基于增强现实技术的承压类特种设备检验系统的设计

颜泽钢，杨景标，刘磊

（广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251）

1 前言

特种设备正朝大型化、高参数的方向发展，设备数量逐年增加，检验复杂程度和难度不断增大。特种设备检验目前采用全流程的人工检验模式，致使检验人员工作强度大，任务繁重，且对检验人员要求较高。此外，承压类特种设备普遍具有压力大、温度高、介质复杂，且受力复杂等特点，人工检验模式无法完全满足复杂的检验环境要求，使得检验效率较低。同时，检验过程中检验结果的记录只保留不合格部位的图像，获得的检验信息匮乏。特种设备检验周期间隔时间长，且历次检验部位的选取存在差异，使检验结果的可对比性较差，难以准确反映缺陷演变发展规律，使特种设备的安全状况或剩余寿命预测不够准确。对于全人工检验模式所存在的弊端，单纯通过提高检验人员素质的方式收效甚微，亟需对检验模式进行创新性设计。AR技术作为一种将虚拟信息叠加到真实场景，并可与之进行互动的技术，极大地拓展了人的感知能力。将AR技术应用在检验系统中，可将检验人员现场无法获取的特种设备信息与现场检验环境结合起来，有利于提高检验效率、降低成本，打破传统检验模式的局限性。检验人员能够获得更加全面的数据，得到更加全面而客观的检验结果，对保证特种设备安全性能具有重要意义。

2 基于AR技术检验系统的构建

2.1 增强现实(AR)技术

增强现实（AR）技术是一种基于计算机实时计算和多传感器相融合，将现实世界与虚拟信息结合与交互的技术。近年来，AR技术发展迅速，已在教育、娱乐、医疗、军事、城市规划、导航等领域发挥其作用。由于承压类特种设备及其检验的特殊性，关于AR技术在特种设备检验中的应用研究报道较少。因此，通过AR技术提高承压类特种设备检验系统的数字化、可视化与智能化，是一种新颖的检验系统开发思路。

2.2 系统总体设计

综合考虑现场检验条件与AR技术特点，本检验系统设计流程图见图1，该系统整体包括两部分：前端客户端与后端服务器。前端客户端负责图像的采集和增强现实信息的显示等。后端服务器负责图像识别、渲染信息建立、数据存储等。客户端与服务器可采用无线网络来连接。从图1系统设计流程图可看出，本系统充分发挥AR技术的特点，采用视频式增强的显示技术，对待检特种设备进行画面拼接与显示。同时，采用移动式传感器的跟踪技术与摄像头标定的注册技术，将相关数据报告给AR系统，实现以待检设备作为被跟踪对象实际的地理坐标与虚拟的坐标相统一，达到让虚拟物体与设备环境无缝结合的目标。在完成待检设备的标定与注册后，利用触摸交互的人机交互技术，通过AR系统开发软件与模块对所需的待检设备信息进行获取与操作，实现AR技术为检验工作服务的目的。

2.3 前端客户端

前端客户端组成见图2，前端客户端由摄像头、定位系统、增强现实界面、定位识别模块、缺陷识别与测量模块、检验辅助模块与检验记录模块组成。结合图1系统设计流程图可看出，通过摄像头与定位系统，检验人员可迅速获得现场图像与位置信息。通过增强现实界面，检验人员可查看待检设备的基本信息和模型信息。通过定位识别模块，检验人员可对待检验设备进行识别。通过缺陷识别与尺寸测量模块，检验人员可对待检验设备进行缺陷识别和缺陷尺寸测量，得到该设备的缺陷类别与特征尺寸等信息。检验辅助模块可根据服务器的设备信息数据库和模型数据库中所存储的该设备的基本信息和模型信息，将该设备的模型在客户端的增强现实界面上进行显示。检验记录模块可对该设备的检验过程进行记录，生成被检设备的检验记录，并将该设备的检验记录信息存储至设备信息数据库中。

图1 系统设计流程图

图2 前端客户端组成示意图

2.4 后端服务器

后端服务器组成见图3，后端服务器由设备信息数据库、模型数据库与检验方案数据库组成。设备信息数据库中存储有设备的基本信息，具体包括设备的基础信息、安装位置、结构、标志物、历次检验信息。其中，设备的基础信息包括：型号、设备代码、设备类别、材料、性能参数、设计单位、设计日期、设备图号、制造日期、产品标准等；设备的标志物信息包括：铭牌信息、背景参照物信息等。模型数据库中存储有设备的模型信息，具体包括：设备的外部模型和内部模型。通过三维建模和拼图的方式，设备信息数据库与模型数据库共同构建设备的模型。承压类特种设备内外结构特点差别较大，外部特征明显，而内部结构复杂。为降低建模难度，对待检设备的内外部结构采用不同的建模方式。其中，设备的外部结构采用三维建模方式，内部结构采用拼图的方式。检验方案数据库中存储有设备的检验方案，具体包括：宏观检验，壁厚测定，无损检测，材料成分分析，硬度检测，金相分析，内窥镜检查，安全附件检查，耐压试验，气密性试验等。不同特种设备存在差异性，在实际的检验过程中，检验人员需对检验方案有针对性地增加或删减检验项目。因此，在检验系统设计中，数据库所存储的检验项目可根据检验实际情况进行增加或删除。

图3 后端服务器组成示意图

2.5 检验系统工作流程

AR检验系统工作流程图见图4。检验人员接收到某待检设备的检验任务后，在客户端的增强现实界面查看该设备的基本信息和模型信息。检验辅助模块根据待检设备的基本信息，从服务器的检验方案数据库中选取出该设备的最佳检验方案，并在客户端的增强现实界面进行显示。同时，定位模块根据客户端所收集的位置信息、现场图像，并根据设备信息数据库所存储的设备的基本信息，对该设备进行识别。在检验人员进行设备检验时，检验辅助模块根据服务器中待检设备的基本信息与模型信息，对该设备的模型进行历史检验区域和历史缺陷部位的定位、标注、指引，并在操作增强现实界面上显示。在检验人员通过客户端的摄像头拍摄现场图像后，缺陷识别与尺寸测量模块会根据现场图像对该设备的检验过程进行记录，生成检验记录，并将被检设备的检验记录信息存储至设备信息数据库中。

图4 AR检验系统工作流程图

3 结语

本文针对承压类特种设备检验的特点，以增强现实技术作为整个检验系统的技术支撑，设计出以前端客户端与后端服务器为主体架构，具有一定智能化程度的承压类特种设备检验系统，其具有以下特点：（1）根据承压类特种设备的复杂检验状况，充分发挥AR技术的特点，对AR系统的显示技术、跟踪技术、标定与注册技术、交互技术与检验流程的匹配做出针对性设计，极大提高了系统的科学性与指引性。（2）AR技术在承压类特种设备检验中的应用，极大地克服了传统人工检验模式的弊端，提高了检验系统的信息化与自动化程度，最终使得检验效率提高，并使检验人员获得了更加全面的检验数据，对保证特种设备安全性能具有重要意义。