基于增強現實技術的承壓類特種設備檢驗系統的設計

顏澤鋼，楊景標，劉磊

（廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251）

1 前言

特種設備正朝大型化、高參數的方向發展，設備數量逐年增加，檢驗復雜程度和難度不斷增大。特種設備檢驗目前采用全流程的人工檢驗模式，致使檢驗人員工作強度大，任務繁重，且對檢驗人員要求較高。此外，承壓類特種設備普遍具有壓力大、溫度高、介質復雜，且受力復雜等特點，人工檢驗模式無法完全滿足復雜的檢驗環境要求，使得檢驗效率較低。同時，檢驗過程中檢驗結果的記錄只保留不合格部位的圖像，獲得的檢驗信息匱乏。特種設備檢驗周期間隔時間長，且歷次檢驗部位的選取存在差異，使檢驗結果的可對比性較差，難以準確反映缺陷演變發展規律，使特種設備的安全狀況或剩余壽命預測不夠準確。對于全人工檢驗模式所存在的弊端，單純通過提高檢驗人員素質的方式收效甚微，亟需對檢驗模式進行創新性設計。AR技術作為一種將虛擬信息疊加到真實場景，并可與之進行互動的技術，極大地拓展了人的感知能力。將AR技術應用在檢驗系統中，可將檢驗人員現場無法獲取的特種設備信息與現場檢驗環境結合起來，有利于提高檢驗效率、降低成本，打破傳統檢驗模式的局限性。檢驗人員能夠獲得更加全面的數據，得到更加全面而客觀的檢驗結果，對保證特種設備安全性能具有重要意義。

2 基于AR技術檢驗系統的構建

2.1 增強現實(AR)技術

增強現實（AR）技術是一種基于計算機實時計算和多傳感器相融合，將現實世界與虛擬信息結合與交互的技術。近年來，AR技術發展迅速，已在教育、娛樂、醫療、軍事、城市規劃、導航等領域發揮其作用。由于承壓類特種設備及其檢驗的特殊性，關于AR技術在特種設備檢驗中的應用研究報道較少。因此，通過AR技術提高承壓類特種設備檢驗系統的數字化、可視化與智能化，是一種新穎的檢驗系統開發思路。

2.2 系統總體設計

綜合考慮現場檢驗條件與AR技術特點，本檢驗系統設計流程圖見圖1，該系統整體包括兩部分：前端客戶端與后端服務器。前端客戶端負責圖像的采集和增強現實信息的顯示等。后端服務器負責圖像識別、渲染信息建立、數據存儲等。客戶端與服務器可采用無線網絡來連接。從圖1系統設計流程圖可看出，本系統充分發揮AR技術的特點，采用視頻式增強的顯示技術，對待檢特種設備進行畫面拼接與顯示。同時，采用移動式傳感器的跟蹤技術與攝像頭標定的注冊技術，將相關數據報告給AR系統，實現以待檢設備作為被跟蹤對象實際的地理坐標與虛擬的坐標相統一，達到讓虛擬物體與設備環境無縫結合的目標。在完成待檢設備的標定與注冊后，利用觸摸交互的人機交互技術，通過AR系統開發軟件與模塊對所需的待檢設備信息進行獲取與操作，實現AR技術為檢驗工作服務的目的。

2.3 前端客戶端

前端客戶端組成見圖2，前端客戶端由攝像頭、定位系統、增強現實界面、定位識別模塊、缺陷識別與測量模塊、檢驗輔助模塊與檢驗記錄模塊組成。結合圖1系統設計流程圖可看出，通過攝像頭與定位系統，檢驗人員可迅速獲得現場圖像與位置信息。通過增強現實界面，檢驗人員可查看待檢設備的基本信息和模型信息。通過定位識別模塊，檢驗人員可對待檢驗設備進行識別。通過缺陷識別與尺寸測量模塊，檢驗人員可對待檢驗設備進行缺陷識別和缺陷尺寸測量，得到該設備的缺陷類別與特征尺寸等信息。檢驗輔助模塊可根據服務器的設備信息數據庫和模型數據庫中所存儲的該設備的基本信息和模型信息，將該設備的模型在客戶端的增強現實界面上進行顯示。檢驗記錄模塊可對該設備的檢驗過程進行記錄，生成被檢設備的檢驗記錄，并將該設備的檢驗記錄信息存儲至設備信息數據庫中。

