基于增强现实技术的变电站巡检管理系统研究与应用
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国网山东省电力公司济宁供电公司的研究人员孙鹏、宋坤、徐刚、丁扬、张广飞，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文，为进一步提升变电站运维作业效率，开展基于增强现实的变电设备巡维高效监督管理研究，将增强现实技术应用于变电站巡检作业流程中，设计开发了基于智能交互终端的变电巡检管理系统，对系统的现场作业安全监督管理、远程在线会诊和指挥管理、多媒体信息增强显示和运维信息管理功能做了详细介绍，并将其应用于实际巡检管理工作中。以济宁供电公司在某220kV变电站应用为例，与传统的运维方式进行了比较，系统应用效果良好。
电网设备运行管理水平的提高离不开电网巡检管理手段的强化。随着电网一次设备类型和数量的增长，设备运维工作量也快速增长，导致运维班组十几个人需要负责十几座变电站的运行巡视工作，运维工作量的快速增长和巡检人力资源相对不足之间的矛盾日益突出。
现场运维检修人员由于经验不足以及信息不够及时和全面，难以准确判断设备缺陷原因及严重程度，需通过多层级才能传递到决策指挥机构，效率低。巡检过程中，现场人员无法直接了解部分设备信息，需返回档案室查询或问询其他人员，降低了工作效率。
同时，对于复杂的设备检修，存在运检人员一边翻看设备检修步骤一边操作的情形，该操作方法繁琐且不方便，作业效率不高。且由于部分变电设备操作步骤繁琐，边看边操作的作业效果也无法确保。变电站区域分布广，在设备调试、维修和紧急情况处理时，现场运维人员可能无法独自完成，作业质量和效果无法及时检查确认，设备和人身安全可能产生隐患，沟通和决策效率有待提高。在上述问题下，如何提升复杂电网的运维检修效率，是一个迫切需要解决的问题。
目前已有输变电设备运维检修辅助决策系统、智能视频分析的可视化运维管理和单兵巡检装备的研究与应用，但由于分析目标及方法的不同，难以满足当前变电设备运维管理需求。一种交互式的增强信息显示技术在设备信息管理与运维检修中得到应用，提升了业务信息交互效率。
在上述基础上，本文研究基于增强现实技术的变电站巡维管理系统，利用移动互联网和增强现实技术，使管理人员和专家能够随时随地获取现场运维人员的第一视角实时图像，进行远程音视频沟通，实现现场作业的可视化及专家的远程支持，从而指导检修人员执行标准和规范化的工作流程，提高作业效率，避免误操作，提高运维部门应对复杂作业和突发事件的响应速度与处置能力。
1 总体框架
结合巡检工作现状，设计基于增强现实技术的变电站巡维管理系统方案。系统包括管理系统和增强现实智能终端，管理人员和专家可通过后台管理系统下发运维指令和协助现场巡检的决策信息。智能终端接收管理系统下发的运维相关指令，并采集巡检现场信息，上传至管理系统。巡检人员可利用智能终端发起远程协助邀请，基于移动网络，实现与后台监控中心实时通话，实现远程协助以及安全监督。总体方案如图1所示。
图1 系统架构
通过增强现实技术，系统将辅助信息实时传送至现场操作人员智能交互终端增强显示。现实即为人眼可直接看到的信息，把人眼无法直接看到的信息叠加在现实上显示出来即为增强显示。增强现实技术是将真实世界的信息和虚拟信息进行“无缝”集成，把现实世界在一定时间和空间范围内无法同时呈现的信息，通过数字技术进行模拟仿真并实时叠加至真实空间，将虚拟信息应用到真实世界，实现两种信息相互补充和互动。
系统软件基于CentOS x64 Linux操作系统，采用Java编写，利用HTML5、Bootstrap、SpringMVC实现。系统硬件主要研发智能终端，包括微型投影仪、传感器、存储等。智能交互终端利用光学反射投影原理（HUD），即微型投影仪先是将光投到棱镜反射屏上，而后通过棱镜折射到人体眼球，达到成像最清晰的效果。智能交互终端将传感器采集到的数据上传到管理系统，然后将信息转发于后台管理人员进行信息实时交互。硬件架构如图2所示。
图2 硬件架构
2 系统功能设计
