劉 穎 陳 佳 馮振新*

1(武漢工程科技學(xué)院 湖北 武漢 430000) 2(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430000)

0 引 言

城市綜合管廊，即在城市地下建造的一個隧道空間，將電力、通信，燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線集于一體。2013年至今，以電力管廊為代表的城市地下綜合管廊建設(shè)如火如荼。正是由于城市綜合管廊具有統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護和美化城市景觀等突出優(yōu)點，2015年，國務(wù)院先后印發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》(國發(fā)[2013]36號)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)[2014]27號)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)[2015]61號)等一系列政策文件。財政部、住建部部署開展了城市地下綜合管廊建設(shè)試點工作，全面推進地下綜合管廊建設(shè)。僅以武漢市為例，計劃至2030年底，綜合管廊建設(shè)長度將達(dá)到566.5公里[1]。

電力管廊是城市綜合管廊的主要應(yīng)用之一。較傳統(tǒng)電纜直埋、電纜溝敷設(shè)等方式，電力管廊為電力電纜的運維提供了便利。它不僅使運維人員能夠近距離接近待檢測電纜和設(shè)備進行檢測試驗，同時，為保證國家電網(wǎng)對輸電設(shè)備的精益化管理要求，電力管廊的建設(shè)也為加裝不間斷監(jiān)測儀器提供了空間。常見的監(jiān)測儀器包括：各類氣體傳感器，如氧氣、二氧化碳、甲烷等，電纜環(huán)流，局部放電，電纜表面溫度傳感器等。新投入運行的武漢市濱江商務(wù)區(qū)管廊和舵落口-宗關(guān)管廊安裝的針對電纜運維的監(jiān)控裝置種類多達(dá)10種。

電纜敷設(shè)方式的改變和監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的激增導(dǎo)致了針對電力管廊內(nèi)電纜及各類監(jiān)測設(shè)備的運行維護工作也相應(yīng)發(fā)生了改變。在電力管廊運檢人員的實際工作中，主要存在如下幾點問題與挑戰(zhàn)。

1) 工作環(huán)境封閉，形成信息孤島。由于位處地下，多數(shù)管廊也并未做到網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使得巡檢人員對管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備的信息、路線等信息無法得到信息支撐，憑經(jīng)驗、靠記憶的情況經(jīng)常發(fā)生。更嚴(yán)重的是，由于缺乏對工作周遭環(huán)境的感知和提示，一旦出現(xiàn)危險，由于空間封閉、狹窄，人員逃生困難，這對在管廊中進行運維作業(yè)的人員安全提出了挑戰(zhàn)，需要一種在人員巡檢過程中能夠提供工作環(huán)境安全數(shù)據(jù)的機制。

2) 管廊運維工作量大。一條管廊通常有1公里以上，至少包括一條線路的三回電纜，而1公里電纜需要安裝的各類傳感器就超過500個，若逐一檢查，工作量巨大，需要一種能夠減輕巡檢人員工作強度的輔助手段。

3) 對監(jiān)控設(shè)備的檢查工作繁瑣且容易疏漏。當(dāng)管廊規(guī)模較大時，存在分支和拐角，對于不熟悉管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電纜架設(shè)走向的運維人員，光查找和比對的工作時間就可能在3 h以上，需要一種輔助設(shè)備來指導(dǎo)管廊內(nèi)的巡檢工作。

4) 管廊內(nèi)運維工作難度大。電力設(shè)備的運維工作主要是根據(jù)檢測儀器的讀數(shù)，評估設(shè)備的運行狀態(tài)，及時處理出現(xiàn)故障或存在故障隱患的設(shè)備，這項工作通常需要綜合分析幾類監(jiān)測儀器的讀數(shù)進行判斷，需要有豐富的工作經(jīng)驗，因此，正確判斷設(shè)備的運行狀態(tài)難度較高，最好能提供具有專家系統(tǒng)的輔助分析設(shè)備。

針對以上問題，本文提出一種基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力管廊運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括管廊內(nèi)巡檢線路指引、設(shè)備讀數(shù)復(fù)核、自動分析異常數(shù)據(jù)、針對設(shè)備故障智能分析、設(shè)備健康狀態(tài)評估等功能。

