增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電廠運(yùn)維場景中的應(yīng)用研究

馬玥竹，桑 瑋

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，縮寫AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種將虛擬和現(xiàn)實(shí)“無縫”集成的新技術(shù)。AR 結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、空間定位技術(shù)、可視化技術(shù)以及交互技術(shù)，可在展現(xiàn)真實(shí)物理環(huán)境信息的同時，將現(xiàn)實(shí)世界難以呈現(xiàn)的輔助虛擬數(shù)據(jù)信息通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備疊加顯示在真實(shí)物理環(huán)境中，真實(shí)和虛擬兩種信息可通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互補(bǔ)充、疊加。AR 技術(shù)隨著移動智能設(shè)備的發(fā)展和普及，從20 世紀(jì)60 年代[1]開始經(jīng)過長期技術(shù)積累，目前已可用于商業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。

從2015 年，中國國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》以來，“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的發(fā)展理念在各個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這對最先進(jìn)的核電三代堆型的發(fā)展提出了更高的要求：其技術(shù)發(fā)展應(yīng)具有時代特征，充分吸納最先進(jìn)的理念和技術(shù)，提高先進(jìn)性，形成強(qiáng)勁國際競爭力。AR 作為近年來最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)之一，與核電運(yùn)維相結(jié)合，可提升運(yùn)維人員對可達(dá)空間的認(rèn)知能力，輔助就地運(yùn)維人員在就地現(xiàn)場進(jìn)行工作，提升核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性。

本文將介紹AR 的相關(guān)概念和一些關(guān)鍵技術(shù)，并列舉出其可運(yùn)用于核電廠運(yùn)維場景中的應(yīng)用。

1 AR相關(guān)概念和技術(shù)

1.1 AR的定義

目前被廣泛接受的AR 定義[2]如下：滿足虛擬和現(xiàn)實(shí)、實(shí)時交互及空間注冊3 個條件即屬于AR。

實(shí)現(xiàn)AR 技術(shù)需要基于特定的硬件組件，目前市場上的AR 硬件種類很多，其中較為成熟的AR 硬件可分為以下三大類：

1）頭戴式設(shè)備，例如：微軟的HoloLens、谷歌的Google Glasses 和Facebook 的Oculus Rift 等。

2）手持式設(shè)備，例如：手機(jī)和平板電腦等。

3）空間顯示設(shè)備，例如：通過定點(diǎn)全息顯示等方式將虛擬影像投影在現(xiàn)實(shí)場景中。

考慮到在核電廠運(yùn)維中引入AR 技術(shù)，主要看中其便攜性與可移動性，故本文的討論范圍在滿足AR 定義的基礎(chǔ)上，需附加滿足可穿戴性這一要求，上文中提出的空間顯示AR 硬件設(shè)備由于不具備可穿戴性，故不在本文的討論范圍中。

1.2 AR的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

目前AR 系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過程分為四步[3]：

1）場景信息獲取：對需要進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的場景進(jìn)行掃描，識別場景中的重要物項(xiàng)。為跟蹤注冊技術(shù)的實(shí)施提供所需場景信息。

2）對場景信息跟蹤注冊：定位場景中的重要物項(xiàng)，確保虛擬物項(xiàng)定位在準(zhǔn)確位置，在用戶移動過程中始終保持虛擬物項(xiàng)的定位準(zhǔn)確。

3）場景融合繪制：將真實(shí)物理場景與虛擬物項(xiàng)進(jìn)行融合，確保虛擬物項(xiàng)穩(wěn)定顯示無遮擋。

4）增強(qiáng)信息顯示：將虛擬物項(xiàng)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備上進(jìn)行顯示。

根據(jù)上述AR 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程可以看出AR 的關(guān)鍵技術(shù)分為識別技術(shù)和跟蹤注冊技術(shù)。

1.2.1 識別技術(shù)

識別技術(shù)是真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境交互的重要環(huán)節(jié)，通過識別，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的虛擬信息進(jìn)行疊加，而不是將所有信息混亂地進(jìn)行疊加。

目前成熟的識別方法有：外觀識別、射頻識別和條碼識別。3 種方法各有優(yōu)劣，具體比較詳見表1。

表1 識別方法比較表Table 1 Comparison between object recognition methods

表2 跟蹤注冊方法比較表Table 2 Comparison between track recognition methods

1.2.2 跟蹤注冊技術(shù)

跟蹤注冊技術(shù)確保了虛擬場景與真實(shí)場景保持精確的“對齊”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)場景的完美結(jié)合。跟蹤注冊技術(shù)分為注冊、跟蹤兩部分：

注冊：將虛擬場景顯示在現(xiàn)實(shí)世界準(zhǔn)確位置的定位過程。

跟蹤：在注冊過程中需要系統(tǒng)從當(dāng)前場景中獲得真實(shí)空間的實(shí)時數(shù)據(jù)，包括用戶位置、用戶運(yùn)動情況、觀察角度等來決定如何按照用戶的當(dāng)前視角重新建立坐標(biāo)并將虛擬物體顯示到正確位置。

