增強現(xiàn)實技術的變電站巡檢管理系統(tǒng)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(yè)效率，開展基于增強現(xiàn)實的變電設備巡維高效監(jiān)督管理研究，將增強現(xiàn)實技術應用于變電站巡檢作業(yè)流程中，設計開發(fā)了基于智能交互終端的變電巡檢管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)的現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)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(tǒng)的運維方式進行了比較，系統(tǒng)應用效果良好。
電網(wǎng)設備運行管理水平的提高離不開電網(wǎng)巡檢管理手段的強化。隨著電網(wǎng)一次設備類型和數(shù)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(xiàn)場運維檢修人員由于經(jīng)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?jīng)Q策指揮機構，效率低。巡檢過程中，現(xiàn)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(yè)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(yè)效果也無法確保。變電站區(qū)域分布廣，在設備調(diào)試、維修和緊急情況處理時，現(xiàn)場運維人員可能無法獨自完成，作業(yè)質(zhì)量和效果無法及時檢查確認，設備和人身安全可能產(chǎn)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(wǎng)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(tǒng)、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(yè)務信息交互效率。
在上述基礎上，本文研究基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)，利用移動互聯(lián)網(wǎng)和增強現(xiàn)實技術，使管理人員和專家能夠隨時隨地獲取現(xiàn)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(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)的可視化及專家的遠程支持，從而指導檢修人員執(zhí)行標準和規(guī)范化的工作流程，提高作業(yè)效率，避免誤操作，提高運維部門應對復雜作業(yè)和突發(fā)事件的響應速度與處置能力。
1 總體框架
結合巡檢工作現(xiàn)狀，設計基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)方案。系統(tǒng)包括管理系統(tǒng)和增強現(xiàn)實智能終端，管理人員和專家可通過后臺管理系統(tǒng)下發(fā)運維指令和協(xié)助現(xiàn)場巡檢的決策信息。智能終端接收管理系統(tǒng)下發(fā)的運維相關指令，并采集巡檢現(xiàn)場信息，上傳至管理系統(tǒng)。巡檢人員可利用智能終端發(fā)起遠程協(xié)助邀請，基于移動網(wǎng)絡，實現(xiàn)與后臺監(jiān)控中心實時通話，實現(xiàn)遠程協(xié)助以及安全監(jiān)督?？傮w方案如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)架構
通過增強現(xiàn)實技術，系統(tǒng)將輔助信息實時傳送至現(xiàn)場操作人員智能交互終端增強顯示?，F(xiàn)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(xiàn)實上顯示出來即為增強顯示。增強現(xiàn)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(xiàn)實世界在一定時間和空間范圍內(nèi)無法同時呈現(xiàn)的信息，通過數(shù)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(xiàn)兩種信息相互補充和互動。
系統(tǒng)軟件基于CentOS x64 Linux操作系統(tǒng)，采用Java編寫，利用HTML5、Bootstrap、SpringMVC實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件主要研發(fā)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(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng)，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)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(tǒng)功能設計
本文設計的基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)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(xiàn)場人員使用方法：現(xiàn)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(jù)計劃開始作業(yè)，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(xiàn)場視頻信息實時傳至檢修中心，檢修中心可對作業(yè)全過程實現(xiàn)安全監(jiān)督?，F(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)問題需協(xié)助的，利用智能終端呼叫專家或廠家技術人員，遠程協(xié)同診斷。運維作業(yè)結果拍照存檔，確認作業(yè)效果。
1）現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)督管理
管理人員通過網(wǎng)絡化智能終端實時監(jiān)控現(xiàn)場操作，在檢修設備投運前各項安全措施檢查作業(yè)時，提前預設風險點，作業(yè)人員利用智能終端對作業(yè)風險點逐一確認。檢修作業(yè)時，智能終端可將現(xiàn)場作業(yè)視頻實時傳輸至后臺，可監(jiān)督現(xiàn)場是否按圖施工，監(jiān)督現(xiàn)場是否存在違章違規(guī)操作行為。同時在現(xiàn)場操作出現(xiàn)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(xiàn)場運維監(jiān)督