1 研究背景

增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)也稱為混合現(xiàn)實技術(shù)[2]，它是通過計算機圖像處理基礎(chǔ)、三維建模技術(shù)和信號處理技術(shù)，將虛擬信息與真實場景實時疊加到顯示輸出設(shè)備。相較在裸眼觀看的情況下，AR技術(shù)使用戶能夠獲得更豐富的信息，它是對現(xiàn)實世界信息量的一種補充和提升，因此而得名。

自2017年以來，隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善和成熟，鐵路、通信和電力行業(yè)也逐漸將該技術(shù)應(yīng)用于特定的業(yè)務(wù)以提升工作效率。針對AR技術(shù)研究和應(yīng)用主要集中于輔助設(shè)計、電力設(shè)備巡檢應(yīng)用及培訓(xùn)、增強現(xiàn)實軟件實現(xiàn)架構(gòu)等方面的工作。例如，周哲峰等[3]研究了增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在隧道運維的實現(xiàn)方法和效果，為增強現(xiàn)實技術(shù)在運維方向的應(yīng)用指明了可行性。該文重點在于隧道建設(shè)，特別是隧道整體建設(shè)中，如何利用AR技術(shù)保證施工管理和后期隧道運營降低運維費用，并不只針對電力管廊，也不包括具體運維工作如何使用AR技術(shù)。

在針對電力設(shè)備運維工作中，研究集中在AR技術(shù)在變電站的運維工作中的應(yīng)用，其中包括AR運維系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法和部署效果。例如，在文獻[4]中的AR系統(tǒng)是針對變電站的電力設(shè)備運維工作而定制開發(fā)，符合電力設(shè)備運維的特點，滿足一般電力設(shè)備運維的要求，具有一定的專業(yè)性。該系統(tǒng)重點關(guān)注設(shè)備臺賬、設(shè)備類型和歷史數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程通信功能的實現(xiàn)，對電力設(shè)備運維工作起到輔助作用，而不能完全取代巡檢設(shè)備。另外，該運維系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，需要在使用過程中連接服務(wù)器。考慮到管廊特殊的地理位置，該系統(tǒng)應(yīng)用在管廊運維的效果有一定的局限性。常潤[5]利用AR技術(shù)開發(fā)了電力運維人員的培訓(xùn)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了實現(xiàn)過程。

山東省濟寧電力公司設(shè)計開發(fā)了基于智能交互終端的變電巡檢管理系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)針對現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)督檢查、遠(yuǎn)程在線會診和指揮管理、運維信息管理等功能做了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)的應(yīng)用提升了現(xiàn)場設(shè)備的信息化管理手段，優(yōu)化了設(shè)備管理流程，具有較好的應(yīng)用效果。但該系統(tǒng)重點關(guān)注管理類數(shù)據(jù)，而非現(xiàn)場實時運維數(shù)據(jù)的采集和分析。

從開發(fā)及系統(tǒng)實現(xiàn)的角度看，按照移動設(shè)備iOS和Android兩大主流移動設(shè)備操作系統(tǒng)分，主要有ARCore[7]和ARKit[8]兩大陣營。

1) ARCore-Google公司的增強現(xiàn)實體驗構(gòu)建平臺。它利用不同的API讓移動設(shè)備能夠感知其環(huán)境、理解現(xiàn)實世界并與信息進行交互。ARCore使用的三個主要功能模塊將虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實世界整合：(1) 運動跟蹤模塊讓手機可以理解和跟蹤它相對于現(xiàn)實世界的位置；(2) 環(huán)境理解模塊讓手機可以檢測各類物體表面的大小和位置；(3) 光估測模塊讓手機可以估測環(huán)境當(dāng)前的光照條件。

2) ARKit-蘋果公司2017年為iOS系統(tǒng)所新增框架,ARKit框架提供了兩種AR技術(shù)，一種是基于3D場景(SceneKit)實現(xiàn)的增強現(xiàn)實，一種是基于2D場景(SpriktKit)實現(xiàn)的增強現(xiàn)實。ARKit主要有三層核心技術(shù)：(1) 快速穩(wěn)定的世界定位模塊，它包括實時運算、運動定位、無須預(yù)設(shè)(軟硬件)；(2) 平面和邊界感知碰撞測試和光線估算模塊，它讓虛擬內(nèi)容和現(xiàn)實環(huán)境無縫銜接；(3) 渲染模塊支持各種渲染制作工具。

