AR增強現實技術在光伏電站運檢中的應用

馬孝棟 魏春雷 李寶鵬 劉東武 邢振華

(通遼通發新能源有限責任公司 內蒙古通遼 028001)

隨著全球工業化發展，能源危機和大氣污染問題日益凸顯，傳統的燃料不僅大幅度消耗不可再生資源，還會環境造成了巨大的危害，目前全球將近20億人都無法得到正常的能源供應。隨著人們對可再生能源研究的深入，太陽能以其獨有的優勢成為了人們關注的重點。太陽輻射能具有無污染、廉價、可自由利用、資源無限等優勢，市場前景日益廣闊。光伏電站是利用特殊材料將太陽光能轉化為電能的發電體系，是我國近年來大力度推廣的綠色電力開發能源項目。由于光伏電站的發電工作需要受光伏組件的影響，這些組件會隨著時間的流逝而性能衰退，最終造成發電效能下降，甚至還可能由于設備故障而導致電站整體運行受損，因此需要定期對光伏電站進行運維檢修，確保組間的正常運行[1]。但由于光伏電站本身占地面積廣闊，設備數量眾多，因此對于維護的要求也非常高，傳統的運檢模式已經難以滿足光伏電站的運檢需求。增強現實（AR）技術是一種將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成的新技術，目前已經逐漸被用于電力行業，為電站設備運檢問題的解決提供了新方案，但其主要是用于變電站的運檢工作中，而用于光伏電站運檢工作中的報道較少，該文將就AR增強現實技術在光伏電站運檢工作中的應用進行分析研究。

1 AR增強現實技術簡介

增強現實（AR）技術也被稱為擴增現實，是用于實現真實世界信息與虛擬世界的信息相互融合、相互利用的一項新型技術，其將原本在現實世界中難以體驗到的實體信息進行模擬仿真處理，在利用科學技術將虛擬的信息內容在現實世界加以利用，這個過程時能夠被人類的感官所感知到的，因此實現了超越現實的感官體驗。另外，AR技術不僅能夠真實的體現出現實世界的內容，其還能夠將虛擬的信息內容展現出來，這些內容相互補充、相互疊加，在視覺化的AR中，用戶可通過顯示器來將真實世界和虛擬圖像重合在一起[2]。

AR的關鍵技術主要包括以下幾項。

（1）跟蹤注冊技術。為了實現虛擬信息和現實場景之間無縫疊加，需要將虛擬的信息與現實環境在特定的三維空間位置上完成配準注冊，包括使用者的空間定位跟蹤以及虛擬物體在現實空間中的定位兩個方面。為了實現配準就需要移動設備攝像頭和虛擬信息位置相互對應，這就需要利用到跟蹤技術來完成。跟蹤注冊技術首先同對于對需要增強的物體特征、輪廓等進行掃描檢測，系統會根據跟蹤物體的特征點來自動生成二維或三維的坐標信息，該技術的效果直接決定了AR系統成功與否。

（2）顯示技術。AR 技術顯示系統也AR 重要的組成部分，為了確保用于能夠獲得真實與虛擬相結合的系統，獲得良好的體驗效果，應用色澤豐富的顯示器是確保該效果的重要基礎。顯示器主要包括了頭盔顯示器、非頭盔顯示設備等，為用戶提供了相關的逆序融合的情境。

（3）虛擬物體生成技術。AR技術應用模板是讓虛擬世界的相關內容能夠在現實中得到疊加處理，在通過有效算法程序的應用基礎上，實現物體動感操作。

（4）交互技術。AR技術將虛擬的事物在現實中呈現出來，而交互技術就是為了幫助這些虛擬的事物更好的在現實中呈現出來做準備，因此其也是AR技術中的關鍵點。

（5）合并技術。AR技術的目標就是將虛擬信息和輸入的現實場景能夠無縫地結合在疫情，增強AR使用者的現實體驗，因此這就要求AR具有非常強的真實體驗，而為了達到這個目標不僅需要考慮到虛擬事物的定位，還需要將虛擬事物和真實事物間的遮擋關系和基本條件考慮進去，避免由于條件缺失而導致AR效果不穩定。

