增強現實技術的變電站巡檢管理系統研究與應用方案解析
2019-11-1 14:32:17??????點擊：
為進一步提升變電站運維作業效率，開展基于增強現實的變電設備巡維高效監督管理研究，將增強現實技術應用于變電站巡檢作業流程中，設計開發了基于智能交互終端的變電巡檢管理系統，對系統的現場作業安全監督管理、遠程在線會診和指揮管理、多媒體信息增強顯示和運維信息管理功能做了詳細介紹，并將其應用于實際巡檢管理工作中。以濟寧供電公司在某220kV變電站應用為例，與傳統的運維方式進行了比較，系統應用效果良好。
電網設備運行管理水平的提高離不開電網巡檢管理手段的強化。隨著電網一次設備類型和數量的增長，設備運維工作量也快速增長，導致運維班組十幾個人需要負責十幾座變電站的運行巡視工作，運維工作量的快速增長和巡檢人力資源相對不足之間的矛盾日益突出。
現場運維檢修人員由于經驗不足以及信息不夠及時和全面，難以準確判斷設備缺陷原因及嚴重程度，需通過多層級才能傳遞到決策指揮機構，效率低。巡檢過程中，現場人員無法直接了解部分設備信息，需返回檔案室查詢或問詢其他人員，降低了工作效率。
同時，對于復雜的設備檢修，存在運檢人員一邊翻看設備檢修步驟一邊操作的情形，該操作方法繁瑣且不方便，作業效率不高。且由于部分變電設備操作步驟繁瑣，邊看邊操作的作業效果也無法確保。變電站區域分布廣，在設備調試、維修和緊急情況處理時，現場運維人員可能無法獨自完成，作業質量和效果無法及時檢查確認，設備和人身安全可能產生隱患，溝通和決策效率有待提高。在上述問題下，如何提升復雜電網的運維檢修效率，是一個迫切需要解決的問題。
目前已有輸變電設備運維檢修輔助決策系統、智能視頻分析的可視化運維管理和單兵巡檢裝備的研究與應用，但由于分析目標及方法的不同，難以滿足當前變電設備運維管理需求。一種交互式的增強信息顯示技術在設備信息管理與運維檢修中得到應用，提升了業務信息交互效率。
在上述基礎上，本文研究基于增強現實技術的變電站巡維管理系統，利用移動互聯網和增強現實技術，使管理人員和專家能夠隨時隨地獲取現場運維人員的第一視角實時圖像，進行遠程音視頻溝通，實現現場作業的可視化及專家的遠程支持，從而指導檢修人員執行標準和規范化的工作流程，提高作業效率，避免誤操作，提高運維部門應對復雜作業和突發事件的響應速度與處置能力。
1 總體框架
結合巡檢工作現狀，設計基于增強現實技術的變電站巡維管理系統方案。系統包括管理系統和增強現實智能終端，管理人員和專家可通過后臺管理系統下發運維指令和協助現場巡檢的決策信息。智能終端接收管理系統下發的運維相關指令，并采集巡檢現場信息，上傳至管理系統。巡檢人員可利用智能終端發起遠程協助邀請，基于移動網絡，實現與后臺監控中心實時通話，實現遠程協助以及安全監督。總體方案如圖1所示。
圖1 系統架構
通過增強現實技術，系統將輔助信息實時傳送至現場操作人員智能交互終端增強顯示。現實即為人眼可直接看到的信息，把人眼無法直接看到的信息疊加在現實上顯示出來即為增強顯示。增強現實技術是將真實世界的信息和虛擬信息進行“無縫”集成，把現實世界在一定時間和空間范圍內無法同時呈現的信息，通過數字技術進行模擬仿真并實時疊加至真實空間，將虛擬信息應用到真實世界，實現兩種信息相互補充和互動。
系統軟件基于CentOS x64 Linux操作系統，采用Java編寫，利用HTML5、Bootstrap、SpringMVC實現。系統硬件主要研發智能終端，包括微型投影儀、傳感器、存儲等。智能交互終端利用光學反射投影原理（HUD），即微型投影儀先是將光投到棱鏡反射屏上，而后通過棱鏡折射到人體眼球，達到成像最清晰的效果。智能交互終端將傳感器采集到的數據上傳到管理系統，然后將信息轉發于后臺管理人員進行信息實時交互。硬件架構如圖2所示。
圖2 硬件架構
2 系統功能設計
