增強現實(AR)技術在承壓類特種設備檢驗中的應用

劉磊，楊景標，趙仲勛

（廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251）

特種設備的安全關乎國民經濟建設與居民生活的正常運轉，關乎經濟社會又好又快的發展。與機電類特種設備相比，承壓類特種設備普遍具有高壓力、高溫度、介質復雜、危險性大等特點，其檢驗工作的復雜性與難度更大。尤其是近年來，承壓類特種設備向高參數、高效能和大型化等方向發展，傳統檢驗模式的弊端被不斷放大。為順應信息化與智能化發展的要求，需對檢驗模式進行優化，以提高檢驗工作的有效性與檢驗質量的客觀性。因此，AR 技術在承壓類特種設備檢驗中的應用具有重要的現實意義。

1 增強現實技術

AR 技術正在快速普及與應用。增強現實技術是指將影像疊加在現實世界中的技術，是基于計算機實時計算和多傳感器相融合，將現實世界與虛擬信息結合與交互。廣義上來講，增強現實技術是擴展現實世界的技術的統稱，該技術利用計算機對從現實世界獲得的“感覺信息”進行處理，從而改變所獲的部分信息。處理不僅包括添加，還包括刪除、強調、衰減等方式。該技術通過對人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等進行模擬和再輸出，并將虛擬信息疊加到真實信息上，實現虛擬場景與現實環境的無縫融合，讓人感受到超越真實世界感受的體驗，進而提高人類對真實場景的認知能力。增強現實作為一個多學科交叉的研究領域，其完整的系統至少由三部分構成：跟蹤、注冊和顯示。通過各組成部分的相互關聯與協調，實現了現實世界與虛擬信息的交互結合。近年來，AR 技術發展迅速，得到了廣泛應用，尤其在教育、娛樂、醫療、軍事、城市規劃、導航等領域。

2 傳統檢驗模式

目前承壓類特種設備的檢驗，主要局限于全過程的人工檢驗，即通過檢驗人員對特種設備進行現場檢驗獲得相應的檢驗信息。檢驗人員依照檢驗方案跟自身檢驗經驗，對待檢設備進行數據的測量、理化的檢驗與宏觀的檢查，形成檢驗記錄，進而出具檢驗報告。承壓類特種設備種類繁多，且檢驗項目煩瑣，所以檢驗中所遇問題眾多。加之檢驗周期跨度大，在不同周期內，同一臺設備的檢驗人員也可能不同，導致檢驗結果差異性較大。通過對過往檢驗項目梳理，傳統的人工檢驗方式存在以下弊端。

（1）承壓類特種設備檢驗時，檢驗人員依據相關規程與檢驗方案，對除特殊規定的項目外，其余項目均按一定比例進行抽檢。雖然抽檢工作是在滿足檢驗規范的基礎上，盡可能選取受力復雜、易損傷的部位，以保證檢驗工作的科學性，但仍無法確保未抽檢部位不存在隱患。此外，對特種設備進行100%的人工檢驗是不現實的，也是不合理的。因此，通過全人工的抽檢模式會造成檢驗的不全面性，進而使設備的后續運行存在一定安全隱患。

（2）在宏觀檢驗過程中，檢驗人員主要針對檢驗結果不合格的部位進行記錄和拍照留存，對合格部位直接下定合格結論。此種檢驗模式無法給下次檢驗提供直觀的圖片或數據等資料，難以為設備安全狀況判斷、缺陷擴展情況研究、壽命評估等提供支撐。

（3）設備檢驗完成并投入使用后，由于設備表面無法永久地標識，并且前后兩次檢驗周期間隔長，因此兩次檢驗選取的部位有一定偏差，無法準確反映設備安全狀況的發展情況，容易給檢驗人員造成誤判，導致“檢不準”問題的出現。