從目前研究情況看，針對地下管廊這種特殊環(huán)境，尤其是針對電力管廊中設(shè)備運維業(yè)務(wù)的AR系統(tǒng)的研究相對較少。本文介紹一套基于AR技術(shù)的適用于城市電力管廊這一特殊業(yè)務(wù)場景和環(huán)境的巡檢系統(tǒng)。不同于現(xiàn)存的巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)為巡檢人員在弱光條件下找尋待檢測設(shè)備測點和傳感器提供了可視化引導(dǎo)。同時，利用手勢感應(yīng)模塊，使巡檢人員能夠更方便迅速地召回傳感器實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，提高了巡檢工作效率。

2 系統(tǒng)介紹

基于AR技術(shù)的電力管廊運維系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是將巡檢任務(wù)生成、任務(wù)下發(fā)、巡檢路徑規(guī)劃、實時巡檢數(shù)據(jù)回傳與分析相結(jié)合，提高管廊巡檢的工作水平和效率。

該系統(tǒng)采用服務(wù)器-客戶端模式設(shè)計，將現(xiàn)場工作的數(shù)據(jù)處理與后端數(shù)據(jù)存儲、分析分開。服務(wù)器與客戶端的通信由于受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)連接等方面的影響，可以采取分布、分時傳輸。同時，由于客戶端還承擔(dān)著諸如設(shè)備運行狀態(tài)及故障類型研判這類計算量較高的任務(wù)，因此，系統(tǒng)對客戶端的運算能力提出了較高要求，能夠支持本系統(tǒng)的最低硬件配置要求詳見表1。本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，采用的客戶端硬件是微軟公司開發(fā)的HoLoLens[9]，并將其作為現(xiàn)場支持邊緣計算的節(jié)點。

表1 硬件配置表

從軟件架構(gòu)上，本系統(tǒng)在ARCore架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了針對管廊內(nèi)電力設(shè)備和傳感器的三維模型以及針對業(yè)務(wù)需求的分析模塊，是滿足管廊巡檢要求的專業(yè)增強現(xiàn)實系統(tǒng)。

2.1 總體框架

本系統(tǒng)總體上由兩部分組成，通過實時4G通信或分時傳輸方式連接管廊現(xiàn)場AR巡檢儀和管廊巡檢綜合管控系統(tǒng)。同時，本系統(tǒng)也可以作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中臺，支持向電力系統(tǒng)的其他信息系統(tǒng)，如生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)，提供信息及服務(wù)?？傮w系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 包括中心管理系統(tǒng)的AR管廊巡檢系統(tǒng)總體框架

管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如工作班組管轄內(nèi)管廊內(nèi)設(shè)備的臺賬信息、統(tǒng)計信息，如管廊內(nèi)設(shè)備故障率、任務(wù)安排及工作人員信息。如圖2所示，這些信息作為管理工作的依據(jù)和基礎(chǔ)，將集中反映在系統(tǒng)頁面，方便管理人員下達(dá)任務(wù)以及全面掌握設(shè)備運行情況。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連接情況較好時，綜合管理系統(tǒng)可以實時接收巡檢人員發(fā)回的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)并體現(xiàn)在圖3的頁面中。

圖2 管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)統(tǒng)計分析頁面

圖3 管廊巡檢綜合管理系統(tǒng)全景展示頁面

管廊現(xiàn)場AR巡檢儀由現(xiàn)場工作人員佩戴。管理平臺與巡檢儀的數(shù)據(jù)交換主要通過電力專用網(wǎng)絡(luò)。由于受到管廊網(wǎng)絡(luò)信號弱的影響，在任務(wù)下發(fā)時，工作管廊的設(shè)備信息、管廊三維模型等數(shù)據(jù)通過管理平臺發(fā)送到巡檢儀，作為管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。人員下到管廊后，AR模塊中的視頻采集、圖像處理及3D模型加載子模塊將預(yù)存的管廊信息、模型和實時設(shè)備信息融合后再由視頻展示模塊顯示。

2.2 硬件架構(gòu)