2）遠程在線會診和指揮管理
現(xiàn)場巡檢人員利用智能終端發(fā)起協(xié)助邀請，呼叫遠程專家，通過可穿戴設備建立視頻監(jiān)控通道，第一視角同步圖像，指導現(xiàn)場操作，輔助現(xiàn)場決策，提供檢修建議。系統(tǒng)支持多方專家共享資料。
圖5 現(xiàn)場視頻共享
3）多媒體信息的增強顯示
在作業(yè)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(nèi)容，主要包括變電設備的功能、內(nèi)部結構、技術參數(shù)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(xiàn)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(shù)信息的增刪改查。
3 系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫查找該二維碼所關聯(lián)設備的臺賬信息，臺賬信息包括：設備廠家、規(guī)格型號、生產(chǎn)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(fā)展趨勢，并結合檢修部門制定狀態(tài)檢修計劃。
圖7 基于增強顯示的輔助信息推送現(xiàn)場實施
3.2 現(xiàn)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?，F(xiàn)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(xiàn)錯誤操作，對人員和設備造成傷害，導致重大事故的發(fā)生。
智能增強現(xiàn)實終端將操作順序及當前需要執(zhí)行的操作步驟直接發(fā)送到運維人員的智能眼鏡顯示屏上，現(xiàn)場運維人員可根據(jù)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(xiàn)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(yōu)化管理流程?；谠鰪姮F(xiàn)實技術的信息推送，可將生產(chǎn)運行指令以可視化方式提示，音視頻實時交互，并在線監(jiān)督操作人按規(guī)程、按步驟完成工作。
在設備應急搶修環(huán)節(jié)，可在線查詢運維檢修記錄和調(diào)取廠家技術資料，并與專家遠程協(xié)同診斷，實現(xiàn)“現(xiàn)場問題匯報—專家分析決策—作業(yè)指令下達—執(zhí)行效果確認”，全過程閉環(huán)管理在第一時間完成，從而顯著提高電網(wǎng)運維作業(yè)效率與質(zhì)量。
使用基于增強現(xiàn)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(xiàn)場運維融合，輔助現(xiàn)場人員分析診斷缺陷并決策，同時基于現(xiàn)場作業(yè)的安全監(jiān)督，解決了現(xiàn)場人員管理的困難，使運行、檢修和管理得到了優(yōu)化。
現(xiàn)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(tǒng)二維碼數(shù)據(jù)與設備關聯(lián)性不高。
3）數(shù)據(jù)源單一，樣本數(shù)據(jù)不足，現(xiàn)場輔助功能效果不明顯。
針對上述問題，系統(tǒng)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(shù)據(jù)、融合缺陷自動診斷等功能，從而更好地提升作業(yè)效率。
電網(wǎng)設備運行管理水平的提高離不開電網(wǎng)巡檢管理手段的強化。隨著電網(wǎng)一次設備類型和數(shù)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(xiàn)場運維檢修人員由于經(jīng)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?jīng)Q策指揮機構，效率低。巡檢過程中，現(xiàn)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(yè)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(yè)效果也無法確保。變電站區(qū)域分布廣，在設備調(diào)試、維修和緊急情況處理時，現(xiàn)場運維人員可能無法獨自完成，作業(yè)質(zhì)量和效果無法及時檢查確認，設備和人身安全可能產(chǎn)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(wǎng)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(tǒng)、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(yè)務信息交互效率。
在上述基礎上，本文研究基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)，利用移動互聯(lián)網(wǎng)和增強現(xiàn)實技術，使管理人員和專家能夠隨時隨地獲取現(xiàn)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(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)的可視化及專家的遠程支持，從而指導檢修人員執(zhí)行標準和規(guī)范化的工作流程，提高作業(yè)效率，避免誤操作，提高運維部門應對復雜作業(yè)和突發(fā)事件的響應速度與處置能力。
1 總體框架
結合巡檢工作現(xiàn)狀，設計基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)方案。系統(tǒng)包括管理系統(tǒng)和增強現(xiàn)實智能終端，管理人員和專家可通過后臺管理系統(tǒng)下發(fā)運維指令和協(xié)助現(xiàn)場巡檢的決策信息。智能終端接收管理系統(tǒng)下發(fā)的運維相關指令，并采集巡檢現(xiàn)場信息，上傳至管理系統(tǒng)。巡檢人員可利用智能終端發(fā)起遠程協(xié)助邀請，基于移動網(wǎng)絡，實現(xiàn)與后臺監(jiān)控中心實時通話，實現(xiàn)遠程協(xié)助以及安全監(jiān)督?？傮w方案如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)架構