（4）對經驗不夠豐富的檢驗人員，在檢驗項目完整性和方法、部位選取等方面未能快速地合理判斷，導致檢驗效率低下。

3 增強現實技術與現場檢驗的結合

AR 技術在承壓設備智能檢測方面具有很大的應用潛力。通過將虛擬信息疊加到真實場景中，AR 技術可以幫助工作人員快速準確地識別和定位承壓設備的問題，提高檢測效率和準確性。

目前，國內外已經有不少研究機構和企業開始探索AR 技術在相關方面的應用，未來這一領域的發展前景非常廣闊。德國西門子公司利用增強現實技術開發了“Siemens AR Engine”的工具，可以幫助工程師在現場快速識別和解決問題。美國微軟公司推出了“HoloLens”的增強現實眼鏡，可以幫助工作人員在現場進行設備檢測和維修。北京航空航天大學江西研究院的研究團隊開發了一種基于增強現實技術的飛機維修培訓系統，可以幫助技術人員更好地學習和掌握維修技能。

現階段，由于缺少承壓類特種設備的模型及跟蹤、注冊和顯示等相關技術，使AR 技術無法直接簡單化應用于承壓類特種設備檢驗領域。同時，AR 技術應用于各領域的關鍵技術不是普適的，需要對其在各自領域的應用適應性進行研究。因此，針對承壓類特種設備的特點，應建立一套基于增強顯示技術的設備檢驗系統。系統包括前端客戶端和后端服務器，客戶端與服務器之間通信連接。

3.1 前端客戶端與后端服務器構成

前端客戶端設有攝像頭、定位系統、增強顯示界面。所用攝像頭用于獲取現場圖像。所用定位系統用于獲取客戶端當前位置信息。增強顯示界面用于向檢驗人員提供顯示和操作設置的功能。此外，客戶端上還安裝有定位識別模塊、缺陷識別與尺寸測量模塊、檢驗輔助模塊、檢驗記錄模塊。

后端服務器是由設備信息數據庫、模型數據庫、檢驗方案數據庫組成。

3.2 檢驗流程的構建

圖1 為AR 技術在設備檢驗中應用的示意圖。如圖1所示，檢驗人員接收到壓力容器的檢驗任務后，檢驗人員從服務器的設備信息數據庫和模型數據庫中分別調取壓力容器的基本信息和模型信息，并在客戶端的增強現實界面查看相關信息。

圖1 檢驗應用示意圖

檢驗人員根據當前設備的信息，如使用年限，容器等級等，從服務器的檢驗方案數據庫中選取出待檢容器的最佳檢驗方案。

在檢驗現場，檢驗人員利用客戶端對容器進行拍照、定位識別和設備識別。客戶端的輔助模塊根據檢驗現場獲得的信息，調取服務器中的設備信息庫與模型信息庫中的信息，并在客戶端的增強現實界面顯示。檢驗人員通過客戶端，可迅速獲得待檢容器的設備信息。

現場檢驗人員可通過客戶端的攝像頭拍攝現場圖像，缺陷識別與尺寸測量模塊會根據所拍攝的現場圖像對待檢容器進行缺陷識別和缺陷尺寸測量，得到缺陷信息。檢驗過程中的記錄會通過記錄模塊生成檢驗記錄，并將檢驗記錄信息存儲至設備信息數據庫中。此檢驗過程相對于傳統檢驗，檢驗流程更合理，檢驗結果更客觀，檢驗工作更高效，極大地提高了檢驗的智能化水平。

4 結語

（1）AR 技術在承壓類特種設備中的應用，極大地克服了傳統人工檢驗模式中存在的信息匱乏、檢驗效率低下等弊端，有利于提高檢驗效率、降低成本，可獲得更加全面的數據，對保證特種設備安全運行具有重要意義。

（2）AR 技術在承壓類特種設備檢驗中的應用，符合檢驗行業信息化、智能化的發展趨勢，對檢驗業務水平與服務能力的提高具有重要的推動作用。