基于AR技術的變電站智能巡檢系統設計與實現

李大勇 楊暢 張永伍 陸小榮

摘要：

針對變電站設備巡檢環境復雜、作業人員經驗不足、現場缺陷處理效率低下等問題，提出一種基于AR技術[1]、移動互聯網技術和專家知識庫構建的智能變電站智能巡檢遠程協助系統。以AR眼鏡作為現場信息采集端，通過告訴移動互聯網絡進行雙向數據傳輸，結合專家知識庫和設備運行信息庫[2]，實現專家遠程協助[3]現場分析定位問題并實現操作步驟遠程監督，從而能有效提升巡檢作業的效率。

關鍵詞：

AR技術; 智能巡檢; 遠程協助; 專家知識庫

中圖分類號： TG409

文獻標志碼： A

Application of Remote Assistance System for Intelligent Inspection of Substation Based on the AR Technology

LI Dayong1， YANG Chang1， ZHANG Yongwu1， LU Xiaorong2

（1. State Grid Tianjin Electric Power Company Ltd.， Tianjin 300010， China;

2. Nanjing SPNICE Technology Development Co. Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211153， China）

Abstract：

The substation equipment inspection environment is complex， andthe operating personnel lacks experience， onsite defect processing efficiency and other issues. This paper proposes an intelligent substation intelligent inspection remote assistance system based on AR technology， mobile Internet technology and expert knowledge base. The system takes AR glasses as the field information collection terminal， combines the expert knowledge base and equipment operation information library， and realizes the expert remote assistance and remote supervision of the field analysis and operation step， so as to effectively improve the efficiency of the inspection operation.

Key words：

AR technology; intelligent inspection; remote assistance; expert knowledge base

0引言

電力是國民經濟的基礎產業，電力設備是電力生產經營的生命線。而變電站設備的可靠運行，直接影響到輸變電生產安全和社會穩定。因此保證變電站的設備處于健康狀態[4]非常重要。變電站設備巡檢是指變電站通過對其所管轄范圍內的變電設備進行的定期巡視、檢查以保證變電設備正常運行的一項日常工作。

變電站巡檢工作是變電運行管理工作的一個重要組成部分，是檢查設備運行狀況、掌握設備運行規律、確保設備安全運行必不可少的基礎工作。通過提高設備巡檢質量，可改善變電站運行管理水平，確保變電站設備安全高效運行。

目前變電站內設備涉及電壓等級多、設備種類型號多、新舊程度不一，因此如何提高變電站設備的巡檢質量是保證設備安全運行，提高電網可靠性的關鍵，近幾年在變電站巡檢方面主要存在以下問題：

（1） 部分運維人員業務素質不高、巡檢專業知識匱乏。長期重復性巡檢工作，易造成對巡檢工作的厭倦和麻痹大意，巡檢不認真、不到位、不全面，存在走馬觀花的問題。

（2） 部分變電站長期運行已逾20年，設備老齡化問題嚴重，存在著諸多長期存在且難以解決的安全隱患，無疑增加了變電站設備巡檢工作的難度，導致巡檢效率較低、巡檢質量不高、深層次的缺陷問題難以發現。

（3） 隨著特高壓交直流混聯電網的建設、大規模新能源系統的接入，電網特性日趨復雜，電力設備的種類和型號呈現多樣化和復雜化[5]，且由于不同時期設備新舊程度不一，導致引發缺陷的因素越來越多，部分缺陷可發展存在較長時間，若運維人員對設備缺陷掌握不清，將造成巡檢時設備上的缺陷（尤其是可發展的缺陷，比如設備滲漏、發熱等），不能得到足夠的重視和控制，將進一步發展。

（4） 未建立長期有效的專業知識及典型經驗分享、交流、學習機制。未將一些經驗豐富的專家對現場問題分析和處理經驗形成可供班組運維人員學習的知識庫，導致知識傳播范圍有限。同時由于受限于網絡通信技術及終端裝備技術的限制，專家也無法為現場作業人員提供技術支撐。

針對變電站巡檢中的以上問題，本文特別提出了綜合AR技術、移動互聯網技術，結合設備運行信息、典型問題處置方法等經驗構成了一套智能巡檢遠程協助系統。該系統可解決知識共享、缺陷分析與定位、缺陷處理與監督[6]，從而可以充分利用專家積累的豐富經驗，為現場作業提供強有力的指導。使用本文提供的遠程協助系統，可以大大減少巡檢的人力和花費的時間，從而為電力運維部門節省大量的人力成本并提升運營效率。

2巡檢遠程協助系統的構成

本文所介紹的基于AR技術的智能巡檢遠程協助系統的框架，如圖1所示。

系統主要由站內作業端、服務端和專家協作端三端及通信網絡構成，其中站內協作端主要是AR眼鏡，服務端包括巡檢作業管理系統、設備運行信息庫、專家知識庫及設備運行信息庫和遠程協助服務器，專家協作端主要包括專家終端，各個組成部分的主要功能介紹如下。