本文設計的基于增強現實技術的變電站巡維管理系統主要包括現場作業安全監督管理、遠程在線會診和指揮管理、多媒體信息增強顯示和運維信息管理。
現場人員使用方法：現場人員在設備端登陸，后臺人工操作將運維計劃推送至智能終端，運維人員依據計劃開始作業，并利用智能終端二維碼識別功能掃描設備標簽，讀取設備歷史運維信息，在運維檢修過程中，現場視頻信息實時傳至檢修中心，檢修中心可對作業全過程實現安全監督。現場人員發現問題需協助的，利用智能終端呼叫專家或廠家技術人員，遠程協同診斷。運維作業結果拍照存檔，確認作業效果。
1）現場作業安全監督管理
管理人員通過網絡化智能終端實時監控現場操作，在檢修設備投運前各項安全措施檢查作業時，提前預設風險點，作業人員利用智能終端對作業風險點逐一確認。檢修作業時，智能終端可將現場作業視頻實時傳輸至后臺，可監督現場是否按圖施工，監督現場是否存在違章違規操作行為。同時在現場操作出現偏差時及時提醒操作人，確保單人操作的人身和設備安全，提高工作效率。
圖3 運維管理流程
圖4 現場運維監督
2）遠程在線會診和指揮管理
現場巡檢人員利用智能終端發起協助邀請，呼叫遠程專家，通過可穿戴設備建立視頻監控通道，第一視角同步圖像，指導現場操作，輔助現場決策，提供檢修建議。系統支持多方專家共享資料。
圖5 現場視頻共享
3）多媒體信息的增強顯示
在作業過程中，利用智能終端掃描設備電子標簽信息，智能終端將在設備上疊加融合相應的虛擬模型、圖形、文字及動畫等多媒體信息，通過手勢等交互方式可以自主翻閱相應的內容，主要包括變電設備的功能、內部結構、技術參數及運維檢修記錄等。同時后臺專家也可將輔助信息實時推送至現場操作人員智能交互終端顯示。
圖6 基于增強顯示的輔助信息推送
4）運維信息管理
運維信息管理模塊提供設備臺賬、運維缺陷信息、技術參數信息的增刪改查。
3 系統應用
3.1 應用案例
2017年11月20日，濟寧供電公司運維人員巡視某220kV變電站GIS設備時，通過掃描某氣室間隔上粘貼的二維碼，在后臺數據庫查找該二維碼所關聯設備的臺賬信息，臺賬信息包括：設備廠家、規格型號、生產日期、投運日期和歷史故障記錄。
后臺將該間隔的臺賬信息推送到運維人員佩戴的智能可穿戴終端設備上，運維人員進行重點查看和比對，分析查找該間隔GIS是否存在歷史缺陷，查看該缺陷是否消除，如缺陷未消除，則重點查看該缺陷的發展趨勢，并結合檢修部門制定狀態檢修計劃。
圖7 基于增強顯示的輔助信息推送現場實施
3.2 現場案例
2017年12月10日，濟寧供電公司運維人員在某110kV變電站佩戴智能眼鏡進行倒閘操作。現場需要2名運維人員，一名人員手持操作票，另一名人員進行操作，而操作人員操作過程中由于時間緊迫、精神高度緊張和體力的原因，時常會出現錯誤操作，對人員和設備造成傷害，導致重大事故的發生。
智能增強現實終端將操作順序及當前需要執行的操作步驟直接發送到運維人員的智能眼鏡顯示屏上，現場運維人員可根據顯示的操作任務及操作順序進行工作，提高工作效率。
圖8 倒閘操作
總結
本文將增強現實技術應用于變電設備巡視的管理模式，并結合信息化管理手段，優化管理流程。基于增強現實技術的信息推送，可將生產運行指令以可視化方式提示，音視頻實時交互，并在線監督操作人按規程、按步驟完成工作。
在設備應急搶修環節，可在線查詢運維檢修記錄和調取廠家技術資料，并與專家遠程協同診斷，實現“現場問題匯報—專家分析決策—作業指令下達—執行效果確認”，全過程閉環管理在第一時間完成，從而顯著提高電網運維作業效率與質量。
使用基于增強現實技術的智能可穿戴設備，將設備歷史缺陷信息、技術資料和現場運維融合，輔助現場人員分析診斷缺陷并決策，同時基于現場作業的安全監督，解決了現場人員管理的困難，使運行、檢修和管理得到了優化。
現場實際應用過程中，還存在以下不足：
1）智能終端未集成到安全帽上，不利于運維檢修使用。
2）后臺系統二維碼數據與設備關聯性不高。