2 AR 增強現實技術在光伏電站運檢中的應用意義

AR增強現實技術以電子計算機、智能終端等作為操作平臺來完成畫面的讀取和判斷，然后再利用北斗技術、GPS、二維碼等技術來對場景進行有效識別和定位，在利用系統內置的算法將運檢項目明細、作業指南等傳遞給運檢工作人員。另外，還能夠利用大數據分析功能、深度學習系統等功能對運檢的初步結果進行計算和分析，對系統無法解決的復雜問題，可通過遠程協助的功能，邀請相關高級別的技術人員進行在線協助處理。

3 系統設計及關鍵技術實現

基于AR技術的光伏電站運檢系統的整體框架主要包括兩個部分，分別為AR移動端和主服務器端。其中AR移動端的功能主要是識別現場設備、顯示運檢工作相關流程、記錄運檢相關操作，并通過無線信息傳輸功能來完成與主服務器端的實時數據傳輸。而主服務器端的主要任務則是對AR 移動端傳輸來的數據信息進行實時識別和處理，然后即將處理后的結果和相關處理流程及時反饋給AR移動端，以便于操作人員的后期操作[3]。AR增強現實技術實現主要包括以下幾點。

3.1 數據服務器及其數據接口

數據服務器是AR增強現實技術智能運檢系統的智慧中心，其不僅要負責存儲這個系統的標準化模型，還需要負責下發運檢質量、收集運檢過程中的各類數據、對數據進行分析處理等工作。而智能化運檢系統核心就在于將整個光伏電站的運檢工作標準化，基于標準化模型建立的基礎，通過輔助技術來盡可能的消除人為因素對運檢活動的感染，進而達到智能運檢的目的。該技術的實現方式有以下幾個方面。

（1）運檢模型的建立。服務器利用相關系統將運檢的整個線路、范圍、時間、類型以及運檢過程中存在的異常情況判斷依據等信息進行整合，建立一套標準化的流程模型，再將電站中的光伏組件也建成對應的圖像模型。（2）運檢數據呈現。利用服務器所設計好的流程以及相關模型，根據時間和計劃來部署相關的服務程序，結合光伏電站的運檢監控系統。當AR移動端收到運檢指令后，可根據規劃好的路線圖到達待檢設備附近，對設備實時數據和運檢指令等信息進行采集，然后利用無線通信功能將這些數據發送給服務器，價格場景無縫貼合的展現出來。運檢工作人員可根據系統的運檢指令完成相關操作，避免發生漏檢、漏記等情況，并根據運檢監控的實時數據來確定運檢設備的工況，最后將各項判斷結論和采集到的數據存儲到AR移動端，然后再上傳至服務器[4]。

光伏電站的數據服務器能夠實時接收到AR移動端采集到的各類數據，利用系統配備的深度學習軟件來分析和處理采集到的數據。系統通過對大量依從和損壞光伏組件的相關信息進行學習，能夠快速地對數據中存在異常和損壞情況的光伏組件特征進行識別。然后數據接口會將識別結果發生到AR 移動端運檢端軟件中，工作人員可根據這些信息對組間進行處理，并將處理結果展現出來。

3.2 AR移動端及其運檢客戶端軟件

AR 移動端和配套的運檢客戶端都是智能運檢系統額執行端，AR智能終端上運行的運檢客戶端軟件能夠將現有的運檢信息利用系統自帶的轉換功能將其轉換成標準的可視化運檢流程數據，然后再傳輸到工作人員的AR智能眼睛上，通過增強現實技術，來引導運檢工作人員根據系統規劃好的標準化流程來完成相關運檢工作。