圖1 系統設計流程圖

圖2 前端客戶端組成示意圖

2.4 后端服務器

后端服務器組成見圖3，后端服務器由設備信息數據庫、模型數據庫與檢驗方案數據庫組成。設備信息數據庫中存儲有設備的基本信息，具體包括設備的基礎信息、安裝位置、結構、標志物、歷次檢驗信息。其中，設備的基礎信息包括：型號、設備代碼、設備類別、材料、性能參數、設計單位、設計日期、設備圖號、制造日期、產品標準等；設備的標志物信息包括：銘牌信息、背景參照物信息等。模型數據庫中存儲有設備的模型信息，具體包括：設備的外部模型和內部模型。通過三維建模和拼圖的方式，設備信息數據庫與模型數據庫共同構建設備的模型。承壓類特種設備內外結構特點差別較大，外部特征明顯，而內部結構復雜。為降低建模難度，對待檢設備的內外部結構采用不同的建模方式。其中，設備的外部結構采用三維建模方式，內部結構采用拼圖的方式。檢驗方案數據庫中存儲有設備的檢驗方案，具體包括：宏觀檢驗，壁厚測定，無損檢測，材料成分分析，硬度檢測，金相分析，內窺鏡檢查，安全附件檢查，耐壓試驗，氣密性試驗等。不同特種設備存在差異性，在實際的檢驗過程中，檢驗人員需對檢驗方案有針對性地增加或刪減檢驗項目。因此，在檢驗系統設計中，數據庫所存儲的檢驗項目可根據檢驗實際情況進行增加或刪除。

圖3 后端服務器組成示意圖

2.5 檢驗系統工作流程

AR檢驗系統工作流程圖見圖4。檢驗人員接收到某待檢設備的檢驗任務后，在客戶端的增強現實界面查看該設備的基本信息和模型信息。檢驗輔助模塊根據待檢設備的基本信息，從服務器的檢驗方案數據庫中選取出該設備的最佳檢驗方案，并在客戶端的增強現實界面進行顯示。同時，定位模塊根據客戶端所收集的位置信息、現場圖像，并根據設備信息數據庫所存儲的設備的基本信息，對該設備進行識別。在檢驗人員進行設備檢驗時，檢驗輔助模塊根據服務器中待檢設備的基本信息與模型信息，對該設備的模型進行歷史檢驗區域和歷史缺陷部位的定位、標注、指引，并在操作增強現實界面上顯示。在檢驗人員通過客戶端的攝像頭拍攝現場圖像后，缺陷識別與尺寸測量模塊會根據現場圖像對該設備的檢驗過程進行記錄，生成檢驗記錄，并將被檢設備的檢驗記錄信息存儲至設備信息數據庫中。

圖4 AR檢驗系統工作流程圖

3 結語

本文針對承壓類特種設備檢驗的特點，以增強現實技術作為整個檢驗系統的技術支撐，設計出以前端客戶端與后端服務器為主體架構，具有一定智能化程度的承壓類特種設備檢驗系統，其具有以下特點：（1）根據承壓類特種設備的復雜檢驗狀況，充分發揮AR技術的特點，對AR系統的顯示技術、跟蹤技術、標定與注冊技術、交互技術與檢驗流程的匹配做出針對性設計，極大提高了系統的科學性與指引性。（2）AR技術在承壓類特種設備檢驗中的應用，極大地克服了傳統人工檢驗模式的弊端，提高了檢驗系統的信息化與自動化程度，最終使得檢驗效率提高，并使檢驗人員獲得了更加全面的檢驗數據，對保證特種設備安全性能具有重要意義。