3）數據源單一，樣本數據不足，現場輔助功能效果不明顯。
針對上述問題，系統的全面推廣應用還需進一步改進硬件終端裝置、不斷積累數據、融合缺陷自動診斷等功能，從而更好地提升作業效率。
電網設備運行管理水平的提高離不開電網巡檢管理手段的強化。隨著電網一次設備類型和數量的增長，設備運維工作量也快速增長，導致運維班組十幾個人需要負責十幾座變電站的運行巡視工作，運維工作量的快速增長和巡檢人力資源相對不足之間的矛盾日益突出。
現場運維檢修人員由于經驗不足以及信息不夠及時和全面，難以準確判斷設備缺陷原因及嚴重程度，需通過多層級才能傳遞到決策指揮機構，效率低。巡檢過程中，現場人員無法直接了解部分設備信息，需返回檔案室查詢或問詢其他人員，降低了工作效率。
同時，對于復雜的設備檢修，存在運檢人員一邊翻看設備檢修步驟一邊操作的情形，該操作方法繁瑣且不方便，作業效率不高。且由于部分變電設備操作步驟繁瑣，邊看邊操作的作業效果也無法確保。變電站區域分布廣，在設備調試、維修和緊急情況處理時，現場運維人員可能無法獨自完成，作業質量和效果無法及時檢查確認，設備和人身安全可能產生隱患，溝通和決策效率有待提高。在上述問題下，如何提升復雜電網的運維檢修效率，是一個迫切需要解決的問題。
目前已有輸變電設備運維檢修輔助決策系統、智能視頻分析的可視化運維管理和單兵巡檢裝備的研究與應用，但由于分析目標及方法的不同，難以滿足當前變電設備運維管理需求。一種交互式的增強信息顯示技術在設備信息管理與運維檢修中得到應用，提升了業務信息交互效率。
在上述基礎上，本文研究基于增強現實技術的變電站巡維管理系統，利用移動互聯網和增強現實技術，使管理人員和專家能夠隨時隨地獲取現場運維人員的第一視角實時圖像，進行遠程音視頻溝通，實現現場作業的可視化及專家的遠程支持，從而指導檢修人員執行標準和規范化的工作流程，提高作業效率，避免誤操作，提高運維部門應對復雜作業和突發事件的響應速度與處置能力。
1 總體框架
結合巡檢工作現狀，設計基于增強現實技術的變電站巡維管理系統方案。系統包括管理系統和增強現實智能終端，管理人員和專家可通過后臺管理系統下發運維指令和協助現場巡檢的決策信息。智能終端接收管理系統下發的運維相關指令，并采集巡檢現場信息，上傳至管理系統。巡檢人員可利用智能終端發起遠程協助邀請，基于移動網絡，實現與后臺監控中心實時通話，實現遠程協助以及安全監督。總體方案如圖1所示。
圖1 系統架構
通過增強現實技術，系統將輔助信息實時傳送至現場操作人員智能交互終端增強顯示。現實即為人眼可直接看到的信息，把人眼無法直接看到的信息疊加在現實上顯示出來即為增強顯示。增強現實技術是將真實世界的信息和虛擬信息進行“無縫”集成，把現實世界在一定時間和空間范圍內無法同時呈現的信息，通過數字技術進行模擬仿真并實時疊加至真實空間，將虛擬信息應用到真實世界，實現兩種信息相互補充和互動。
系統軟件基于CentOS x64 Linux操作系統，采用Java編寫，利用HTML5、Bootstrap、SpringMVC實現。系統硬件主要研發智能終端，包括微型投影儀、傳感器、存儲等。智能交互終端利用光學反射投影原理（HUD），即微型投影儀先是將光投到棱鏡反射屏上，而后通過棱鏡折射到人體眼球，達到成像最清晰的效果。智能交互終端將傳感器采集到的數據上傳到管理系統，然后將信息轉發于后臺管理人員進行信息實時交互。硬件架構如圖2所示。
圖2 硬件架構
2 系統功能設計
本文設計的基于增強現實技術的變電站巡維管理系統主要包括現場作業安全監督管理、遠程在線會診和指揮管理、多媒體信息增強顯示和運維信息管理。
現場人員使用方法：現場人員在設備端登陸，后臺人工操作將運維計劃推送至智能終端，運維人員依據計劃開始作業，并利用智能終端二維碼識別功能掃描設備標簽，讀取設備歷史運維信息，在運維檢修過程中，現場視頻信息實時傳至檢修中心，檢修中心可對作業全過程實現安全監督。現場人員發現問題需協助的，利用智能終端呼叫專家或廠家技術人員，遠程協同診斷。運維作業結果拍照存檔，確認作業效果。