本文设计的基于增强现实技术的变电站巡维管理系统主要包括现场作业安全监督管理、远程在线会诊和指挥管理、多媒体信息增强显示和运维信息管理。
现场人员使用方法：现场人员在设备端登陆，后台人工操作将运维计划推送至智能终端，运维人员依据计划开始作业，并利用智能终端二维码识别功能扫描设备标签，读取设备历史运维信息，在运维检修过程中，现场视频信息实时传至检修中心，检修中心可对作业全过程实现安全监督。现场人员发现问题需协助的，利用智能终端呼叫专家或厂家技术人员，远程协同诊断。运维作业结果拍照存档，确认作业效果。
1）现场作业安全监督管理
管理人员通过网络化智能终端实时监控现场操作，在检修设备投运前各项安全措施检查作业时，提前预设风险点，作业人员利用智能终端对作业风险点逐一确认。检修作业时，智能终端可将现场作业视频实时传输至后台，可监督现场是否按图施工，监督现场是否存在违章违规操作行为。同时在现场操作出现偏差时及时提醒操作人，确保单人操作的人身和设备安全，提高工作效率。
图3 运维管理流程
图4 现场运维监督
2）远程在线会诊和指挥管理
现场巡检人员利用智能终端发起协助邀请，呼叫远程专家，通过可穿戴设备建立视频监控通道，第一视角同步图像，指导现场操作，辅助现场决策，提供检修建议。系统支持多方专家共享资料。
图5 现场视频共享
3）多媒体信息的增强显示
在作业过程中，利用智能终端扫描设备电子标签信息，智能终端将在设备上叠加融合相应的虚拟模型、图形、文字及动画等多媒体信息，通过手势等交互方式可以自主翻阅相应的内容，主要包括变电设备的功能、内部结构、技术参数及运维检修记录等。同时后台专家也可将辅助信息实时推送至现场操作人员智能交互终端显示。
图6 基于增强显示的辅助信息推送
4）运维信息管理
运维信息管理模块提供设备台账、运维缺陷信息、技术参数信息的增删改查。
3 系统应用
3.1 应用案例
2017年11月20日，济宁供电公司运维人员巡视某220kV变电站GIS设备时，通过扫描某气室间隔上粘贴的二维码，在后台数据库查找该二维码所关联设备的台账信息，台账信息包括：设备厂家、规格型号、生产日期、投运日期和历史故障记录。
后台将该间隔的台账信息推送到运维人员佩戴的智能可穿戴终端设备上，运维人员进行重点查看和比对，分析查找该间隔GIS是否存在历史缺陷，查看该缺陷是否消除，如缺陷未消除，则重点查看该缺陷的发展趋势，并结合检修部门制定状态检修计划。
图7 基于增强显示的辅助信息推送现场实施
3.2 现场案例
2017年12月10日，济宁供电公司运维人员在某110kV变电站佩戴智能眼镜进行倒闸操作。现场需要2名运维人员，一名人员手持操作票，另一名人员进行操作，而操作人员操作过程中由于时间紧迫、精神高度紧张和体力的原因，时常会出现错误操作，对人员和设备造成伤害，导致重大事故的发生。
智能增强现实终端将操作顺序及当前需要执行的操作步骤直接发送到运维人员的智能眼镜显示屏上，现场运维人员可根据显示的操作任务及操作顺序进行工作，提高工作效率。
图8 倒闸操作
本文将增强现实技术应用于变电设备巡视的管理模式，并结合信息化管理手段，优化管理流程。基于增强现实技术的信息推送，可将生产运行指令以可视化方式提示，音视频实时交互，并在线监督操作人按规程、按步骤完成工作。
在设备应急抢修环节，可在线查询运维检修记录和调取厂家技术资料，并与专家远程协同诊断，实现“现场问题汇报—专家分析决策—作业指令下达—执行效果确认”，全过程闭环管理在第一时间完成，从而显著提高电网运维作业效率与质量。
使用基于增强现实技术的智能可穿戴设备，将设备历史缺陷信息、技术资料和现场运维融合，辅助现场人员分析诊断缺陷并决策，同时基于现场作业的安全监督，解决了现场人员管理的困难，使运行、检修和管理得到了优化。
现场实际应用过程中，还存在以下不足：
1）智能终端未集成到安全帽上，不利于运维检修使用。
2）后台系统二维码数据与设备关联性不高。
3）数据源单一，样本数据不足，现场辅助功能效果不明显。
针对上述问题，系统的全面推广应用还需进一步改进硬件终端装置、不断积累数据、融合缺陷自动诊断等功能，从而更好地提升作业效率。