基于AR的用电检测远程指导系统设计

傅望 李楷 刘克恒 谢焰 青志明 王立宗

摘   要：在防窃电用电检测过程中，由于现场线路环境复杂、设备差异大，同时，作业人员对检测工具的掌握参差不齐，影响了检测效率和质量。传统集中培训的方式受时间场地的影响，主要培训典型问题的处理，而作业过程中遇到的新问题不能实时得到指导。文章利用AR技术，实时推送现场线路构造及设备3D模型，使作业人员快速掌握现场情况，当遇到复杂问题时，也可实时与后台专家进行交互，快速解决问题，提高防窃电检查的效率和质量。

关键词：增强现实;防窃电;用电检测;可穿戴

1    用电检测远程指导系统设计的必要性

由于利益的驱动，窃电行为在我国层出不穷，窃电方法也越来越具有隐蔽性和科技性[1]。随着我国智能电网的建设，对窃电行为的检测也趋于智能化，可以通过对用电大数据的智能化分析准确判断用户的异常用电行为，再由现场作业人员进行排查、核实。但在现场排查过程中可能遇到的一系列問题，将导致排查、检测的结果并不理想，影响窃电检测效率和质量，主要困难包括：

（1）窃电行为具有隐蔽性和间断性。窃电用户采用高科技手段进行窃电，且窃电行为经常发生在夜间，工作人员难以发现。

（2）现场线路环境复杂。作业人员需要熟悉该片区线路设计才可进行窃电检测，对不熟悉的现场需要即时查阅相关图纸，影响检测效率。

（3）用电设备差异化大。由于历史原因，我国存在大量不同批次、不同类型、不同厂家的用电计量设备，用电检查的方法不尽相同，要求作业人员掌握所有设备的操作要领比较困难。

（4）在现场用电检查过程中，对检查方法步骤的掌握和对检测工具使用的熟练程度也会影响检测质量和效率，受培训时间影响，员工对检测方法和工具使用的掌握程度也参差不齐。

（5）在现场作业过程中，当遇到比较复杂问题时，传统方法是通过电话联系由专家指导解决，但专家不能实时、准确地了解现场情况，影响检测效率。

基于上述问题，本文提出基于可穿戴增强现实（Aug-mented Reality，AR）的用电检查远程指导系统，在解放双手的情况下将现场线路及设备的3D模型实时投射到可穿戴眼镜上，使作业人员能实时查看布线情况和设备构造，利用动画、语音等提示操作步骤，为规范操作规程、提高检测效率提供了有力的支持。另外，当遇到比较复杂的问题时，也可通过可穿戴眼镜的摄像头，将现场第一视角图像实时传送给后台专家，使后台专家及时，准确地了解现场情况并进行指导，有效解决了复杂问题;在检测过程中，也可通过便携摄像头摄录作业过程，为后续的调查取证提供材料，也为集中式培训提供了教学案例。

2    AR技术

AR技术通过构建全三维、交互式的场景，将虚拟信息叠加在真实的世界中，可穿戴AR设备让使用者的视野显示出现实世界不能显示的内容，特别适用于电力现场作业。在电力现场作业时，通过可穿戴AR设备，现场作业人员可实时获得现场设备的各种隐含信息并叠加到实际设备中，如接线说明、设备参数、检查历史等（见图1）。也可以将采集的设备状态数据实时上传后台，后台进行信息的分析、处理，如果发现问题和缺陷，通过AR设备实时推送给作业人员，协助完成故障排查。

AR技术具有虚实结合、实时交互、三维配准3个特征[2]，其中，虚实结合要求AR技术能够将虚拟信息叠加、融合进现实环境，同时要求虚拟信息在现实场景中具有真实的存在感和位置感。因此，需要利用各种传感或摄像设备对现实世界中的信息进行采集，利用采集的信息进行建模。AR设备与环境和用户之间的交互对时延要求较高，数据采集与处理并做出相应的操作需要在极短时间内完成，否则会产生失真感，严重时还可能导致眩晕等不良生理反应。AR设备通过计算配准模型在现实空间的位置与姿态，实现与显示世界的准确叠加，叠加过程需要协调多个设备进行大量的运算，因此要求AR后台需要强大的运算能力。可考虑采用分布式处理方式以应对来自环境与用户的海量数据。

3    系统结构

本系统主要包括：可穿戴AR安全帽、传输网络、3D模型库等部分，系统结构如图2所示。

3.1  可穿戴AR安全帽

在用电检测作业过程中，作业人员需要携带大量设备，不利于工作开展。系统将AR设备集成到安全帽中，有利于解放作业人员双手，信息投射到眼镜上查看更为方便、准确。具体设计以防窃电检查过程中的场景为参考，创建对应的操作模型，包括：设备识别、信息展示、语音交互、现场拍照、视频录制传送等功能[3]。

