基于AR虚拟现实融合显示技术和5G技术的牵引变电所远程诊断系统的研究与应用

中铁电气化铁路运营管理有限公司 王 凯

1 引言

近年来，牵引变电装备和技术均得到了长足的发展，在此背景下，多地牵引变电所选择引入无人值守替代传统的运行模式。需要明确的是，无人值守虽然能够提高供电系统运行效率，却也在无形中增加了变电巡检的难度，随着工作量的增多，巡检质量、时效性均会受到不同程度的影响，若不尽快解决该问题，将致使牵引变电所无法长期处于稳定、高效且安全的运行状态，对全新巡检系统进行研发势在必行。

2 研究背景

牵引变电所的核心功能是以电力牵引所提出要求为依据，对供电系统所提供电能的电压、电流加以转化，随后，将符合电力牵引要求的电能送至接触网，为电气化铁路上运行的电力机车或其他用电设施提供维持运行所需要的电能[1]。现代铁路系统所搭载供电设备的性能，通常会给铁路系统日常运行所表现出的可靠性、安全性产生巨大影响，对铁路系统而言，只有保证供电设备安全、可靠且稳定，才能使自身发挥出应有作用，任一设备出现故障，均会给列车安全性带来巨大威胁，定期巡检的重要性有目共睹。

变电巡检指的是值班人员按照预定计划，定期巡视牵引变电所内既有一次和二次设备，确保相关设备所存在缺陷、异常能够被及时发现并且得到处理的过程。原有巡检模式无法做到远程诊断，导致巡检工作难以发挥出应有作用，而将5G 技术、AR虚拟现实融合显示技术用于现场巡检，可以有效解决既有模式所存在问题，现场人员能够在后台专家的帮助与指导下，对设备故障进行处理，使设备尽快恢复正常运行。

3 变电巡检工作现状

3.1 管理难度大

巡检管理难度大的问题主要体现在以下方面。其一，工作人员无法迅速确定现场设备问题的整改时间并给出相应的反馈；其二，系统后台不具备及时梳理并分析问题的功能；其三，既有系统无法根据巡检结果形成相应的经验库，影响PDCA 循环形成速度；其四，系统难以根据现场设备运行状态，提供相应的预防方案或是故障解决策略；其五，缺少能够全方位监督现场人员的措施，该问题不仅会影响巡检所获得数据的准确性、有效性，还会限制设备运行状态、故障等信息的传输，导致潜在隐患进一步加剧[2]。

3.2 项目繁杂

项目繁杂所带来的问题有两个，一是以往工作人员需要在巡检开始前，先查找设备运行日志、缺陷记录等资料，全面了解现场设备的状态，再确定巡检重点，以保证巡检工作能够发挥出应有作用。铁路系统所涉及设备资料较多，并且人力记录极易出现等级错误、记录混乱等情况，进而影响巡检有效性。二是管理层无法实时监管一线人员的各项行为，作业流程不科学、操作不规范等问题频频发生。

4 远程诊断系统研发内容

传统巡检模式存在不足，只有以该项工作所提出需求为依据，研发相应的软、硬件，并对环境、人资和物资所存在协同关系进行串联，才能确保巡检工作效率得到大幅度提高，进而为企业日常生产的效率及安全性提供有力保障。在此背景下，有关人员提出以5G 技术、AR 虚拟现实融合显示技术为依托，研发全新远程诊断系统的建议，具体工作流程如下。

4.1 确定工作流程

系统由远程诊断中心和牵引变电所两部分构成，远程诊断中心与牵引变电所之间通过5G 通信建立连接。其中，远程诊断中心负责接收、处理和显示牵引变电所的各项数据，诊断变电所故障，向维修人员提供指导，减少成本和时间开销。

考虑到设备巡检、远程诊断等工作均有标准的流程对应，只有以实际情况为依据，确定完整且科学的工作流程，才能使后续工作得到有序推进。因此，技术人员决定根据现有案例、变电巡检设备和巡检点，细化工作流程，同时出具相应的指导书，确保不同现场均有相应的解决方案对应。

4.2 使用AR 虚拟现实融合显示技术

根据现场情况、工作需求，确定穿戴AR虚拟现实融合显示设备的方式，在此基础上，设计与AR 虚拟现实融合显示技术特点相符的交互方案，确保此技术在识别变电设备、巡检、定位和远程诊断等方面所具有作用得到充分发挥。本项目中，技术人员重点讨论的内容为：对指导书关于巡检、诊断的内容做图形化处理，借助AR 虚拟现实融合显示技术对巡视图像进行准确识别并标注，确保图形标识、检查对象能够得到充分结合；提高识别巡视图像、三维空间的速度和准确率，为现场识别工作高效开展奠定良好基础[3]。

