AR 远程交互系统在工程质量监督现场应用研究

王 辉 王 岳 王国辉 王维明 贺祥彪

石油化工工程质量监督总站胜利监督站 山东东营 257100

石油化工工程质量监督总站胜利监督站（以下简称胜利站）是石油化工工程质量监督总站（监测公司）派驻胜利油田从事工程质量监督、监测，以及压力管道监检和特种设备检验的专业机构。所负责业务存在着服务企业多、工作地域广的特点，现有职工30 人，目前的最大困难是人力资源不足及专业人员匹配不均衡。

1 现有远程监督技术的不足

传统危化作业一般通过视频监控和对讲机实现现场和后方沟通交流等方式，这些装备的应用有效提升了施工效率，但依然存在如下问题：

（1）性能不够智能化，无法保障信息传输质量和实时性。指挥中心无法及时获取清晰的实时现场视频，不利于指挥人员的决策判断；受现场环境噪音干扰，指挥员很难实现与前线作业人员的通畅沟通，无法保证有效指挥。

（2）灵活性机动性不足，无法满足复杂环境及远程指导要求。目前利用监控系统等进行作业监控，存在图像传输能力有局限、灵活程度不足等问题。由于现场环境极具复杂性，固定式摄像头受安装位置的限制，在需要提供特殊区域作业图像信息时十分困难。

（3）摄像头和对讲机系统仅能够提供音、视频通讯服务，不具备远程资料传输能力，也不具备大数据及时处理能力。在紧急情况下，无法实现数据和救援方案及时互通；密闭空间作业时，在线专家无法即时掌握密闭空间内的情况。

2 AR技术与工程质量监督现场的关联

随着电子技术的发展，AR 产品普遍在向高清化、轻量化、长待时等方向发展。同时，工业场所的复杂性和变化性对软件系统带来挑战，亟待提高AR 产品软件与用户工作现场需求的匹配度。通过探索AR 远程交互系统在工程质量监督现场的研究及应用，实现现场作业的质监人员与远程专家音、视频双向交互；针对复杂的质量问题，进行多个专业的专家同时在线，实现远程会诊，提高问题解决的时效性；加强对现场监督的管控，提高运行标准化管理水平，引导、教育、督促一线人员的科学化、标准化、规范化操作，还可提高对复杂问题解决的时效性，减少差旅费用。

3 AR远程交互系统的研究

3.1 技术路线

（1）头戴式设计：和现有各种防护眼镜兼容，并具备头部安全防护能力；

（2）单目式显示屏：不影响一线监督人员工作视线，方便实现左右眼自动切换；

（3）基于硬件的语音识别系统：确保在无网络信号的环境中也能实现全语音控制，解放双手；

（4）HD 摄像头1600 万像素：带图像稳定系统，自动对焦，保证视频传输及录制质量，支持二维码扫描识别；

（5）强抗噪技术：可在93dB（A）环境噪音下识别语音命令，保证一线监督人员在嘈杂环境下仍能对设备进行控制；

（6）近场语音识别功能：仅接受佩戴者的语音指令；

（7）音质清晰：采用91dB（A）高灵敏度扬声器与3.5mm 音频接口，可外接降噪防爆耳机，最大程度保护佩戴者听力并提供高清音频，保证沟通顺畅。

3.2 技术指标

（1） 要求满足Ex ib IIC T4 Gb, 通过Atex、IECEX、CSA 等防爆认证，满足石油石化现场环境作业安全要求；

（2）要求2m 防摔：通过2m 水泥地跌落测试，保证设备在意外掉落时仍可正常使用；

（3）防护等级IP66：保证在潮湿环境、大雨及粉尘环境中均可正常使用；

（4）显示屏：分辨率不低于854×480，抗眩光，保证一线监督人员在室外强光环境下仍能正常清晰观看视窗内容；

（5）操作系统：不低于安卓6.0 系统；

（6）CPU：不低于高通骁龙625 处理器、2GB/ 16GB内存，并可通过MicroSD 扩展存储至64G 以上，以保证对现场大量视频数据的存储要求；

（7）无线连接：支持Wi- Fi、蓝牙，满足音、视频实时传输要求；

（8）设备轻便：机体重量小于900g；

（9）导航追踪：含GPS、陀螺仪和数字罗盘位置识别功能；

（10）电池：充电电池容量不低于3400mA，连续工作时间约8h。

3.3 技术关键

（1）建立AR 远程交互系统，并实现双向音视频交流、语音操控（解放现场佩戴者的双手），第一视角记录现场情况，能用于易燃易爆等危险场所等功能。

（2）通过设置服务器、电脑终端、AR 头盔、专家通道建立完整的AR 远程交互系统。研究并创建高效的双向音视频传输、文件传输能力和外部专家帮助通道。使指挥中心能够以与一线监督人员相同的视角感知现场事态，方便地获取相关技术资料和专家意见。同时，指挥中心和远程专家可以方便地将资料、指令等信息即时传送给一线监督人员。

