基于AR虛擬現實融合顯示技術和5G技術的牽引變電所遠程診斷系統的研究與應用

中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司 王 凱

1 引言

近年來，牽引變電裝備和技術均得到了長足的發展，在此背景下，多地牽引變電所選擇引入無人值守替代傳統的運行模式。需要明確的是，無人值守雖然能夠提高供電系統運行效率，卻也在無形中增加了變電巡檢的難度，隨著工作量的增多，巡檢質量、時效性均會受到不同程度的影響，若不盡快解決該問題，將致使牽引變電所無法長期處于穩定、高效且安全的運行狀態，對全新巡檢系統進行研發勢在必行。

2 研究背景

牽引變電所的核心功能是以電力牽引所提出要求為依據，對供電系統所提供電能的電壓、電流加以轉化，隨后，將符合電力牽引要求的電能送至接觸網，為電氣化鐵路上運行的電力機車或其他用電設施提供維持運行所需要的電能[1]。現代鐵路系統所搭載供電設備的性能，通常會給鐵路系統日常運行所表現出的可靠性、安全性產生巨大影響，對鐵路系統而言，只有保證供電設備安全、可靠且穩定，才能使自身發揮出應有作用，任一設備出現故障，均會給列車安全性帶來巨大威脅，定期巡檢的重要性有目共睹。

變電巡檢指的是值班人員按照預定計劃，定期巡視牽引變電所內既有一次和二次設備，確保相關設備所存在缺陷、異常能夠被及時發現并且得到處理的過程。原有巡檢模式無法做到遠程診斷，導致巡檢工作難以發揮出應有作用，而將5G 技術、AR虛擬現實融合顯示技術用于現場巡檢，可以有效解決既有模式所存在問題，現場人員能夠在后臺專家的幫助與指導下，對設備故障進行處理，使設備盡快恢復正常運行。

3 變電巡檢工作現狀

3.1 管理難度大

巡檢管理難度大的問題主要體現在以下方面。其一，工作人員無法迅速確定現場設備問題的整改時間并給出相應的反饋；其二，系統后臺不具備及時梳理并分析問題的功能；其三，既有系統無法根據巡檢結果形成相應的經驗庫，影響PDCA 循環形成速度；其四，系統難以根據現場設備運行狀態，提供相應的預防方案或是故障解決策略；其五，缺少能夠全方位監督現場人員的措施，該問題不僅會影響巡檢所獲得數據的準確性、有效性，還會限制設備運行狀態、故障等信息的傳輸，導致潛在隱患進一步加劇[2]。

3.2 項目繁雜

項目繁雜所帶來的問題有兩個，一是以往工作人員需要在巡檢開始前，先查找設備運行日志、缺陷記錄等資料，全面了解現場設備的狀態，再確定巡檢重點，以保證巡檢工作能夠發揮出應有作用。鐵路系統所涉及設備資料較多，并且人力記錄極易出現等級錯誤、記錄混亂等情況，進而影響巡檢有效性。二是管理層無法實時監管一線人員的各項行為，作業流程不科學、操作不規范等問題頻頻發生。

4 遠程診斷系統研發內容

傳統巡檢模式存在不足，只有以該項工作所提出需求為依據，研發相應的軟、硬件，并對環境、人資和物資所存在協同關系進行串聯，才能確保巡檢工作效率得到大幅度提高，進而為企業日常生產的效率及安全性提供有力保障。在此背景下，有關人員提出以5G 技術、AR 虛擬現實融合顯示技術為依托，研發全新遠程診斷系統的建議，具體工作流程如下。

4.1 確定工作流程

系統由遠程診斷中心和牽引變電所兩部分構成，遠程診斷中心與牽引變電所之間通過5G 通信建立連接。其中，遠程診斷中心負責接收、處理和顯示牽引變電所的各項數據，診斷變電所故障，向維修人員提供指導，減少成本和時間開銷。

考慮到設備巡檢、遠程診斷等工作均有標準的流程對應，只有以實際情況為依據，確定完整且科學的工作流程，才能使后續工作得到有序推進。因此，技術人員決定根據現有案例、變電巡檢設備和巡檢點，細化工作流程，同時出具相應的指導書，確保不同現場均有相應的解決方案對應。

4.2 使用AR 虛擬現實融合顯示技術

根據現場情況、工作需求，確定穿戴AR虛擬現實融合顯示設備的方式，在此基礎上，設計與AR 虛擬現實融合顯示技術特點相符的交互方案，確保此技術在識別變電設備、巡檢、定位和遠程診斷等方面所具有作用得到充分發揮。本項目中，技術人員重點討論的內容為：對指導書關于巡檢、診斷的內容做圖形化處理，借助AR 虛擬現實融合顯示技術對巡視圖像進行準確識別并標注，確保圖形標識、檢查對象能夠得到充分結合；提高識別巡視圖像、三維空間的速度和準確率，為現場識別工作高效開展奠定良好基礎[3]。

4.3 實現遠程診斷

系統采用AR 虛擬現實技術融合顯示變電所的設施和設備，使現場人員能夠在虛擬現實空間中進行真實感官的交互，快速識別出變電所中的故障點，準確解決故障問題。

一方面，基于AR 虛擬現實融合顯示系統研發具有遠程指導功能的軟件，確保現場人員能夠借助5G 技術、AR虛擬現實融合顯示技術還有相關軟件與后臺專家取得聯系，通過實時傳輸圖片、文件等資料，或是語音、視頻通話的方式，從專家處獲得相應的指導，對現場設備所存在故障進行診斷并維修。

