理結構仿真，以及設備的虛擬裝備和拆解，正確反映不同狀態。

圖1 混合現實顯示設備圖示

3 實現的預期功能

二維碼識別：通過二維碼的獲取來實現相關應用指令的切換。

設備虛擬拆裝：通過虛擬仿真形式的拆裝來幫助運檢人員全面了解設備形狀、尺寸、內部結構以及裝配關系等。

實時數據三維可視化：對于運檢數據提供出三維可視化功能，幫助運檢人員對相應情況做到更加直觀的了解。

遠程專家輔助：通過專家遠程介入的方式幫助運檢人員解決無法自主解決的問題。

4 系統中各個功能模塊的設計及其實現分析

4.1 二維碼識別模塊

在這一系統中，主要的人工識別形式就是二維碼，以此來對URL地址以及電力設備進行識別。具體識別過程中，借助于HoloLens眼鏡對二維碼進行掃描，以此來實現二維碼信息的獲取，并根據獲取到的信息完成相關應用指令的切換。在該系統中，二維碼識別被用作每一項功能的入口，它有著正確性、實時性等的性能優勢，可以為用戶帶來更好的應用體驗。

系統應用中，該技術主要是把原本已經十分成熟的條形碼識別技術ZXing作為基礎來實現的一種先進技術。之所以不直接采用ZXing技術來識別，是由于該技術需要對多種情況進行綜合考慮，并兼顧多種條形碼以及低端手機的識別，所以其掃描程序的實現速度就非常慢，有時甚至會出現無法識別的情況。基于此，該系統對這一技術進行了優化，讓二維碼識別速度和識別精度都實現了進一步的提升。同時，該系統也可以通過Air tao手勢來實現識別程序的激活，并根據不同的提示音來判斷是否識別成功。

4.2 設備虛擬拆裝功能

在該系統中，設備虛擬拆裝功能屬于一項核心功能，通過該功能的實現，可以對一線運檢工作人員了解變電站各個設備的形狀、尺寸、結構以及裝配關系等的這些信息起到至關重要的輔助作用。

在該系統的具體應用中，通過語音識別的形式來操作和轉換各個設備的三維模型。但是由于系統中應用的HoloLens并沒有識別中文的能力，所以系統的語音識別為英文形式。在“move model”這一語音指令輸入到系統之后，用戶可以借助于拖拽手勢將對模型進行位置移動；在“rotate model”這一語音指令輸入到系統之后，用戶可拖拽模型實現旋轉，這樣就可以對模型的各個角度進行細致觀察；在“expand model”這一語音指令輸入到系統之后，設備會自動將三維模型中的各個部件拆分開來，以此來為用戶的觀察提供足夠便利，在此過程中，用戶也可以對設備中的各個部件進行裝配等的相關操作。在“reste model”這一語音指令被系統接收之后，原本拆解的三維設備模型將會自動復原。

4.3 數據的實時三維可視化

在進行變電站的運行檢查中，工作人員最關注的內容就是各個設備具體的運行狀況，所以在該系統的設計中，就引入了數據的實時三維可視化模塊設計。

具體設計中，系統后端主要通過KEP-Server來實現OPC形式的服務器建設，通過這樣的方式，就可以讓OPC形式的數據得到實時接收，然后用JAVA來編寫相應的接口程序，并對OPC形式的數據做打包處理，最后將打包好的JSON格式數據傳遞給系統前端，使其在WebSocket這一技術的支撐作用下為客戶端建立起全雙工形式的實時通信。對于接收到的OPC數據，該系統將WebGL技術作為基礎，對Three js引擎進行開發，這樣就實現了OPC數據的三維可視化功能。借助于這個三維可視化引擎，可以將OPC數據顯示在一個三維形式的場景內，在顏色、形狀數據的實時變化過程中，這個三維場景內的模型也會隨之變化，并提供了實時報警等的諸多功能。

在具體應用中，首先借助于HoloLens這一混合現實設備來進行二維碼掃描，進而將制定的Web頁面打開，這樣就可以實現對實時數據以及三維模型的訪問。為了讓三維場景具有更強的沉浸感，頁面背景設置為透明形式，并支持全屏顯示。在系統測試中，主要是借助于OPC模擬數據的形式進行測試。

4.4 遠程專家輔助功能

在具體的變電站運檢工作中，如果一線運檢工作人員遇到了十分復雜的問題，不能自主進行解決，此時就需要通過專家的指導和幫助來解決相應的問題。在這樣的情況下，遠程專家的實時介入就變得至關重要。基于此，在該系統中，就為運檢工作人員提供了遠程專家輔助功能。該功能的實現主要是將云平臺作為基礎，以此來實現專家的遠程輔助，并通過該平臺提供出相應的方案來解決為題。

此系統主要通過Ubuntu這一云平臺系統內的Nginx實現Web服務器建設，然后借助于WebRTC（網頁實時通信）技術來進行遠程專家輔助系統的開發。在該系統的具體應用中，如果一線運檢工作人員遇到了無法自主解決的問題，可以請專家進入系統為其提供的虛擬會議室，通過HoloLens將相應的信息以第一視角音視頻形式發給專家，在接收到相應的信息之后，專家便可按實際情況和現場工作人員進行溝通，以此來為一線運檢工作人員提供專業性的指導。通過這樣的方式，就可以幫助一線運檢工作人員及時有效地解決遇到的難題。

結語：綜上所述，在當今的變電站運檢工作中，傳統的運檢方式已經難以滿足變電站實際的運檢需求，所以就需要應用到更加科學、先進的運檢技術和運檢系統。通過利用混合現實技術（MR）對復雜盤柜進行虛擬再現，可以與真實設備結合，更加準確真實的對設備虛擬裝備和拆解，使運檢人員能夠直觀的了解設備內部結構，提高工作和培訓學習效率。因此，在具體的變電站運檢中，電力企業一定要注重混合現實技術的合理應用，并通過相應系統的建立來提升該技術的應用效果，以此來全面提升運檢質量，保障電力供應效果。