2.1遠程協助服務器

遠程協助服務器是遠程協助系統的中樞節點，它完成接入位于變電站現場的AR眼鏡和專家終端（包括PC機和移動終端），并連接巡檢作業管理庫、設備運行信息庫、專家知識庫，專家可通過查看當前作業信息、當前問題設備信息及歷史記錄、搜索專家知識庫完成分析分析和形成處理建議。遠程協助服務器作為各個相連節點的信息中轉中心，完成數據格式的轉換、數據的轉發[7]，還可實時監視個鏈接節點的工況信息。

1） 巡檢作業管理系統

巡檢作業管理系統提供巡檢計劃規劃、巡檢作業新建及巡檢作業流程處理、巡檢作業統計查詢等功能。在巡檢作業管理后端創建好作業任務，經過必要的審批流程后，由AR眼鏡下載待完成的任務，作業人員在現場利用AR眼鏡進行作業，確認作業項目是否合格，并記錄現場問題，作業完成后將作業記錄提交到后臺。

2） 專家知識系庫

專家知識庫是電網基礎知識、操作規范、巡檢相關知識、常見問題描述、問題定位與分析案例、典型問題處理步驟等方面的文字、圖片、語音、視頻等多媒體信息的集合。在這些基礎信息的基礎上，專家知識庫還提供推理功能，由算法或決策策略來進行與知識庫內各項專門知識的推論，依據使用者的問題來推得正確的答案。專家知識庫提供人機接口，接口的主要功能是提供相關數據的輸入與輸出，可以由知識管理工程師或領域專家向庫中增加新的知識項，完成知識庫的完善;而使用者則利用接口達到根據輸入信息獲取輸入問題的參考解決方案。

3） 設備運行信息庫

設備運行信息庫是保存設備當前運行狀態、歷史巡檢記錄及缺陷記錄信息的系統，從這里可以獲取設備的實時數據和歷史運行軌跡信息，從而為現場問題分析及處理方法提供依據。

2.2AR眼鏡

AR（Augmented Reality）是利用計算機生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環境，通過各種傳感設備使用戶“沉浸”到該環境中，他是一種全新的人機交互技術，利用這樣一種技術，可以實現現場廠家與虛擬場景的疊加，形成一個全新的虛擬世界[8]。AR的優越性體現在實現虛擬實物和真實環境的結合，讓真實世界和虛擬物體共存，同時它實現了虛擬世界和真實世界的實時同步，滿足用戶在現實世界中真實地感受虛擬空間中模擬的事物，增強了使用的互動性。

一個完整的AR系統包括計算機系統、視頻輸入轉換系統、人機交互系統、動作捕獲跟蹤系統、視頻顯示系統、語音識別、圖像處理、網絡連接[9]。AR眼鏡是一個高度集成的一體化AR設備，處理具備AR的基本功能外，還需要在輕便、易操作等各方面進行優化提升。AR系統的工作原理如圖2所示。

本系統中采用的AR眼鏡采用主流處理器，配個4G內存，64G存儲器，提供OLED雙目1024x768高透光眼鏡、1300萬像素光學防抖攝像頭，采用安卓操作系統，支持標準的android APP運行，提供支持語音識別、手勢控制及控制按鈕等輸入方式，網絡連接方式支持wifi、藍牙及4G移動網絡連接，配備1200mAH鋰電池，支持長達8小時的續航能力。

在本系統中，AR眼鏡是現場作業平臺，既可以在現場執行巡檢作業的操作，也可根據需要進入遠程協助交互模式，向專家發送信息或接收專家發送過來的指導信息。

2.3專家終端

專家終端是專家用來進行遠程協助操作的PC及或移動終端，專家可以在終端上完成對現場作業的遠程指導，包括接收AR眼鏡傳回的文字、圖片、語音視頻信息進行問題定位分析，并將處理建議信息發送到AR眼鏡。在PC端，專家是通過網頁訪問服務器進行操作的，在移動終端上，是通過APP程序進行操作的。

2.4通信網絡

遠程協助系統[10]能夠正常工作的基礎是AR眼鏡、專家終端及遠程協助服務器能形成一個互聯互通的網絡系統。遠程協助服務器位于局端的電網安全內網;AR眼鏡在變電站內通過移動4G網絡接入安全內網，在辦公區域，也可通過Wifi接入安全內網;移動終端式的專家終端通過Wifi或4G網絡接入安全內網;PC機式的專家終端一遍與遠程協助服務器位于同一個網絡內。基于移動4G接入的通信網絡的組網如圖3所示。

在圖3中，從廣域網到電力安全內網[11]（或電力數據網）之間需要通過安全接入平臺，安全接入平臺對每臺接入的外網設備進行認證，只有通過認證的設備的數據才能進入安全內網，這樣就可以保證電力數據網不會被惡意接入的設備攻擊。對于巡檢作業遠程協助系統，組件一個獨立的局域網，該局域網通過防火墻與安全內網相連，這樣可以保證應用網絡的相對獨立性，以充分保證網絡的安全性。

