增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)在電網(wǎng)培訓(xùn)中的應(yīng)用范文

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《南方電網(wǎng)技術(shù)》2017年第11期

摘要:對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(ar)技術(shù)的建模技術(shù)、目標(biāo)識別技術(shù)、虛實(shí)融合顯示技術(shù)、人機(jī)自然交互技術(shù)進(jìn)行分析，提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在重慶電網(wǎng)培訓(xùn)中的應(yīng)用方案，對培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)基于AR技術(shù)的變電設(shè)備運(yùn)維學(xué)習(xí)模型建模、變電設(shè)備運(yùn)維學(xué)習(xí)虛擬融合和交互展示、變電設(shè)備運(yùn)維流程訓(xùn)練模型的建模等系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞:增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR);培訓(xùn);硬件結(jié)構(gòu);軟件結(jié)構(gòu)

在面向變電設(shè)備運(yùn)維人員的培訓(xùn)方面，電力培訓(xùn)機(jī)構(gòu)主要采用理論培訓(xùn)、師傅帶徒弟、基于真實(shí)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)，以及基于多媒體和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真培訓(xùn)等方式開展技術(shù)技能培訓(xùn)工作。它雖能一定程度上滿足設(shè)備運(yùn)維人員的培訓(xùn)需求，但培訓(xùn)形式枯燥，在真實(shí)感方面和物理設(shè)備仍存在一定的差距，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作煩瑣，交互體驗(yàn)不佳，實(shí)訓(xùn)方式還存在缺乏專業(yè)性指導(dǎo)和輔助信息支持的問題。因此，需要將電力培訓(xùn)仿真中的虛擬場景和設(shè)備等與真實(shí)的運(yùn)維場景相融合，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，AR)技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)技術(shù)，它正好可滿足這一電力培訓(xùn)需求。本文總結(jié)分析變電運(yùn)維一體化仿真、多媒體培訓(xùn)和AR等最新技術(shù)成果，提出基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維仿真培訓(xùn)方案，論述了面向變電設(shè)備的實(shí)時追蹤、三維注冊、人機(jī)交互和虛實(shí)融合等關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合已建設(shè)智能變電站實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景與虛擬信息，即“虛實(shí)融合”的培訓(xùn)情境，全面提升變電設(shè)備運(yùn)維培訓(xùn)的學(xué)習(xí)、認(rèn)知及培訓(xùn)效果。

1AR領(lǐng)域最新成果

1．1AR技術(shù)簡介

AR技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)是，構(gòu)建全三維、高仿真、沉浸化、交互式的安全生產(chǎn)實(shí)操場景，以規(guī)范化的操作規(guī)程和電力安全規(guī)程為主線，把危險點(diǎn)、注意事項(xiàng)和安全措施等設(shè)置為重點(diǎn)，對安全生產(chǎn)流程進(jìn)行虛擬仿真，逼真模擬安全生產(chǎn)工作的全過程。并通過動作捕捉系統(tǒng)和3D立體投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬人與變電站仿真場景進(jìn)行交互的安全操作和培訓(xùn)，讓學(xué)員體會不同的操作所產(chǎn)生的不同后果，加深對安全生產(chǎn)及事故后果的理解，提高培訓(xùn)效果。

1．2建模領(lǐng)域建模技術(shù)

正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、協(xié)同化、集成化和可視化方向發(fā)展。可視化建模隨著計(jì)算機(jī)三維顯示的普及涌現(xiàn)出了許多先進(jìn)技術(shù)，如變量化和虛擬產(chǎn)品建模技術(shù)等。這些可視化新技術(shù)使得建模領(lǐng)域的新成果得以更廣泛的應(yīng)用。目前國外在傳統(tǒng)三維建模軟件的研究領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，覆蓋工業(yè)設(shè)計(jì)、消費(fèi)娛樂等多個環(huán)節(jié)。國內(nèi)的三維建模軟件與國外同行業(yè)相比雖處于低端水平，主要面向特定的工業(yè)環(huán)境，但在核心技術(shù)上也有一定的積累，并面向工業(yè)環(huán)境開發(fā)出了一系列高效的三維建模軟件。由于三維模型為虛擬模型，很難用于計(jì)算機(jī)識別和匹配實(shí)體設(shè)備，因此需要進(jìn)一步構(gòu)建計(jì)算機(jī)可識別的全景掃描模型。