（3）建设方案：软件系统除覆盖服务器、各电脑终端、各AR 头盔外，还应设置不少于10 个专家通道；硬件系统包含胜利站设服务器及指挥中心终端1 套，配备AR远程交互设备（防爆型）。AR 远程交互系统示意图如图1所示。

图1 AR远程交互系统示意图

每个在油气工程现场的质监人员配置有相应的AR设备，使其能够利用AR 设备完成自身的现场质量监督任务。后台终端可以为一个或多个。每个后台指挥人员、专家人员配置相应的后台终端。其中，不同位置的AR 设备之间有通讯连接关系。系统服务器通过内部网络和/ 或外部网络，能够与后台终端通讯连接。

利用AR 技术，各个监督项目可实现现场作业的质监人员与远程专家的音视频双向交互。远程监控施工质量关键环节，辅助质监人员监督检查，远程发现质量问题。通过WiFi 或其他无线通讯网络，AR 设备能够实现视频、语音、图片实时分享，以第一视角方式分享现场影像和图像。现场异常情况可实时回传至系统服务器，同时系统服务器可以实现向内部网络及外部网络转发，使得后端人员在公司内部及公司外部均可及时了解现场全面信息，并做出相应的处理指导。

头戴式AR 设备可以对当前显示的现场质量监督视频进行操作，操作指令包含放大或缩小、对焦、打开或关闭闪光灯、切换摄像头等。头戴式AR 设备具有定位功能，通过不同位置的AR 设备之间的相互通讯，以及现场AR设备与后台终端之间的通讯，可实时获取一线人员的地理信息，了解对方的位置。头戴式AR 设备还具有录像功能，可录制整个质量监督过程的屏幕及声音。根据网络和带宽状况，头戴式AR 设备可选择支持CIF、VGA、720P和1080P 视频清晰度。在现场网络差或者无网络的情况下，能够实现离线自动存储，在线断点续传功能，以保证所有数据的完整性。

另外，后台终端采用PC 设备或移动终端设备。后台终端还支持有限网络、WiFi 无限网络和5G 热点无线网络。一个或多个后台终端能够与现场一个或多个AR 设备构造为局部通讯链路。AR 设备支持1（1 个AR 设备）对1（1 个后台终端）或最多1（1 个AR 设备）对N（N 个后台终端）的多人多视角实时连线。也就是说，质量监督系统能够通过形成临时性的局部通讯链路来组建临时群组，进行专项任务。后台终端为PC 端时，能够显示全部视频；后台终端为移动端时，使用分页显示方式，每页最多4人（包括AR 设备和其他后台终端），且可以随时切换显示另外4 人。

具有最高权限人员身份的后台终端可以暂停现场人员视频画面来进行图像标识。图像标识时，位于同一局部通讯链路中的所有与会者可以实时观看，同时可以进行语音交流。标识完成后，最终图片会发送给群内所有与会人员。这些图片保存在所有参与者的本地存储器，参与者会后可以通过消息记录查看这些图片。还可实现对当前显示的视频抓屏并做标记。

在所形成的局部通讯链路网络中，后台终端能够向现场一个或多个AR 设备发送图形化指令、和/ 或图片、和/或文档、和/ 或流程图和和/ 或文字。具体地，在视频过程中，后端指挥人员可以利用AR 实时智能标注的方式，通过后台终端向前端人员（AR 设备）发送图形化指令，提高指令传达效率；可以选择发送给群的所有人作为本地存档，参与者也可以随时调取本地存储的这些图片进行查看；也可发送文档或流程图给所有参与者，参与者可以随时打开文档进行学习或讲解；还可发送文字消息给所有参与者。

4 前景分析及效益

4.1 技术路线

AR 远程交互设备为可穿戴式设备，全部操作依靠语音完成，具备高效的双向音视频传输、文件传输能力和外部专家帮助通道。在保证一线监督人员安全及工作效率的前提下，使得指挥中心能够方便地将资料、指令等信息即时传送给现场人员，满足现场监督的需要，进一步提升工程质量监督总站形象及科技水平，具有较好的推广前景。

4.2 经济效益

通过AR 远程交互系统，监督工程师（专家）无需到现场，可通过远程视频同时监督2～3 个点位，效率提升至少一倍。目前，胜利站配置了2 套AR 设备，以每个监督工程师（专家）的人工成本1 万元/ 月计，监督远程探查支持设备的增值效益测算为24 万元/ a。

5 结语

AR 远程交互系统系统建设可以加强胜利站对现场监督的管控，提高运行标准化管理水平，引导、教育、督促一线人员的科学化、标准化、规范化操作。该系统的建成使用可显著降低胜利站对一线监督人员的技术能力依赖，节省大量的人工成本。同时，AR 远程交互系统系统可以满足胜利站大数据采集的需要，为日后的取证、分析、研判提供第一手资料。提高运行标准化管理水平，引导、教育、督促一线人员的科学化、标准化、规范化操作。