3變電站智能巡檢遠程協助系統工作流程

基于本文所設計的智能巡檢遠程協助系統，完成一個巡檢任務的流程如圖4所示。

1） 在作業管理系統中創建新的巡檢作業任務，填寫任務名稱、任務完成時間、任務責任人等基本信息，并明確本次巡檢的變電站、待巡檢的設備及作業流程和作業內容;

2） 任務經過管理人員審批后，指派給責任人執行，任務進入待執行狀態;

3） 任務責任人利用AR眼鏡接收待執行任務，攜帶AR眼鏡到現場作業，根據本次任務流程進行作業，包括逐條檢查作業項是否符合要求，對現場發現的問題進行處理，保存作業結果記錄;

4） 在作業過程中，如碰到疑難問題，可進請求遠程協助，由專家遠程指導進行問題處理，具體步驟見遠程協助流程;

5） 所有作業項完成后，提交作業結果，整個任務完成。

3.1遠程協助的詳細工作流程

1） 作業人員攜帶AR眼鏡到現場作業，當碰到問題需要協助時，可以呼叫專家遠程協助，呼叫請求發送到遠程協助服務器。

2） 如果有專家在線，專家會看到現場工作人員的請求，可以進入遠程協助，一個專家可以同時為多個。

3） 專家進入遠程協助后，可以直接查看通過AR眼鏡傳回的現場實景，從而可以很方便地知曉當前作業的站、設備及現場問題信息。

4） 專家可以通過文字、語音、或視頻通話方式與現場人員進行實時交流，了解故障詳細信息或者給出故障處理指導意見。專家可以通過設備運行信息庫，查詢設備的基本信息、設備運行歷史數據及設備關聯的技術文檔等信息，以這些信息加速故障定位及處理方法;專家可以通過專家知識庫，通過檢索方式檢索與現場故障類似的信息，尋找故障處理方法。

5） 專家通過綜合現場傳回的實時信息及后端知識庫和運行庫的信息，給出處理方法和操作步驟，以文字、圖片、語音、視頻的方式發送給AR眼鏡。

6） 現場人員，根據專家給出的處理方法和步驟進行處理，現場操作可通過視頻實時傳回專家終端，此時專家還可遠程監視現場人員的操作，如發現作業人員誤操作或操作后的結果不符合預期。可立即指示終止現有操作，進行進一步分析并給出更有效的處理辦法。

7） 問題處理完，可結束遠程協助。

4系統優勢及應用效果

本文中的變電站智能巡檢遠程協助系統，利用先進的AR技術、視頻及語音通信技術和圖像處理技術[12]，具有以下優勢：

1） 解放雙手

AR眼鏡都可以在求助方需要的時候提供所需遠程協助，甚至提供跨界協作、管理和快速的工作流部署，解放雙手讓求助方更專注工作本身。

2） 直觀呈現

AR眼鏡將專家終端的信息瞬間轉化為可視的圖文信息、3D動畫、視頻等不同形式的可視內容。模擬了專家在現場進行分步指導，無論專家是否在現場，都可以完成復雜問題的維修和故障排除。

3） 知識共享

遠程協助服務器可將設備運行信息庫、專家知識庫、巡檢作業管理系統中的信息通過AR眼鏡共享給分布在各處的操作人員，同時還可以進行數據的采集和優化、分析等處理。

4） 專業督導

利用AR眼鏡可以實現專家般的一對一操作指導，AR眼鏡端的操作人員可以根據需要進行選擇調節，節省人員和時間成本、培訓成本等。

依據前文描述的設計模式，在天津省電力公司某區屬公司進行了試點應用部署，服務端（包括巡檢作業管理系統、設備運行信息庫、專家知識庫）部署與內網，同時提供若干臺工業化的AR眼鏡，構建了一套完整的基于AR技術的智能巡檢遠程協助系統并投入使用。根據在該系統試用的3個月期間內的變電站巡檢任務執行時間、缺陷處理時間及人力資源投入來看，到現場人力需求減少50%，總體人力需求減少20%，缺陷處理時間縮短了30%，因此大幅度降低了人力成本、降低了缺陷處理時間，提升了變電站設備穩定運行率。

5總結

本文介紹了基于AR技術的變電站智能巡檢遠程協助系統，說明了系統的組網結構及闡述了遠程協助系統在變電站智能巡檢中的應用[13]。基于AR技術的遠程協助系統，充分利用專家知識庫、運行信息庫及專家自身豐富的專業經驗，為現場作業人員實時提供解決問題的思路和方法，并可監視現場的每一步操作，可減少無操作的可能性。通過遠程協助系統大大提升了變電站巡檢的工作效率和降低安全事故發生的幾率，從而節省了大量的人力成本。

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（收稿日期： 2020.02.17）

作者簡介：李大勇（1974），男，本科，高級工程師，研究方向：電力系統繼電保護及調度控制技術。

楊暢（1986），女，本科，工程師，研究方向：繼電保護整定計算及自動遠動技術。

張永伍（1980），男，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統繼電保護及調度控制技術。

陸小榮（1981），男，本科，助理工程師，研究方向：繼電保護及其自動化技術。

文章編號：1007757X（2020）08009203