4.3 实现远程诊断

系统采用AR 虚拟现实技术融合显示变电所的设施和设备，使现场人员能够在虚拟现实空间中进行真实感官的交互，快速识别出变电所中的故障点，准确解决故障问题。

一方面，基于AR 虚拟现实融合显示系统研发具有远程指导功能的软件，确保现场人员能够借助5G 技术、AR虚拟现实融合显示技术还有相关软件与后台专家取得联系，通过实时传输图片、文件等资料，或是语音、视频通话的方式，从专家处获得相应的指导，对现场设备所存在故障进行诊断并维修。

另一方面，AR 虚拟现实融合显示技术的加入，使身在异地的专家经由后台系统实时标注现场作业的设想成为可能，现场人员可以根据硬件终端所显示标注的内容完成后续工作。此外，系统还采用5G技术在远程诊断中心和牵引变电所之间建立起了高速、稳定的连接，实现实时数据传输和远程控制，同时基于5G 通信实现音视频远程指导，真正做到提高维修效率并减少安全风险。

4.4 自动测量并显示温度

以AR 眼镜为例，技术人员应以该设备特点和需求为依据，研发相应的红外测温设备，只需将该设备与AR 眼镜相连，便可使测量数据得到实时传输，通过将测试界面投放至AR 眼镜的方式，使工作人员对现场情况具有准确了解。另外，本项目中，技术人员还研发了识别温度的程序，一旦设备温度超过预设范围，该程序便会自动作出判断，并将判断结果投放到AR 眼镜上。

4.5 记录巡检过程

使用AR 虚拟现实融合显示设备所具有采集信息、录制视频等功能，对巡检过程加以记录并保存，为日后查验工作的开展提供便利。

5 远程诊断系统设计方案

5.1 系统架构

本系统的使用场景可以细分为辅助巡检、红外测温、远程协作，不同场景对系统所提出需求往往有所不同，这点需要有所了解。辅助巡检场景下，设备端需要满足以下要求。一是实时提醒点检任务，确保点检工作按时开展。二是通过引导点检流程，保证作业质量达标。三是智能识别点检结果，确保所记录数据准确。四是如实记录点检过程，使点检作业具有良好的可追溯性，为后续工作的开展提供便利。

平台端则要应具备的功能包括：首先，按照计划分发点检计划，省略人工推送步骤；其次，自行生成点检记录，准确识别缺检、漏检情况；再次，及时识别点检异常；最后，调配既有人资，在提高工作效率的前提下，使设备寿命尽可能地接近预期[4]。红外测温场景下，硬件应满足：通过接入红外成像设备的方式，对现场设备进行无接触测温，保证测温精度理想。若巡检期间遇到难以解决的问题，现场人员可经由该系统与后台专家取得联系，由专家根据系统所提供视频等资料，对设备故障加以判断，远程指导现场人员对出现故障的设备进行维修或处理。

5.2 技术要求

为保证所研发系统能够稳定、高效运行，技术人员针对远程诊断系统所需设备提出了相应要求，后台服务器搭载i7处理器，容量为2TB，运行内容应达到16GB，诊断软件适配人工智能指导、专家指导，可同时为16个设备提供指导[5]。本项目所研发AR 眼镜的性能参数见表1。

表1 AR 眼镜技术要求

针对本系统所研发软件应具备几项功能，可视巡检、自动测温、远程诊断、实时记录、同步反馈等功能。

红外测温设备则需要满足的要求包括：一是工作人员可以在硬件终端的帮助下，对3m 范围内的设备进行快速、准确的测温。特殊情况下，测温距离可以增加至6m。二是搭载非制冷焦平面传感器。三是内置分辨率为384×288像素的红外模组，其测温范围能够达到+20～+120℃。四是能够在AI 纠偏算法的辅助下，尽可能地保证测温精度，一般来说，测温距离不超过2m 时，测温精度能够被控制在-0.3～+0.3℃，测温距离不超过4m 时，测温精度可以达到-0.5～0.5℃。

5.3 设计方案

本系统的技术方案主要包括：其一，以变电巡检内容为落脚点，针对日常巡检、远程诊断特点及需求，确定工作流程并建立数据库，根据工作场景研发可佩戴硬件终端，彻底解放工作人员的双手。其二，对巡检管理软件进行开发，确保所开发软件具有模块化编辑功能，可以对知识库、工作流程和缺陷数据库进行快速编辑。其三，基于硬件终端研发前端软件，确保软件适配硬件终端，工作人员只需进行简单操作，便能够将巡检数据同步至软件。其四，为提高系统的可靠性，引入备份机制，当主机出现故障时，备份机可以立即接管工作，确保系统的持续稳定运行。

6 结语

本文以变电巡检所面临难度大、效率低等问题为落脚点，基于5G 技术、AR 虚拟现实融合显示技术成功研发出了有别于传统系统的全新远程诊断系统，将该系统用于变电巡检，可以有效避免现场人员难以提前预判设备隐患、漏检和判断错误等问题，使工作效率得到大幅提高。未来，技术人员应当将研发重心放在远程协作系统、前端软件和硬件终端的开发上，对本系统进行不断的优化与升级，由此确保其所具有优点得到尽可能好的发挥。