1．3目標(biāo)識別領(lǐng)域

在圖像特征提取的基礎(chǔ)上，AR通過特征匹配技術(shù)來識別目標(biāo)，特征匹配方法可以按兩種方式分類，即根據(jù)判別依據(jù)或根據(jù)目標(biāo)類型來分類。其中，判別依據(jù)包括幾何、拓?fù)浜驼Z義等方面的，對應(yīng)的方法稱為幾何匹配、撲拓匹配和語義匹配等。典型的匹配有Chamfer匹配、Borgefors匹配、基于Hausdorff距離的匹配和基于中值最小二乘的曲面匹配等。

1．4虛實(shí)融合顯示領(lǐng)域

為了達(dá)到強(qiáng)烈的真實(shí)感和臨場感體驗(yàn)，就需要精細(xì)的三維模型和復(fù)雜的渲染計(jì)算。AR技術(shù)通過攝像機(jī)采集的圖像真實(shí)地反映了現(xiàn)實(shí)場景，減少了場景的建模和渲染工作量，因而是輕量級且真實(shí)感強(qiáng)的增強(qiáng)技術(shù)。

1．5人機(jī)自然交互領(lǐng)域

隨著機(jī)器視覺、人工智能、模式識別和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的自然人機(jī)交互技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重視。微軟公司在2010年推出了Kinect體感交互設(shè)備，將基于深度傳感器的自然人機(jī)交互帶入尋常百姓中，之后又推出了Kinect2．0設(shè)備。2013年Leap公司LeapMotion體感控制器，LeapMotionCon-troller控制器是一款USB設(shè)備，通過紅外LED和兩個在黑色玻璃下的攝像頭來感知雙手在空氣中的自然移動，精確跟蹤手和手指的運(yùn)動，感應(yīng)的精度可以達(dá)到百分之一毫米級別，以超過200幀/s的速度追蹤手部移動。

2AR技術(shù)在電網(wǎng)培訓(xùn)中的應(yīng)用分析

2．1培訓(xùn)應(yīng)用場景

在培訓(xùn)中，AR技術(shù)可應(yīng)用于操作培訓(xùn)、巡視培訓(xùn)、試驗(yàn)培訓(xùn)等現(xiàn)場作業(yè)培訓(xùn)。根據(jù)培訓(xùn)要求，分為指導(dǎo)、訓(xùn)練、考核3種模式。指導(dǎo):通過三維模型及視頻詳細(xì)講解操作步驟。訓(xùn)練:除講解操作步驟外，還提供環(huán)境模擬、用戶訓(xùn)練實(shí)時指導(dǎo)及記錄用戶操作等功能。考核:不提供講解，只提供環(huán)境模擬、記錄用戶操作等功能。后續(xù)考核者可根據(jù)現(xiàn)場操作記錄結(jié)合視頻給出訓(xùn)練者考核成績，并結(jié)合視頻給出操作改進(jìn)建議。

2．2變電操作作業(yè)培訓(xùn)應(yīng)用

可穿戴變電操作作業(yè)培訓(xùn)應(yīng)用具有操作準(zhǔn)備、接令培訓(xùn)、執(zhí)行操作培訓(xùn)、操作任務(wù)導(dǎo)入、遠(yuǎn)程協(xié)助等功能。利用AR技術(shù)使變電站操作人員準(zhǔn)確掌握操作標(biāo)準(zhǔn)，通過推送操作視頻、3D展示操作視頻，培訓(xùn)操作人按標(biāo)準(zhǔn)步驟完成操作任務(wù)。

3AR技術(shù)在重慶電網(wǎng)培訓(xùn)中的探索

3．1AR技術(shù)在電網(wǎng)培訓(xùn)中的案例

國網(wǎng)科東公司為廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司教育培訓(xùn)評價中心開發(fā)了一套“3D弧幕沉浸式仿真培訓(xùn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以基于投影的沉浸式視覺展示硬件系統(tǒng)為視覺展示平臺，與仿真軟件相結(jié)合，營造一種身臨其境的立體體驗(yàn)環(huán)境。同時，配合動作捕捉技術(shù)，使得學(xué)員能夠用肢體動作控制仿真軟件中的虛擬人物進(jìn)行仿真操作，實(shí)現(xiàn)了在虛擬仿真環(huán)境下沉浸式操作與體驗(yàn)，取得了良好的培訓(xùn)效果。目前，重慶電網(wǎng)還未將AR技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)培訓(xùn)，仍然采用傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式進(jìn)行培訓(xùn)。重慶電力公司可以利用AR技術(shù)，結(jié)合已建設(shè)的重慶變電站實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建虛實(shí)融合、自然交互、形象逼真和專業(yè)高效的仿真培訓(xùn)情境，在較短的時間內(nèi)提高相關(guān)受訓(xùn)人員的工作技能，加快高水平“大運(yùn)行”和“大檢修”體系下運(yùn)行維護(hù)人才隊(duì)伍的建設(shè)，保證電網(wǎng)安全、可靠和優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