1）現場作業安全監督管理
管理人員通過網絡化智能終端實時監控現場操作，在檢修設備投運前各項安全措施檢查作業時，提前預設風險點，作業人員利用智能終端對作業風險點逐一確認。檢修作業時，智能終端可將現場作業視頻實時傳輸至后臺，可監督現場是否按圖施工，監督現場是否存在違章違規操作行為。同時在現場操作出現偏差時及時提醒操作人，確保單人操作的人身和設備安全，提高工作效率。
圖3 運維管理流程
圖4 現場運維監督
2）遠程在線會診和指揮管理
現場巡檢人員利用智能終端發起協助邀請，呼叫遠程專家，通過可穿戴設備建立視頻監控通道，第一視角同步圖像，指導現場操作，輔助現場決策，提供檢修建議。系統支持多方專家共享資料。
圖5 現場視頻共享
3）多媒體信息的增強顯示
在作業過程中，利用智能終端掃描設備電子標簽信息，智能終端將在設備上疊加融合相應的虛擬模型、圖形、文字及動畫等多媒體信息，通過手勢等交互方式可以自主翻閱相應的內容，主要包括變電設備的功能、內部結構、技術參數及運維檢修記錄等。同時后臺專家也可將輔助信息實時推送至現場操作人員智能交互終端顯示。
圖6 基于增強顯示的輔助信息推送
4）運維信息管理
運維信息管理模塊提供設備臺賬、運維缺陷信息、技術參數信息的增刪改查。
3 系統應用
3.1 應用案例
2017年11月20日，濟寧供電公司運維人員巡視某220kV變電站GIS設備時，通過掃描某氣室間隔上粘貼的二維碼，在后臺數據庫查找該二維碼所關聯設備的臺賬信息，臺賬信息包括：設備廠家、規格型號、生產日期、投運日期和歷史故障記錄。
后臺將該間隔的臺賬信息推送到運維人員佩戴的智能可穿戴終端設備上，運維人員進行重點查看和比對，分析查找該間隔GIS是否存在歷史缺陷，查看該缺陷是否消除，如缺陷未消除，則重點查看該缺陷的發展趨勢，并結合檢修部門制定狀態檢修計劃。
圖7 基于增強顯示的輔助信息推送現場實施
3.2 現場案例
2017年12月10日，濟寧供電公司運維人員在某110kV變電站佩戴智能眼鏡進行倒閘操作。現場需要2名運維人員，一名人員手持操作票，另一名人員進行操作，而操作人員操作過程中由于時間緊迫、精神高度緊張和體力的原因，時常會出現錯誤操作，對人員和設備造成傷害，導致重大事故的發生。
智能增強現實終端將操作順序及當前需要執行的操作步驟直接發送到運維人員的智能眼鏡顯示屏上，現場運維人員可根據顯示的操作任務及操作順序進行工作，提高工作效率。
圖8 倒閘操作
總結
本文將增強現實技術應用于變電設備巡視的管理模式，并結合信息化管理手段，優化管理流程。基于增強現實技術的信息推送，可將生產運行指令以可視化方式提示，音視頻實時交互，并在線監督操作人按規程、按步驟完成工作。
在設備應急搶修環節，可在線查詢運維檢修記錄和調取廠家技術資料，并與專家遠程協同診斷，實現“現場問題匯報—專家分析決策—作業指令下達—執行效果確認”，全過程閉環管理在第一時間完成，從而顯著提高電網運維作業效率與質量。
使用基于增強現實技術的智能可穿戴設備，將設備歷史缺陷信息、技術資料和現場運維融合，輔助現場人員分析診斷缺陷并決策，同時基于現場作業的安全監督，解決了現場人員管理的困難，使運行、檢修和管理得到了優化。
現場實際應用過程中，還存在以下不足：
1）智能終端未集成到安全帽上，不利于運維檢修使用。
2）后臺系統二維碼數據與設備關聯性不高。
3）數據源單一，樣本數據不足，現場輔助功能效果不明顯。
針對上述問題，系統的全面推廣應用還需進一步改進硬件終端裝置、不斷積累數據、融合缺陷自動診斷等功能，從而更好地提升作業效率。
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