AR巡檢儀硬件主要由視頻采集模塊、AR融合成像模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲和信號處理模塊組成。AR融合成像模塊利用光學(xué)反射投影原理，即微型投影儀先是將光投到棱鏡反射屏上，而后通過棱鏡反射到眼球，達(dá)到成像最清晰的效果。視頻采集模塊包括3D深度攝像頭、2D主攝像頭及視頻處理芯片，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場圖像的采集，由于管廊內(nèi)光線較弱，視頻處理芯片需根據(jù)現(xiàn)場光線情況自動調(diào)節(jié)鏡頭和視頻參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)成像效果。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括用于連接電力APN的4G通信模塊、與現(xiàn)場傳感器交互的RFID模塊、連接外接設(shè)備的藍(lán)牙和Wi-Fi模塊；存儲模塊的主控芯片采用聯(lián)蕓科技MAP100X SSD主控芯片[10]。

信號處理芯片包括陀螺儀芯片、水平儀芯片等，將巡檢人員的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)傳輸給中央處理單元進行融合處理。數(shù)據(jù)處理單元包括圖像處理單元GPU和中央處理單元CPU。

2.3 軟件架構(gòu)

軟件是融合業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的核心，也是利用預(yù)制模型和AR技術(shù)開展巡檢工作的突破口。如圖4所示，管廊現(xiàn)場AR巡檢儀的軟件架構(gòu)包括五層，分別為：

1) 輸入動作層。最上層軟件模塊，包括處理不同動作、場景和組件的子模塊，例如預(yù)制動作是將視頻中出現(xiàn)的特定手勢或身體姿勢作為調(diào)用接口或數(shù)據(jù)的觸發(fā)器。

2) 數(shù)據(jù)提供層。為AR融合提供內(nèi)置或?qū)崟r數(shù)據(jù)，包括提供實時數(shù)據(jù)的輸入提供方，以及調(diào)用內(nèi)外部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)訪問觀察方。

3) 服務(wù)層。提供調(diào)用不同功能組件的接口，包括調(diào)用2D主攝像頭、3D深度攝像頭的攝像頭服務(wù)接口、感知模型在空間中綁定位置的空間感知服務(wù)接口、感知移動和物體邊界的相應(yīng)服務(wù)接口。

4) 運行時。處理實時數(shù)據(jù)的開發(fā)包，是混合現(xiàn)實視頻和虛擬模型的核心模塊。

5) 配置層。根據(jù)用戶需求調(diào)用不同可視化組件，完成增強現(xiàn)實功能，調(diào)用的組件以及渲染的程度自由設(shè)置及修改。

除此之外，為支持巡檢業(yè)務(wù)，其他軟件模塊還包括業(yè)務(wù)算法，例如設(shè)備健康狀況評估算法模塊、任務(wù)管理模塊、AR融合成像軟件模塊，以及基礎(chǔ)軟件模塊，如基礎(chǔ)用戶接口等。

圖4 軟件架構(gòu)

2.4 跟蹤算法

將虛擬物體實現(xiàn)在3D場景中是由SceneKit框架來完成：每一個虛擬的物體都是一個節(jié)點(SCNNode),每一個節(jié)點構(gòu)成了一個場景(SCNScene),無數(shù)個場景構(gòu)成了3D世界。該系統(tǒng)采用基于自然特征點的跟蹤注冊算法進行增強現(xiàn)實功能實現(xiàn)如下：由攝像頭捕捉的畫面首先送入ARCore的ARSession模塊構(gòu)建3D場景，在3D場景中，每個點都有一個注冊在虛擬場景的位置坐標(biāo)，物體在3D場景中都是一個節(jié)點。假設(shè)相同物體的特征量相同，則在連續(xù)兩幀畫面中就能識別哪些物體是同一個物體。本系統(tǒng)的虛擬場景構(gòu)建就是通過特征點追蹤算法在視頻中對虛擬場景進行重構(gòu)的。