另一方面，AR 虛擬現實融合顯示技術的加入，使身在異地的專家經由后臺系統實時標注現場作業的設想成為可能，現場人員可以根據硬件終端所顯示標注的內容完成后續工作。此外，系統還采用5G技術在遠程診斷中心和牽引變電所之間建立起了高速、穩定的連接，實現實時數據傳輸和遠程控制，同時基于5G 通信實現音視頻遠程指導，真正做到提高維修效率并減少安全風險。

4.4 自動測量并顯示溫度

以AR 眼鏡為例，技術人員應以該設備特點和需求為依據，研發相應的紅外測溫設備，只需將該設備與AR 眼鏡相連，便可使測量數據得到實時傳輸，通過將測試界面投放至AR 眼鏡的方式，使工作人員對現場情況具有準確了解。另外，本項目中，技術人員還研發了識別溫度的程序，一旦設備溫度超過預設范圍，該程序便會自動作出判斷，并將判斷結果投放到AR 眼鏡上。

4.5 記錄巡檢過程

使用AR 虛擬現實融合顯示設備所具有采集信息、錄制視頻等功能，對巡檢過程加以記錄并保存，為日后查驗工作的開展提供便利。

5 遠程診斷系統設計方案

5.1 系統架構

本系統的使用場景可以細分為輔助巡檢、紅外測溫、遠程協作，不同場景對系統所提出需求往往有所不同，這點需要有所了解。輔助巡檢場景下，設備端需要滿足以下要求。一是實時提醒點檢任務，確保點檢工作按時開展。二是通過引導點檢流程，保證作業質量達標。三是智能識別點檢結果，確保所記錄數據準確。四是如實記錄點檢過程，使點檢作業具有良好的可追溯性，為后續工作的開展提供便利。

平臺端則要應具備的功能包括：首先，按照計劃分發點檢計劃，省略人工推送步驟；其次，自行生成點檢記錄，準確識別缺檢、漏檢情況；再次，及時識別點檢異常；最后，調配既有人資，在提高工作效率的前提下，使設備壽命盡可能地接近預期[4]。紅外測溫場景下，硬件應滿足：通過接入紅外成像設備的方式，對現場設備進行無接觸測溫，保證測溫精度理想。若巡檢期間遇到難以解決的問題，現場人員可經由該系統與后臺專家取得聯系，由專家根據系統所提供視頻等資料，對設備故障加以判斷，遠程指導現場人員對出現故障的設備進行維修或處理。

5.2 技術要求

為保證所研發系統能夠穩定、高效運行，技術人員針對遠程診斷系統所需設備提出了相應要求，后臺服務器搭載i7處理器，容量為2TB，運行內容應達到16GB，診斷軟件適配人工智能指導、專家指導，可同時為16個設備提供指導[5]。本項目所研發AR 眼鏡的性能參數見表1。

表1 AR 眼鏡技術要求

針對本系統所研發軟件應具備幾項功能，可視巡檢、自動測溫、遠程診斷、實時記錄、同步反饋等功能。

紅外測溫設備則需要滿足的要求包括：一是工作人員可以在硬件終端的幫助下，對3m 范圍內的設備進行快速、準確的測溫。特殊情況下，測溫距離可以增加至6m。二是搭載非制冷焦平面傳感器。三是內置分辨率為384×288像素的紅外模組，其測溫范圍能夠達到+20～+120℃。四是能夠在AI 糾偏算法的輔助下，盡可能地保證測溫精度，一般來說，測溫距離不超過2m 時，測溫精度能夠被控制在-0.3～+0.3℃，測溫距離不超過4m 時，測溫精度可以達到-0.5～0.5℃。

5.3 設計方案

本系統的技術方案主要包括：其一，以變電巡檢內容為落腳點，針對日常巡檢、遠程診斷特點及需求，確定工作流程并建立數據庫，根據工作場景研發可佩戴硬件終端，徹底解放工作人員的雙手。其二，對巡檢管理軟件進行開發，確保所開發軟件具有模塊化編輯功能，可以對知識庫、工作流程和缺陷數據庫進行快速編輯。其三，基于硬件終端研發前端軟件，確保軟件適配硬件終端，工作人員只需進行簡單操作，便能夠將巡檢數據同步至軟件。其四，為提高系統的可靠性，引入備份機制，當主機出現故障時，備份機可以立即接管工作，確保系統的持續穩定運行。

6 結語

本文以變電巡檢所面臨難度大、效率低等問題為落腳點，基于5G 技術、AR 虛擬現實融合顯示技術成功研發出了有別于傳統系統的全新遠程診斷系統，將該系統用于變電巡檢，可以有效避免現場人員難以提前預判設備隱患、漏檢和判斷錯誤等問題，使工作效率得到大幅提高。未來，技術人員應當將研發重心放在遠程協作系統、前端軟件和硬件終端的開發上，對本系統進行不斷的優化與升級，由此確保其所具有優點得到盡可能好的發揮。