增强现实(AR)技术在承压类特种设备检验中的应用

2023-12-04刘磊杨景标赵仲勋

中国设备工程 2023年22期

刘磊，杨景标，赵仲勋

（广东省特种设备检测研究院，广东佛山 528251）

特种设备的安全关乎国民经济建设与居民生活的正常运转，关乎经济社会又好又快的发展。与机电类特种设备相比，承压类特种设备普遍具有高压力、高温度、介质复杂、危险性大等特点，其检验工作的复杂性与难度更大。尤其是近年来，承压类特种设备向高参数、高效能和大型化等方向发展，传统检验模式的弊端被不断放大。为顺应信息化与智能化发展的要求，需对检验模式进行优化，以提高检验工作的有效性与检验质量的客观性。因此，AR 技术在承压类特种设备检验中的应用具有重要的现实意义。

1 增强现实技术

AR 技术正在快速普及与应用。增强现实技术是指将影像叠加在现实世界中的技术，是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。广义上来讲，增强现实技术是扩展现实世界的技术的统称，该技术利用计算机对从现实世界获得的“感觉信息”进行处理，从而改变所获的部分信息。处理不仅包括添加，还包括删除、强调、衰减等方式。该技术通过对人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等进行模拟和再输出，并将虚拟信息叠加到真实信息上，实现虚拟场景与现实环境的无缝融合，让人感受到超越真实世界感受的体验，进而提高人类对真实场景的认知能力。增强现实作为一个多学科交叉的研究领域，其完整的系统至少由三部分构成：跟踪、注册和显示。通过各组成部分的相互关联与协调，实现了现实世界与虚拟信息的交互结合。近年来，AR 技术发展迅速，得到了广泛应用，尤其在教育、娱乐、医疗、军事、城市规划、导航等领域。

2 传统检验模式

目前承压类特种设备的检验，主要局限于全过程的人工检验，即通过检验人员对特种设备进行现场检验获得相应的检验信息。检验人员依照检验方案跟自身检验经验，对待检设备进行数据的测量、理化的检验与宏观的检查，形成检验记录，进而出具检验报告。承压类特种设备种类繁多，且检验项目烦琐，所以检验中所遇问题众多。加之检验周期跨度大，在不同周期内，同一台设备的检验人员也可能不同，导致检验结果差异性较大。通过对过往检验项目梳理，传统的人工检验方式存在以下弊端。

（1）承压类特种设备检验时，检验人员依据相关规程与检验方案，对除特殊规定的项目外，其余项目均按一定比例进行抽检。虽然抽检工作是在满足检验规范的基础上，尽可能选取受力复杂、易损伤的部位，以保证检验工作的科学性，但仍无法确保未抽检部位不存在隐患。此外，对特种设备进行100%的人工检验是不现实的，也是不合理的。因此，通过全人工的抽检模式会造成检验的不全面性，进而使设备的后续运行存在一定安全隐患。

（2）在宏观检验过程中，检验人员主要针对检验结果不合格的部位进行记录和拍照留存，对合格部位直接下定合格结论。此种检验模式无法给下次检验提供直观的图片或数据等资料，难以为设备安全状况判断、缺陷扩展情况研究、寿命评估等提供支撑。

（3）设备检验完成并投入使用后，由于设备表面无法永久地标识，并且前后两次检验周期间隔长，因此两次检验选取的部位有一定偏差，无法准确反映设备安全状况的发展情况，容易给检验人员造成误判，导致“检不准”问题的出现。

（4）对经验不够丰富的检验人员，在检验项目完整性和方法、部位选取等方面未能快速地合理判断，导致检验效率低下。

3 增强现实技术与现场检验的结合

AR 技术在承压设备智能检测方面具有很大的应用潜力。通过将虚拟信息叠加到真实场景中，AR 技术可以帮助工作人员快速准确地识别和定位承压设备的问题，提高检测效率和准确性。

目前，国内外已经有不少研究机构和企业开始探索AR 技术在相关方面的应用，未来这一领域的发展前景非常广阔。德国西门子公司利用增强现实技术开发了“Siemens AR Engine”的工具，可以帮助工程师在现场快速识别和解决问题。美国微软公司推出了“HoloLens”的增强现实眼镜，可以帮助工作人员在现场进行设备检测和维修。北京航空航天大学江西研究院的研究团队开发了一种基于增强现实技术的飞机维修培训系统，可以帮助技术人员更好地学习和掌握维修技能。

现阶段，由于缺少承压类特种设备的模型及跟踪、注册和显示等相关技术，使AR 技术无法直接简单化应用于承压类特种设备检验领域。同时，AR 技术应用于各领域的关键技术不是普适的，需要对其在各自领域的应用适应性进行研究。因此，针对承压类特种设备的特点，应建立一套基于增强显示技术的设备检验系统。系统包括前端客户端和后端服务器，客户端与服务器之间通信连接。

3.1 前端客户端与后端服务器构成

前端客户端设有摄像头、定位系统、增强显示界面。所用摄像头用于获取现场图像。所用定位系统用于获取客户端当前位置信息。增强显示界面用于向检验人员提供显示和操作设置的功能。此外，客户端上还安装有定位识别模块、缺陷识别与尺寸测量模块、检验辅助模块、检验记录模块。

后端服务器是由设备信息数据库、模型数据库、检验方案数据库组成。

3.2 检验流程的构建

图1 为AR 技术在设备检验中应用的示意图。如图1所示，检验人员接收到压力容器的检验任务后，检验人员从服务器的设备信息数据库和模型数据库中分别调取压力容器的基本信息和模型信息，并在客户端的增强现实界面查看相关信息。

图1 检验应用示意图

检验人员根据当前设备的信息，如使用年限，容器等级等，从服务器的检验方案数据库中选取出待检容器的最佳检验方案。

在检验现场，检验人员利用客户端对容器进行拍照、定位识别和设备识别。客户端的辅助模块根据检验现场获得的信息，调取服务器中的设备信息库与模型信息库中的信息，并在客户端的增强现实界面显示。检验人员通过客户端，可迅速获得待检容器的设备信息。

现场检验人员可通过客户端的摄像头拍摄现场图像，缺陷识别与尺寸测量模块会根据所拍摄的现场图像对待检容器进行缺陷识别和缺陷尺寸测量，得到缺陷信息。检验过程中的记录会通过记录模块生成检验记录，并将检验记录信息存储至设备信息数据库中。此检验过程相对于传统检验，检验流程更合理，检验结果更客观，检验工作更高效，极大地提高了检验的智能化水平。