本系統(tǒng)的虛擬場景構(gòu)建步驟如圖5所示。從功能劃分來看，可主要分為兩步，包括：(1) 預(yù)處理階段；(2) 實時處理階段。

圖5 構(gòu)建虛擬場景流程

在預(yù)處理階段，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用攝像頭接口開始視頻傳輸后，Java本地接口(JNI)觸發(fā)系統(tǒng)功能，開始處理視頻中的物體特征值。本文采用ORB算法，將傳感器和電纜的形狀、顏色作為特征，并將結(jié)果存入特征數(shù)據(jù)庫。由于在管廊中，電纜的特征如顏色和形狀不如傳感器明顯，從效果上看，基于傳感器的場景重構(gòu)要由于基于電纜的場景重構(gòu)。

在實時處理階段，系統(tǒng)主要判斷與匹配現(xiàn)場環(huán)境和特征數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)真實場景的三維注冊過程，本系統(tǒng)采用基于KLT(Kanade-Lucas-Tomasi Tracking)算法進行圖像特征點追蹤。它通過預(yù)測估計來確定下一幀特征點的粗略位置。在KLT算法中，假設(shè)特征點目標(biāo)對象在視頻流中僅發(fā)生具有空間一致性的較小移動，而目標(biāo)對象的灰度值幾乎不變。表2是基于KLT在管廊內(nèi)的特征點追蹤測試結(jié)果?？梢钥闯?，在正常步速情況下，KLT算法的渲染時間低于50 ms/幀，滿足管廊巡檢要求。

表2 KLT算法性能表

當(dāng)追蹤的特征點數(shù)目大于設(shè)定閾值時，算法則根據(jù)時間相鄰的前后兩幀的對比評估攝像頭姿態(tài)，進一步估算重構(gòu)的模型在重構(gòu)場景中的位置，從而調(diào)用設(shè)備相關(guān)信息，渲染虛擬模型并完成模型在場景中的注冊。

2.5 功能設(shè)計

為滿足實際管廊巡檢需求，系統(tǒng)的功能模塊可分為：

1) 任務(wù)管理，包括對任務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)管理，如任務(wù)的接收與完結(jié)等基礎(chǔ)功能。

2) 巡檢支撐，重點解決巡檢人員在工作過程中遇到的各種問題，包括設(shè)備安裝位置提示、巡檢線路引導(dǎo)、設(shè)備狀態(tài)提示。

3) 數(shù)據(jù)處理與分析，主要處理巡檢過程中實時接收到的傳感器數(shù)據(jù)，并利用各類不同的設(shè)備運行狀態(tài)分析算法分析設(shè)備的運行狀態(tài)，具體包括監(jiān)測數(shù)據(jù)召回、檢修指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

(1) 設(shè)備安裝位置提示。通過對管廊進行三維建模和對人員在實際管廊中位置追蹤和圖像比對，巡檢儀將目視范圍內(nèi)的傳感器顯示在巡檢儀上。這樣，人員在巡檢過程中，不會漏檢任何監(jiān)測設(shè)備，保證了巡檢的效率和數(shù)據(jù)的完備性。如圖6所示，監(jiān)測電纜電流卡鉗懸浮顯示在巡檢人員的視野中，提示任務(wù)中需對此設(shè)備進行檢查。

圖6 通過AR技術(shù)提示監(jiān)測設(shè)備安裝位置

(2) 巡檢路線引導(dǎo)。通過將人員位置信息與預(yù)設(shè)的巡檢路線進行對比，巡檢儀能夠判斷巡檢人員是否在正確的巡檢路線上。另外，預(yù)設(shè)的巡檢路線也能夠直接顯示在巡檢儀上。巡檢路線可由需檢測的設(shè)備自動生成，所生成的路線通過最短路徑算法，串聯(lián)起所有待檢設(shè)備，對規(guī)劃巡檢工作起到提升作用。如圖7所示，當(dāng)巡檢人員靠近待檢設(shè)備時，巡檢儀屏幕會彈出提示，并在完成任務(wù)后指示前往下一個監(jiān)測設(shè)備的路線。

圖7 基于AR技術(shù)的任務(wù)提示

(3) 設(shè)備狀態(tài)提示。巡檢儀能夠自動獲取待檢測設(shè)備的異常數(shù)據(jù)，并通過智能評估診斷算法判斷設(shè)備的運行狀態(tài)。當(dāng)運行狀態(tài)異常時，巡檢儀顯式地標(biāo)注異常設(shè)備，提示巡檢人員關(guān)注。通常，根據(jù)異常類型，巡檢儀會進一步提示可能的故障類型及可以采取的檢測建議和檢修建議。如圖8所示，設(shè)備的缺陷信息會通過懸浮窗口顯示。