3.2  无线传输网络

在用电检查作业过程中，需要将设备信息及3D模型数据实时投射到AR眼镜显示设备中，同时需要将采集的视频图片数据传送到后台进行分析和专家指导，因此，要保证数据传送的时延较小。在防窃电用电检查作业时，一般不具备稳定的WiFi环境，需要借助4G或5G网络进行传输，目前5G尚不普及，主要依靠4G网络。为了达到理想的传输效果，需要对传输的数据内容进行优化，在保证时延低的情况下实现较高的图片、视频质量[4]。

3.3  后台建模及分析

为了实现在AR眼镜中呈现设备及线路信息模型，需要提前将现场设备及线路进行建模，检测流程和工具使用步骤也需要进行过程模型的建立。因此，后台建模是AR系统能否实现的前提条件，建模的工作量巨大，应考虑使用传统的Unity3D技术建模的同时，利用3D深度镜头实现设备快速建模。

根据现场采集图片，自动分析判断设备缺陷，及时提醒作业人员进行排查，遇到复杂问题也可连线相关专家，进行在线指导作业，提高检测效率。

4  在防窃电中的应用

4.1  作业信息获取

在进行电力防窃电检查过程中，作业人员佩戴AR设备，通过图像识别技术快速识别现场设备和作业场景，系统从后台获取对应现场设备和线路情况的信息，利用可穿戴设备的光学显示器将多种信息叠加到现实世界，也可根据需要随时调阅相关资料，提高检修效率[5]。

4.2  規范作业流程

在使用检测工具进行检查作业时，将已经建立的操作过程模型投射到可穿戴AR设备中，提示作业人员工作流程、工具使用的步骤，进一步规范作业过程，提高工具利用效率以及作业质量。

4.3  远程专家指导

在检测作业过程中，如遇到复杂问题需要设备厂商或专家进行指导时，作业人员可将现场图像及语音实时传送给技术人员或专家，使后台专家能够以第一视角查看现场情况，及时推送相关资料并提供作业指导，快速解决问题，克服了传统手机、对讲等对现场描述不清的问题。

4.4  作业过程取证

检查作业既是作业过程也是取证过程。传统的取证方式仅是图片记录，无法对作业过程进行监督，导致取证数据的可信度降低。采用可穿戴AR设备进行作业，并记录过程，在规范作业的同时获取第一视角的记录，具备可信性，为后续作业考核和窃电行为等提供依据。

5    结语

目前，AR技术趋于完善，AR设备层出不穷，已经具备现场实施的基本条件。将便携AR设备应用到电力设备检查作业中，有利于作业人员对现场设备信息的快速了解，规范作业步骤、熟练掌握检查工具的使用，进而提高工作效率。以第一视角进行视频采集既可提供给远程专家进行作业指导，同时也可对作业过程进行监督和取证，为电力检查作业带来极大便利。

[参考文献]

[1]李怡璇.反窃电培训系统中虚拟现实关键技术的研究[D].北京：华北电力大学，2018.

[2]李忠魁，邝石，杨富磊，等.基于增强现实（AR）技术的输电线路多场景巡视研究[J].内蒙古科技与经济，2019（19）：88-90.

[3]谢维兵，敬勇，刘敏，等.增强现实（AR）技术在电网培训中的运用[J].重庆电力高等专科学校学报，2018（1）：43-45.

[4]刘启才.可穿戴AR单兵系统在电力检修工作现场的应用[C].无锡：生态互联数字电力—2019电力行业信息化年会论文集，2019.

[5]李军锋，何双伯，冯伟夏，等.电力设备智能巡检中增强现实（AR）技术的应用研究[J].电工技术，2018（3）：96-97.

Abstract：In the detection process of electricity anti-theft， due to the complex line environment， large differences in equipment， and the uneven control of detection tools by operators， the detection efficiency and quality are affected. The traditional way of training is affected by time and place. It mainly deals with the typical problems of training， but the new problems encountered in the process of operation cannot be guided in real time. In this paper， AR technology is used to push real-time on-site line construction and equipment 3D model， so that operators can quickly grasp the on-site situation. When encountering complex problems， they can also interact with backstage experts in real time， solve problems quickly， and improve the efficiency and quality of anti stealing inspection.

Key words：augmented reality; electricity anti-theft; electricity detection; wearable