目前發(fā)展較為成熟的跟蹤注冊技術(shù)有4 種實(shí)現(xiàn)方法：基于傳感器的跟蹤注冊方法、基于標(biāo)識的跟蹤注冊方法、基于自然特征的跟蹤注冊方法及基于混合的跟蹤注冊方法[4]。4 種方法各有優(yōu)劣，具體比較詳見表2。

2 AR與核電運(yùn)維的結(jié)合

2.1 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的意義

在核電運(yùn)維場景中，就地巡檢和就地維修是兩項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)，就地操縱員需對各種設(shè)備進(jìn)行定期和不定期的巡檢，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障需及時進(jìn)行維修。

最初，核電廠就地操縱員采用的巡檢方式是攜帶列有巡檢任務(wù)的紙質(zhì)工作單進(jìn)行巡檢，并在工作單上記錄巡檢結(jié)果，在巡檢完成后攜帶工作單返回，并在工作電腦上進(jìn)行入庫。在此過程中，因?yàn)闆]有信息終端設(shè)備的參與，無法將巡檢信息的采集自動化存入數(shù)據(jù)庫。目前，雖核電廠已引入巡檢儀等信息終端，使得運(yùn)維人員在巡檢和維修過程中可快速讀取及記錄數(shù)據(jù)，但由于巡檢儀顯示空間有限，無法呈現(xiàn)大量設(shè)備動態(tài)信息。同時，在設(shè)備維修過程中，由于無法同時觀察到所需動態(tài)信息，往往需要確認(rèn)多個表計(jì)的讀數(shù)。上述過程不僅耗時耗力，同時還容易增加人因失誤，如：人員誤入危險區(qū)域、誤入冗余通道的房間及誤維修冗余通道的設(shè)備、記錄錯數(shù)據(jù)、未及時記錄數(shù)據(jù)等。

單就核電運(yùn)維場景中巡檢和檢修這兩項(xiàng)日常工作即可看出，核電運(yùn)維場景急需移動式的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)來提升核電廠運(yùn)維的安全性及效率。AR 可以完美實(shí)現(xiàn)移動式數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，故有必要將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電廠運(yùn)維緊密結(jié)合。

由于本文討論重點(diǎn)圍繞于AR 的便攜性給核電廠運(yùn)維帶來的便捷，故本文中的核電廠運(yùn)維指核電廠就地環(huán)境中的運(yùn)維，涉及的用戶為核電廠就地操縱員。

2.2 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的優(yōu)勢

AR 與核電運(yùn)維結(jié)合可打破核電廠運(yùn)維的很多固有狀態(tài)，為核電廠運(yùn)維增加更多可能性，AR 與核電廠運(yùn)維結(jié)合最主要的三點(diǎn)優(yōu)勢如下：

集成系統(tǒng)，提升決策水平：AR 作為一項(xiàng)可移動的數(shù)據(jù)可視化及互動的技術(shù)，不僅可以單獨(dú)開發(fā)來滿足核電廠的移動數(shù)據(jù)呈現(xiàn)或遠(yuǎn)程互動的需求，同時也可以作為各成熟系統(tǒng)的輔助技術(shù)，形成“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+”，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+成熟系統(tǒng)，使得各成熟系統(tǒng)不再局限在個人電腦端，打破傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)用的空間限制。同時，各成熟系統(tǒng)也可通過AR 整合在同一物理空間中呈現(xiàn)給就地操縱員，可達(dá)到就地操縱員可在任何地點(diǎn)隨時調(diào)取所需數(shù)據(jù)的程度。

解放雙手，提高人員效能：由于AR 硬件設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)已有成熟的可運(yùn)用于工業(yè)場景的AR 眼鏡、AR 頭盔等設(shè)備。這些設(shè)備使得就地操縱員可以在工作中無需手持設(shè)備，而是全身心投入到工作中，提高工作效率。

遠(yuǎn)程協(xié)作，擺脫空間束縛：AR 的互動性這一特點(diǎn)使得遠(yuǎn)程協(xié)作成為一種可能，有經(jīng)驗(yàn)的就地操縱員可以在無法到達(dá)維修現(xiàn)場的情況下，通過實(shí)時音視頻以第一視角觀察現(xiàn)場情況，并通過標(biāo)記及發(fā)送文件等方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)在現(xiàn)場的就地操縱員進(jìn)行設(shè)備維修。

3 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場景及技術(shù)點(diǎn)總結(jié)

3.1 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場景

AR 與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用場景非常豐富，以下為其中較為典型的4 個應(yīng)用場景。

1）遠(yuǎn)程支持

在核電廠大修期間、事故工況下、遇到較為棘手的設(shè)備維修問題或需多人進(jìn)入危險區(qū)域的情況下時，均可通過就地人員佩戴的AR 設(shè)備遠(yuǎn)程連接專家或廠家維修人員等專業(yè)人員輔助就地人員進(jìn)行設(shè)備維修。專家可在不到達(dá)現(xiàn)場的情況下，通過就地人員的第一視角身臨其境地了解現(xiàn)場真實(shí)狀況，并且同時可看到AR 技術(shù)疊加在設(shè)備旁的設(shè)備參數(shù)等信息，在線提出維修建議，支持就地人員進(jìn)行設(shè)備的檢修。這一應(yīng)用可打破空間限制，提高就地人員的檢修效率。