AR 移動端采用Android 系統作為操作系統，可按照基于安卓系統的各項智能軟件。AR 移動端的光學硬件通常采用的平面組合器示例的偏振光束組合器或者是彎曲組合器示例的離軸組合器，進而事項將虛擬影像準確投射到鏡片上的效果。在通過對透視進行調整，確保人眼產生顯示和虛擬影像無縫貼合的效果。在AR 智能光伏電站運檢過程中，AR 移動端會接受到服務器信息，將巡檢指令、設備信息、實時數據等信息以文字、圖像以及視頻等方式投射到用戶的AR 眼鏡上。AR 增強現實技術在用于光伏電站智能運檢時的難點在于如何準確地捕捉到現實場景中的待檢設備，并在程序中建立該設備的數字化坐標，基于3D顯示技術將相關信息依附到這個設備上。目前實現這個難點的技術主要包括兩類，具體如下。

（1）Marker-BasedAR 方式。該技術通過在光伏組件上粘貼設計好的二維碼等標志物，通過攝像頭對該標志物進行識別以及姿態評估，確定該設備的位置，然后以標志物作為中心點，建立模型的坐標系，光伏組件與屏幕坐標系之間建立映射關系，繼而完成光伏組件坐標系建立的工作。（2）LBS與Marker-BasedAR方式相結合的方式。該技術將地理位置和光伏組件的提取特征的相互融合，記錄或學習這些特征點。當攝像頭對周邊場景進行掃描時，北斗導航或GPS 系統會自動提取附近位置的場景特征的，并與事先錄入的特征的進行對比，如掃描達到的特征點和預先錄入的特征點相匹配數量超過了閾值，則系統會判定掃描到了該組件，然后再根據對應特征點坐標建立坐標坐標系。

3.3 數據分析系統

AR 增強現實技術在用于光伏電站運檢時采用大數據分析、人工智能等手段來完成數據分析，其能夠實時完成數據的檢查、過濾、分析和處理。相關技術人員可通過系統的客戶端查看到歷史和實時運檢數據，同時還能夠為現場運檢的工作人員提供技術指導和實時協助，以便于管理人員能夠實時掌握運檢工作的情況，實現運檢管理工作的透明化、標準化。通過對運檢數據進行分析和二次擴展，還能夠建立設備完整的檢查和維修檔案。

4 光伏電站AR技術的功能設計

4.1 異常識別

光伏發電組件的核心就是太陽能電池板，這部分也是整個光伏發電系統中價值最高的部分，主要用于將太陽的輻射能轉換為電能，并將這些電能傳輸到蓄電池內存儲起來，或用于推動負載工作。光伏組件就是將這些太陽能電池板通過并聯、串聯的方式連接起來，再封裝起來。目前，關于光伏組件最常見的問題主要在在外觀上，包括光伏電池板隱裂、熱斑、組間表面積灰、雜物陰影遮擋、鳥糞或其他污染物附著等。

AR 移動端的攝像頭能夠捕捉到光伏組件不同角度的畫面，通過無線系統傳輸給服務器，利用服務器的大數據分析功能和深度學習系統，對信息進行自動識別，將其中存在異常情況的圖像篩選出來，并通過增強現實疊加標記，顯示在運檢工作人員視野內，引導運檢人員對重點區域和部位進行觀察和檢測，并將判定結果和采集到的相關數據上傳至服務器，并存儲起來[5]。

4.2 位置引導

光伏組件采用光伏逆變器，將太陽能電池板轉化得到的可變直流電轉換為交流電，然后將其反饋回到商用輸電系統中，或者是供應給離網的電網應用。采用AR增強現實技術的移動端能夠準確、快速地讀取到逆變器的相關數據水平，快速獲得光伏組件串的發電量以及實施負荷水平[6]。但目前我國的大部分集中式光伏電站都占到面積極大，工作人員如果采用光伏電站的CAD 圖紙結合微型定位的方式來確定異常光伏板的位置存在著諸多不便。而采用AR 增強現實技術則能夠提供給GPS、北斗衛星德國地理信息定位系統，對AR移動端的位置來進行定位，則能夠快速地將異常組串的位置路線通過精準定位的形式來疊加到運檢人員的視野內，工作人員只需要利用AR移動端的指示路線就能夠快速達到異常組串的準確位置。