圖8 基于AR的設(shè)備缺陷提示

(4) 檢測數(shù)據(jù)召回。巡檢儀具有近場通信功能，能夠自動連接通信范圍內(nèi)的傳感器并將傳感器的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)保存到巡檢儀，以便后期分析使用。

(5) 歷史數(shù)據(jù)查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢往往是巡檢工作的痛點。由于歷史數(shù)據(jù)量大，同時又與設(shè)備相關(guān)，因此即使巡檢中遇到異常設(shè)備，也會將數(shù)據(jù)對比工作退后至巡檢工作完成后。通過AR巡檢儀，與檢測設(shè)備綁定的所保存的歷史數(shù)據(jù)會根據(jù)巡檢設(shè)備自動關(guān)聯(lián)，方便查詢。如圖9所示，巡檢人員不僅可以查看歷史數(shù)據(jù)，同時能夠通過數(shù)據(jù)可視化效果查看數(shù)據(jù)變化趨勢。在圖中，該傳感器顯示隧道內(nèi)的CH4濃度出現(xiàn)了兩次上升，提示巡檢人員注意安全，并上報綜合管理系統(tǒng)。

圖9 通過手勢召回氣體傳感器的歷史數(shù)據(jù)

(6) 檢修指導(dǎo)。根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)，巡檢儀內(nèi)置的評估診斷算法會根據(jù)結(jié)果自動推送檢修建議。檢修建議的生成是通過當(dāng)次實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)和歷史檢修記錄的對比生成，如圖10所示。

圖10 通過AR向巡檢人員推送設(shè)備檢修任務(wù)指導(dǎo)

2.6 工作流程

本文系統(tǒng)具有良好的可移植性，當(dāng)需要在新建管廊部署時，通過建模-綁定設(shè)備-數(shù)據(jù)同步-導(dǎo)入特定設(shè)備分析算法的步驟，即可完成部署。

1) 建模。構(gòu)造與現(xiàn)場環(huán)境一致的三維模型是開展管廊AR巡檢的前提條件。采用點云技術(shù)[11]構(gòu)建管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與視頻比對。為增加現(xiàn)場感和真實效果，對點云掃描的模型進行貼圖，并將監(jiān)測設(shè)備按照現(xiàn)場安裝位置加入三維模型中。監(jiān)測設(shè)備的模型作為用戶接口與用戶交互。

2) 與現(xiàn)場設(shè)備綁定。AR巡檢設(shè)備是否能夠真實反映管廊內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)是巡檢工作最關(guān)心的問題。管廊3D模型構(gòu)造好以后，需要三維模型中的監(jiān)測設(shè)備與現(xiàn)場安裝的監(jiān)測設(shè)備一一對應(yīng)。這種對應(yīng)關(guān)系需要結(jié)合設(shè)備的PMS臺賬，將AR巡檢系統(tǒng)與內(nèi)網(wǎng)中的設(shè)備信息關(guān)聯(lián)。一種方法是實時讀取內(nèi)網(wǎng)設(shè)備信息，并將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)通過安全隔離裝置回傳至內(nèi)網(wǎng)。這種方法實時性較好，但往往考慮到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信息安全等因素，實時回傳到內(nèi)網(wǎng)的可行性較低。另一種方法是在巡檢工作開始之前，將此次工作相關(guān)的設(shè)備臺賬信息傳入AR巡檢儀，現(xiàn)場人員在巡檢過程中手動選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)來源。這種方法具有良好的數(shù)據(jù)安全性，但人員工作過程較為繁瑣。

3) 數(shù)據(jù)同步。根據(jù)巡檢工作中涉及的不同數(shù)據(jù)種類，數(shù)據(jù)同步過程分為兩個階段：(1) 靜態(tài)數(shù)據(jù)同步；(2) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)同步。靜態(tài)數(shù)據(jù)同步是指在開展巡檢工作之前，將管廊內(nèi)的設(shè)備臺賬信息、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障消缺信息等數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器同步至巡檢人員配備的AR巡檢儀。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)同步是指在人員巡檢的過程中，現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備將保存的監(jiān)測數(shù)據(jù)同步至AR巡檢儀，便于進一步分析數(shù)據(jù)。

