增强现实在电网仿真培训和工作辅助的应用

2017-11-30李军锋何双伯冯伟夏

科技与创新 2017年21期

关键词：现实辅助电网

薛江，李军锋，何双伯，冯伟夏

（广东电网有限责任公司教育培训评价中心，广东广州 510520）

增强现实在电网仿真培训和工作辅助的应用

薛江，李军锋，何双伯，冯伟夏

（广东电网有限责任公司教育培训评价中心，广东广州 510520）

随着微软Hololens的发布，增强现实技术的研究和应用迎来新的高潮。重点研究了增强现实技术中的三维注册技术、虚实融合显示技术和人机实时交互技术。在此基础上，将增强现实技术结合微软Hololens头盔应用到电网的仿真培训和工作辅助中。在仿真培训中实现了设备认知培训、远程专家支持和电缆沟认知等案例，在工作辅助中实现了变电站现场作业AR智能辅助系统。实际应用表时，增强现实技术可以有效提升电网中仿真培训的效果，并对现场工作辅助有一定的帮助。

Hololens；增强现实；仿真培训；工作辅助

增强现实（Augmented reality，AR）[1]是在用户观察到的真实自然环境中添加计算机生成的文字、3D模型等信息的技术。增强现实具有虚实混合的特性，实现了虚拟世界和真实世界的融合，可以很好地解决虚拟现实中场景真实感不足的问题。一个AR系统的基本工作流程包括虚拟信息的建立和渲染、真实世界中的跟踪和定位、虚拟信息在真实场景中的注册、显示输出和实时的人机交互。

虚拟信息的建立和渲染在电网中主要是通过一定的方法进行电网本体和电网设备的3D模型的建立[2]。而真实世界中的跟踪和定位主要包括使用单一姿态跟踪器的方法和混合跟踪技术[3]。虚拟信息在真实场景中的注册主要解决虚实匹配的问题，其中，虚实遮挡是研究的一个难点[4]。显示输出和实时人机交互的研究中，不同的输出设备、不同的人机交互方式给用户带来不同的体验[5]。本文重点研究了增强现实在电网仿真培训和工作辅助中的应用。

1 增强现实技术

增强现实具有3个重要特性，也是其3大关键技术所在：①三维注册技术，即利用自动跟踪技术将虚拟模型和真实物体精确地对准；②虚实融合显示技术使虚拟模型和真实世界中的物体共存于用户的视野中；③人机实时交互技术，用户可以与视野中的真实物体和虚拟物体进行实时的交互。

1.1 三维注册技术

三维注册技术是实现移动增强现实应用的基础技术，也是决定移动增强现实应用系统性能优劣的关键。其主要完成的任务是实时检测出摄像头相对于真实场景的位置状态并确定虚拟模型在真实世界中的位置坐标。在电网应用中，可结合手机、平板电脑、可穿戴设备的视频摄像头、罗盘、加速器等传感器，通过AR＋LBS模式，获取当前工作区的属性信息、环境或者历史记录等信息；结合快速响应码（二维码）及特定图形识别等技术，快速获取电力设备、工器具、建筑物等设备的相关属性信息。

1.2 虚实融合显示技术

虚实融合显示技术是通过特定的显示设备结合一定的显示算法使虚拟模型和真实世界中的物体在用户视野中共存。目前的显示设备分为头盔显示式、手持显示式以及投影显示式等。随着微软Hololens头盔的发布，增强现实在虚实融合显示方面有了极大的进展，也加速了增强现实在电网仿真培训和工作辅助中的应用。虚实整合算法的一个关键点是通过基于视觉的光照一致性算法，实现虚拟物体与真实物体之间的遮挡、阴影和光照一致性。

1.3 人机实时交互技术

人机实时交互技术指通过基于触控式、菜单式或者手势识别算法，将用户的交互操作输入到计算机后，经过处理将交互的结果通过显示设备显示输出，使用户可以通过改变当前画面标定内容，将自己感兴趣的内容显示出来，或者交互操作显示的虚拟物体。人机交互可以使用鼠标键盘、数据手套等传统外接设备，也可以利用预先设定好的特定标志，通过触发事件的方式来实现，而最新的微软Hololens是通过特定的手势来实现人机实时交互。

2 增强现实在电网仿真培训中的应用

增强现实技术在仿真培训中早有应用。早期的增强现实主要是通过手机将物体的三维模型、动画等进行显示，让学员进行学习。而微软Hololens推出之后，通过佩戴Hololens头盔，可以更好地实现增强现实的仿真培训。目前，基于增强现实的仿真培训主要应用于以下几个方面。

2.1 设备认知培训

将设备认知与增强现实技术结合起来用于培训，满足电网公司信息化安全要求，能够帮助员工提升教育培训及绩效支持效率，提高电网公司教育培训工作的针对性，开展基于场景的真实性学习培训工作，提高培训资源的利用效益。

2.2 远程专家支持

基于AR移动设备与系统后台进行远程互动，通过远程语音帮助、图片参考、视频指导、相关推荐信息的发送，用以解决操作人员遇到难以做出决策的工作项目，操作人员可以通过AR智能终端将现场复杂的场景直接传输到后台，后台专家根据现场情况通过语音或是相关的图片、动画推送给现场操作者，让现场操作人员直接获得指导，极大地减少了沟通和交流成本。

2.3 电缆检测培训

对地下电力电缆的精确位置建立详细的位置数据库。利用AR设备扫描检修地点的街景，通过街景识别技术来对工作人员进行定位。系统调用位置数据库的信息，根据工作人员与电缆的相对位置画面显示电缆的位置。

3 增强现实在电网工作辅助中的应用

“基于增强现实的工作辅助及其系统”通过研究工作辅助课件注册、追踪、交互算法等，探索增强现实技术在电网工作辅助与教育培训领域的融合应用，构建增强现实技术的电网仿真培训、工作辅助、现场支持等方面的应用模式，对现场工作人员开展试验、巡视、检查、维护等工作提供支持，增强了培训的趣味性和实效性，具备广阔的应用前景。

变电站现场作业因设备繁多、专业性强、安全风险大，对人员素质和技能要求很高。开发变电站现场作业AR智能辅助系统，为现场人员实时提供高度融合现场环境的引导与辅助信息，支持后台专家团队及时纠正现场人员错误操作并提供远程协助，保障现场作业的安全、规范、高效，对提升变电站现场作业水平有着重大意义。以线路停复电操作为例，介绍变电站现场作业AR智能辅助系统的实例应用。在操作界面选择对应的信息按钮，可以获取相关的信息。选择“工作任务”，可以获取工作任务的详细信息，包括任务名称、任务编号、任务详细步骤等信息。选择“线路导航”，可以获取变电站三维沙盘，并在沙盘上显示作业人员所处位置、工作任务位置及线路导航指示。作业人员根据导航指示到达工作任务地点，选择“安全风险”可获取本工作任务的危险点及控制措施，并显示本次作业工作区域，若超出工作区域范围，系统将会给予危险警示。当作业过程中遇到疑问时，可随时通过系统联系远程支持专家，将现场第一视角影像通过AR设备传输给专家，专家可根据现场实际情况给予技术支持。选择“变电站信息”可查询变电站台账信息、接线图、人员信息等信息。作业过程中，系统会按照标准的作业操作流程显示作业引导信息。比如作业第11步为检查机构箱门应上锁，系统会显示相应的引导信息。当检查机构箱门已上锁，并在作业任务页面打钩确认该步骤后，系统会自动显示下一操作步骤引导信息为“验明闸刀开关侧三相无电”，作业人员按照标准作业引导信息提示逐步完成整个工作任务。