4.3 實時指導

由于光伏電站多建立在偏遠的無人區域，多存在交通不便的情況，廠家售后多需要很長時間才能到達維修點，運檢工作人員多需要先完成簡單的維修工作，如更換損壞的組件等。這些運檢工作人員多缺乏專業的培訓，而維修手冊內容又較為繁瑣，加之新老員工交替時企業對新員工的培訓力度不足，導致運檢工作人員對于問題的處理能力不足。

基于AR技術的智能運檢系統能夠在發現并對故障準確位置和具體問題進行定位后，通過智能系統和工作輔助系統，將需要維修項目詳細的列出來，并利用AR 的移動端將作業指導書快速地疊加到運檢工作人員的視野內，確保工作人員能夠在未能熟練掌握操作手冊的情況下還能夠按照規范的操作流程來完成操作。

4.4 透明管理

傳統的光伏電站運檢工作對于運檢工作人員的覺悟和素質都提出了較高的要求，運檢工作人員工作過程中容易出現漏檢、漏記、補記等人為操作失誤，導致運檢的相關操作難以完全遵循相關操作規范進行，導致工作人員及設備都存在著安全隱患，極易造成安全事故的發生，為企業帶來巨大的經濟損失。AR移動端通過對運檢過程中的各項信息進行記錄，并將這些信息利用文字、圖片、視頻、地理位置等多種形式保持到服務器內，管理人員可通過相應的客戶端來隨時調取這些信息進行分析和利用，實現了對運檢過程的透明化管理。

5 基于AR技術的光伏電站運檢系統應用

基于AR技術的光伏電站運檢系統應用范圍具體如下。

（1）實物識別。主要通過對設備實物識別算法進行研究，滿足對不同物體、不同角度掃描需求，繼而建立三維立體識別物體效果。（2）信息疊加。將與實物有關系的信息，利用AR智能技術疊加到設備實物上，達到實時匹配的目的。（3）工作指引。利用系統對運檢工作人員的操作狀態進行判斷和監督，并通過系統推送來引導工作人員根據流程完成相關操作。（4）實時通信。無論是終端設備還是服務器都支持無線通信模式下的實施數據傳輸，確保了數據實時采集到后能夠及時傳輸到服務器內。另外，設備還配備有藍牙功能，可通過藍牙功能來實時傳輸離線數據。（5）數據管理。AR 增強現實智能運檢系統還能夠實時對工作人員的基本信息、工作流程、操作狀態以及設備信息等數據進行記錄和管理，以便于隨時調取和查看。光伏電站運檢工作人員可在佩戴AR智能眼鏡后，通過識別二維碼進行登錄，然后讀取需要執行的目標任務，在領取任務后，系統會提示工作人員準備所需的工具和設備。在運檢過程中，還可通過系統的實時通信功能，將現場設備的情況傳輸到服務器的平臺終端上，申請行業專家進行技術指導。監控端（專家端）可通過平臺終端全程動態觀看運檢視頻，以便于截圖和數據分析，在現場圖像的基礎上對相關信息進行標注出來，作為運檢工作人員的操作依據。

6 結語

借助AR技術在圖像識別、信息疊加、實時通信等優勢，實現光伏電站運檢過程中異常自動排查、工作指引、運檢數據實時保存及管理等諸多功能，有效地提高了光伏電站運檢工作的效率，降低了出錯率，確保了光伏電站穩定運行。同時AR 增強現實技術的應用還有效規范了運檢的操作流程，實現管理的科學智能化和監督自動化，具有較高的應用價值。