4) 數(shù)據(jù)分析。根據(jù)管廊內(nèi)安裝的監(jiān)測設(shè)備類型及數(shù)據(jù)類型，為了開展設(shè)備運行狀態(tài)評價及故障診斷，AR巡檢儀需下載相匹配的智能評估診斷算法。

2.7 適用場景

基于AR技術(shù)的電力管廊運維系統(tǒng)不僅能夠用于日常電力管廊巡檢工作，提高現(xiàn)場運維工作效率，同時也可作為管廊巡檢人員上崗培訓(xùn)的工具。培訓(xùn)學(xué)員并不需要實際進入管廊，而是在三維重構(gòu)的管廊中進行操作，重構(gòu)的管廊按照真實管廊1∶1建模。學(xué)員通過在虛擬構(gòu)建的管廊中進行設(shè)備巡檢技能訓(xùn)練，能夠快速熟悉管廊環(huán)境，提升對管廊中監(jiān)控設(shè)備操作的熟練度。

3 應(yīng)用效果

2019年下半年，該系統(tǒng)應(yīng)用于武漢黃家湖電力管廊及濱江商務(wù)區(qū)管廊的日常巡檢工作，如圖11所示。為驗證系統(tǒng)的有效性，兩條管廊的巡檢工作同時采用傳統(tǒng)巡檢方式與基于AR的巡檢方式工作。

圖11 系統(tǒng)在武漢市黃家湖隧道中自動讀取傳感器數(shù)據(jù)

1) 2019年6月至7月間，武漢南瑞運維人員針對武漢市黃家湖隧道開展巡檢工作。巡檢工作主要包括檢查電纜局部放電傳感器及管廊內(nèi)氣體傳感器的工作情況。工作人員通過增強現(xiàn)實巡檢儀檢查過程中發(fā)現(xiàn)局部放電情況，并查詢了該局部放電傳感器的歷史數(shù)據(jù)，通過AR巡檢儀內(nèi)置的評估診斷算法，對實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)綜合評估，發(fā)現(xiàn)一處安全隱患。該故障的研判僅用時30 min，就完成了故障定位、分析及上報工作，極大地提高了工作效率。

2) 2019年10月至11月間，武漢南瑞運維人員開展軍運會保障用電工作，對武漢市江岸區(qū)濱江商務(wù)區(qū)管廊進行運維巡檢保電工作。工作人員佩戴AR巡檢儀對該管廊開展巡檢工作。采用AR巡檢儀后，巡檢人員檢查全管廊3公里約500個各類傳感器僅用時3 h，提高了工作效率并提升了專業(yè)水平。

4 結(jié) 語

本文介紹了利用增強現(xiàn)實技術(shù)進行管廊內(nèi)巡檢工作，并介紹了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的管廊巡檢儀的軟硬件架構(gòu)、使用算法、應(yīng)用情況。結(jié)果表明，針對管廊巡檢工作難度大、專業(yè)性強及工作強度高的問題，基于增強現(xiàn)實技術(shù)的巡檢儀能夠快速識別管廊內(nèi)傳感器，并能迅速將實時數(shù)據(jù)召回，基于內(nèi)置分析算法及歷史信息，能夠快速判斷故障和缺陷類型，提高了管廊巡檢的工作效率，解決了現(xiàn)場人員的技術(shù)痛點。

同時，現(xiàn)場工作中也發(fā)現(xiàn)了可進一步提高之處：

1) 由于管廊內(nèi)光線條件限制，需完善跟蹤算法在弱光條件下的效率。

2) 基于局域網(wǎng)條件的空間定位能夠使巡檢儀在無外網(wǎng)條件下，利用三點定位確定人員在管廊內(nèi)的具體位置，這也是下一步研究的重點。

3) 增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用屬于強數(shù)據(jù)支撐應(yīng)用環(huán)境，諸如模型加載速度、數(shù)據(jù)召回延時和地理位置數(shù)據(jù)等參數(shù)均與應(yīng)用效果有密切關(guān)聯(lián)，因此，如何在管廊環(huán)境下利用延時小、帶寬大的5G網(wǎng)絡(luò)也是需要進一步探討的課題。