通過增強現(xiàn)實技術，系統(tǒng)將輔助信息實時傳送至現(xiàn)場操作人員智能交互終端增強顯示?，F(xiàn)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(xiàn)實上顯示出來即為增強顯示。增強現(xiàn)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(xiàn)實世界在一定時間和空間范圍內(nèi)無法同時呈現(xiàn)的信息，通過數(shù)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(xiàn)兩種信息相互補充和互動。
系統(tǒng)軟件基于CentOS x64 Linux操作系統(tǒng)，采用Java編寫，利用HTML5、Bootstrap、SpringMVC實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件主要研發(fā)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(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng)，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)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(tǒng)功能設計
本文設計的基于增強現(xiàn)實技術的變電站巡維管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)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(xiàn)場人員使用方法：現(xiàn)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(jù)計劃開始作業(yè)，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(xiàn)場視頻信息實時傳至檢修中心，檢修中心可對作業(yè)全過程實現(xiàn)安全監(jiān)督?，F(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)問題需協(xié)助的，利用智能終端呼叫專家或廠家技術人員，遠程協(xié)同診斷。運維作業(yè)結果拍照存檔，確認作業(yè)效果。
1）現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)督管理
管理人員通過網(wǎng)絡化智能終端實時監(jiān)控現(xiàn)場操作，在檢修設備投運前各項安全措施檢查作業(yè)時，提前預設風險點，作業(yè)人員利用智能終端對作業(yè)風險點逐一確認。檢修作業(yè)時，智能終端可將現(xiàn)場作業(yè)視頻實時傳輸至后臺，可監(jiān)督現(xiàn)場是否按圖施工，監(jiān)督現(xiàn)場是否存在違章違規(guī)操作行為。同時在現(xiàn)場操作出現(xiàn)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(xiàn)場運維監(jiān)督
2）遠程在線會診和指揮管理
現(xiàn)場巡檢人員利用智能終端發(fā)起協(xié)助邀請，呼叫遠程專家，通過可穿戴設備建立視頻監(jiān)控通道，第一視角同步圖像，指導現(xiàn)場操作，輔助現(xiàn)場決策，提供檢修建議。系統(tǒng)支持多方專家共享資料。
圖5 現(xiàn)場視頻共享
3）多媒體信息的增強顯示
在作業(yè)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(nèi)容，主要包括變電設備的功能、內(nèi)部結構、技術參數(shù)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(xiàn)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(shù)信息的增刪改查。
3 系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫查找該二維碼所關聯(lián)設備的臺賬信息，臺賬信息包括：設備廠家、規(guī)格型號、生產(chǎn)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(fā)展趨勢，并結合檢修部門制定狀態(tài)檢修計劃。
圖7 基于增強顯示的輔助信息推送現(xiàn)場實施
3.2 現(xiàn)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?，F(xiàn)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(xiàn)錯誤操作，對人員和設備造成傷害，導致重大事故的發(fā)生。
智能增強現(xiàn)實終端將操作順序及當前需要執(zhí)行的操作步驟直接發(fā)送到運維人員的智能眼鏡顯示屏上，現(xiàn)場運維人員可根據(jù)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(xiàn)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(yōu)化管理流程?；谠鰪姮F(xiàn)實技術的信息推送，可將生產(chǎn)運行指令以可視化方式提示，音視頻實時交互，并在線監(jiān)督操作人按規(guī)程、按步驟完成工作。
在設備應急搶修環(huán)節(jié)，可在線查詢運維檢修記錄和調(diào)取廠家技術資料，并與專家遠程協(xié)同診斷，實現(xiàn)“現(xiàn)場問題匯報—專家分析決策—作業(yè)指令下達—執(zhí)行效果確認”，全過程閉環(huán)管理在第一時間完成，從而顯著提高電網(wǎng)運維作業(yè)效率與質(zhì)量。
使用基于增強現(xiàn)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(xiàn)場運維融合，輔助現(xiàn)場人員分析診斷缺陷并決策，同時基于現(xiàn)場作業(yè)的安全監(jiān)督，解決了現(xiàn)場人員管理的困難，使運行、檢修和管理得到了優(yōu)化。
現(xiàn)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(tǒng)二維碼數(shù)據(jù)與設備關聯(lián)性不高。
3）數(shù)據(jù)源單一，樣本數(shù)據(jù)不足，現(xiàn)場輔助功能效果不明顯。
針對上述問題，系統(tǒng)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(shù)據(jù)、融合缺陷自動診斷等功能，從而更好地提升作業(yè)效率。
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