3．2硬件結(jié)構(gòu)

基于AR技術(shù)的變電設(shè)備運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)(見圖1)包括，實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場的N臺變電設(shè)備實(shí)物、N個AR頭盔、培訓(xùn)管理服務(wù)器以及無線路由器。AR頭盔是AR的必備設(shè)備，采用微軟Hololens，利用其雙目立體視覺三維感知單元進(jìn)行空間定位識別、目標(biāo)設(shè)備識別、跟蹤和注冊，將虛擬空間融入實(shí)際空間。通過手勢識別和語音識別等方式識別受訓(xùn)人員的操作手勢和聲音命令，形成良好的人機(jī)交互AR環(huán)境，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)、操作培訓(xùn)和操作考核交互。培訓(xùn)管理服務(wù)器通過無線路由器與各個AR頭盔系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)AR頭盔系統(tǒng)的培訓(xùn)和考核的控制和記錄。

3．3軟件結(jié)構(gòu)

基于AR技術(shù)的變電設(shè)備運(yùn)維仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)采用C/S模式，AR頭盔客戶端通過虛擬融合顯示、空間定位和空間識別等AR關(guān)鍵技術(shù)，呈現(xiàn)培訓(xùn)內(nèi)容并生成培訓(xùn)環(huán)境。包括理論知識培訓(xùn)、理論知識考核、虛擬操作培訓(xùn)、虛擬操作考核和培訓(xùn)反饋部分。服務(wù)器端培訓(xùn)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制、監(jiān)督、記錄、協(xié)調(diào)培訓(xùn)過程。

3．4系統(tǒng)功能

3．4．1基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維學(xué)習(xí)模型建模建立基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維學(xué)習(xí)環(huán)境，將虛擬場景疊加到變電設(shè)備實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的真實(shí)場景之上，進(jìn)行融合顯示。在受訓(xùn)人員頭盔的顯示器上通過圖文、視頻、音頻、動畫、模型等方式，展示變電設(shè)備運(yùn)維通用規(guī)則、手冊、設(shè)備工作原理、技術(shù)參數(shù)、檢修、檢測、運(yùn)行等知識。

3．4．2基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維學(xué)習(xí)虛擬融合和交互展示基于AR的運(yùn)維學(xué)習(xí)過程，需要將與學(xué)習(xí)內(nèi)容有關(guān)的虛擬的檢修、檢測和運(yùn)行場景疊加到真實(shí)場景之上，進(jìn)行融合顯示技術(shù)，產(chǎn)生真實(shí)感和沉浸感。并且通過對受訓(xùn)者語言和手勢動作的捕捉，完成人與系統(tǒng)的交互，可根據(jù)用戶的命令改變展示內(nèi)容。

3．4．3基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維流程訓(xùn)練模型建模基于AR的變電設(shè)備運(yùn)維訓(xùn)練環(huán)境，包括原有的實(shí)訓(xùn)環(huán)境和增加的虛實(shí)結(jié)合的訓(xùn)練環(huán)境。

4結(jié)語

AR技術(shù)日益完善，使得其在電網(wǎng)培訓(xùn)中的應(yīng)用成為了可能。現(xiàn)階段傳統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備的培訓(xùn)方式不僅造成資源的浪費(fèi)，而且電網(wǎng)設(shè)備更新速度快，這不僅增加了經(jīng)濟(jì)方面的開銷，還會花費(fèi)大量的人力資本。而本文所提出的AR技術(shù)在電網(wǎng)培訓(xùn)中的探索方式恰好有效地解決了上述問題。由此可見，AR技術(shù)在電網(wǎng)培訓(xùn)中具有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn):

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作者：謝維兵；敬勇；劉敏；龍漪瀾 單位：國網(wǎng)重慶市電力公司