2）遠(yuǎn)程監(jiān)督

對重要維修、驗(yàn)收活動，要求現(xiàn)場責(zé)任人佩戴AR 顯示終端全程進(jìn)行第一視角記錄，可支持監(jiān)督管理人員遠(yuǎn)程查看，以及數(shù)據(jù)存檔，達(dá)到規(guī)范活動實(shí)施，提升可追溯性，加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)反饋和知識管理的目標(biāo)。

3）現(xiàn)場助手

就地操縱員在進(jìn)行維修、巡檢等任務(wù)時，可通過AR顯示終端識別現(xiàn)場設(shè)備，調(diào)用設(shè)備基本信息（如編號、型號、廠商等）、操作記錄（如維修更換記錄）、實(shí)時狀態(tài)、診斷信息，并與物理世界進(jìn)行疊加呈現(xiàn)，輔助支持現(xiàn)場作業(yè)。同時，亦可在AR 顯示終端增設(shè)溫度、劑量傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的實(shí)時采集及信息的實(shí)時可視化，提醒就地人員所處環(huán)境的情況，或在需要時提供就地操縱員最優(yōu)路線并指示就地操縱員按照所給路線行進(jìn)。該應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)共享，全范圍動靜態(tài)信息呈現(xiàn)，提升就地人員對環(huán)境的認(rèn)知及決策水平。

4）工作票助手

就地人員進(jìn)行維修、巡檢等任務(wù)時，可通過AR 顯示終端隨時查看或逐條完成并確認(rèn)工作票中的要求，完成工作票要求，就地人員的執(zhí)行記錄可與電廠工作票系統(tǒng)在線/離線同步。在就地人員執(zhí)行工作票的過程中，AR 顯示終端可提供輔助信息（設(shè)備動態(tài)參數(shù)、圖冊等）查詢、遠(yuǎn)程音視頻協(xié)作、音視頻資料記錄等功能。該應(yīng)用可把就地人員需完成的工單與完成工單所需查看的信息融合在同一AR顯示終端顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。同時，該應(yīng)用也可通過就地人員的AR 顯示終端記錄完成工單過程中的重要步驟并進(jìn)行存檔，便于日后對工單完成過程進(jìn)行查看。

3.2 AR與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)點(diǎn)

結(jié)合上述AR 與核電運(yùn)維結(jié)合的應(yīng)用特點(diǎn)，可將其應(yīng)用技術(shù)點(diǎn)歸納為以下4 點(diǎn)：

1）交互控制：包括手勢控制、語音控制等先進(jìn)交互方式，用以解放雙手。

2）交互數(shù)據(jù)：包括電廠參數(shù)、維修文件等所有核電廠運(yùn)維所需的動靜態(tài)數(shù)據(jù)。

3）遠(yuǎn)程交互：包括實(shí)時音視頻、互動白板等技術(shù)。

4）定位與識別：包括設(shè)備識別、空間定位、空間注冊等技術(shù)。

4 結(jié)束語

AR 應(yīng)用隨著AR 硬件的快速發(fā)展，在近年來取得了非常大的成果，涉及領(lǐng)域也越來越廣泛。同理“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，在5G 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動下，未來“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)+”模式結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)形成的數(shù)字孿生核電廠必將成為未來“智慧核電廠”發(fā)展基石，將各類電廠數(shù)據(jù)均可通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)給核電廠工作人員。后續(xù)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，核電廠工作人員對于核電廠整體狀態(tài)的認(rèn)知將高度提升。

但由于核電廠環(huán)境的特殊性、系統(tǒng)的復(fù)雜性及對安全性的高要求等原因，導(dǎo)致國內(nèi)外尚未有成熟的AR 應(yīng)用用于核電廠運(yùn)維。目前，AR 應(yīng)用投運(yùn)于核電廠運(yùn)維還需克服以下局限：

1） 核電廠特殊環(huán)境中AR 技術(shù)的應(yīng)用。如：在核電廠網(wǎng)絡(luò)信號屏蔽嚴(yán)重的情況下，如何做到AR 顯示終端對于設(shè)備的識別與精確定位、核電廠復(fù)雜的數(shù)據(jù)來源如何集成到AR 應(yīng)用中。

2） 缺少針對核電行業(yè)AR 技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

除了上述局限，還需考慮需疊加的虛擬信息的篩選、虛擬信息的疊加密度、疊加位置及疊加方式，使得AR 技術(shù)不僅用于簡單的數(shù)據(jù)展示，同時可大幅提高就地運(yùn)維人員的效率，減少人因失誤等問題。

AR 技術(shù)在核電廠運(yùn)維中的發(fā)展雖還處于初步發(fā)展階段，但隨著數(shù)字電廠及軟硬件技術(shù)的發(fā)展，將AR 技術(shù)應(yīng)用于核電廠運(yùn)維指日可待。