AR 遠程交互系統在工程質量監督現場應用研究

王 輝 王 岳 王國輝 王維明 賀祥彪

石油化工工程質量監督總站勝利監督站 山東東營 257100

石油化工工程質量監督總站勝利監督站（以下簡稱勝利站）是石油化工工程質量監督總站（監測公司）派駐勝利油田從事工程質量監督、監測，以及壓力管道監檢和特種設備檢驗的專業機構。所負責業務存在著服務企業多、工作地域廣的特點，現有職工30 人，目前的最大困難是人力資源不足及專業人員匹配不均衡。

1 現有遠程監督技術的不足

傳統危化作業一般通過視頻監控和對講機實現現場和后方溝通交流等方式，這些裝備的應用有效提升了施工效率，但依然存在如下問題：

（1）性能不夠智能化，無法保障信息傳輸質量和實時性。指揮中心無法及時獲取清晰的實時現場視頻，不利于指揮人員的決策判斷；受現場環境噪音干擾，指揮員很難實現與前線作業人員的通暢溝通，無法保證有效指揮。

（2）靈活性機動性不足，無法滿足復雜環境及遠程指導要求。目前利用監控系統等進行作業監控，存在圖像傳輸能力有局限、靈活程度不足等問題。由于現場環境極具復雜性，固定式攝像頭受安裝位置的限制，在需要提供特殊區域作業圖像信息時十分困難。

（3）攝像頭和對講機系統僅能夠提供音、視頻通訊服務，不具備遠程資料傳輸能力，也不具備大數據及時處理能力。在緊急情況下，無法實現數據和救援方案及時互通；密閉空間作業時，在線專家無法即時掌握密閉空間內的情況。

2 AR技術與工程質量監督現場的關聯

隨著電子技術的發展，AR 產品普遍在向高清化、輕量化、長待時等方向發展。同時，工業場所的復雜性和變化性對軟件系統帶來挑戰，亟待提高AR 產品軟件與用戶工作現場需求的匹配度。通過探索AR 遠程交互系統在工程質量監督現場的研究及應用，實現現場作業的質監人員與遠程專家音、視頻雙向交互；針對復雜的質量問題，進行多個專業的專家同時在線，實現遠程會診，提高問題解決的時效性；加強對現場監督的管控，提高運行標準化管理水平，引導、教育、督促一線人員的科學化、標準化、規范化操作，還可提高對復雜問題解決的時效性，減少差旅費用。

3 AR遠程交互系統的研究

3.1 技術路線

（1）頭戴式設計：和現有各種防護眼鏡兼容，并具備頭部安全防護能力；

（2）單目式顯示屏：不影響一線監督人員工作視線，方便實現左右眼自動切換；

（3）基于硬件的語音識別系統：確保在無網絡信號的環境中也能實現全語音控制，解放雙手；

（4）HD 攝像頭1600 萬像素：帶圖像穩定系統，自動對焦，保證視頻傳輸及錄制質量，支持二維碼掃描識別；

（5）強抗噪技術：可在93dB（A）環境噪音下識別語音命令，保證一線監督人員在嘈雜環境下仍能對設備進行控制；

（6）近場語音識別功能：僅接受佩戴者的語音指令；

（7）音質清晰：采用91dB（A）高靈敏度揚聲器與3.5mm 音頻接口，可外接降噪防爆耳機，最大程度保護佩戴者聽力并提供高清音頻，保證溝通順暢。

3.2 技術指標

（1） 要求滿足Ex ib IIC T4 Gb, 通過Atex、IECEX、CSA 等防爆認證，滿足石油石化現場環境作業安全要求；

（2）要求2m 防摔：通過2m 水泥地跌落測試，保證設備在意外掉落時仍可正常使用；

（3）防護等級IP66：保證在潮濕環境、大雨及粉塵環境中均可正常使用；

（4）顯示屏：分辨率不低于854×480，抗眩光，保證一線監督人員在室外強光環境下仍能正常清晰觀看視窗內容；

（5）操作系統：不低于安卓6.0 系統；

（6）CPU：不低于高通驍龍625 處理器、2GB/ 16GB內存，并可通過MicroSD 擴展存儲至64G 以上，以保證對現場大量視頻數據的存儲要求；

（7）無線連接：支持Wi- Fi、藍牙，滿足音、視頻實時傳輸要求；

（8）設備輕便：機體重量小于900g；

（9）導航追蹤：含GPS、陀螺儀和數字羅盤位置識別功能；

（10）電池：充電電池容量不低于3400mA，連續工作時間約8h。

3.3 技術關鍵

（1）建立AR 遠程交互系統，并實現雙向音視頻交流、語音操控（解放現場佩戴者的雙手），第一視角記錄現場情況，能用于易燃易爆等危險場所等功能。

（2）通過設置服務器、電腦終端、AR 頭盔、專家通道建立完整的AR 遠程交互系統。研究并創建高效的雙向音視頻傳輸、文件傳輸能力和外部專家幫助通道。使指揮中心能夠以與一線監督人員相同的視角感知現場事態，方便地獲取相關技術資料和專家意見。同時，指揮中心和遠程專家可以方便地將資料、指令等信息即時傳送給一線監督人員。

（3）建設方案：軟件系統除覆蓋服務器、各電腦終端、各AR 頭盔外，還應設置不少于10 個專家通道；硬件系統包含勝利站設服務器及指揮中心終端1 套，配備AR遠程交互設備（防爆型）。AR 遠程交互系統示意圖如圖1所示。

圖1 AR遠程交互系統示意圖

每個在油氣工程現場的質監人員配置有相應的AR設備，使其能夠利用AR 設備完成自身的現場質量監督任務。后臺終端可以為一個或多個。每個后臺指揮人員、專家人員配置相應的后臺終端。其中，不同位置的AR 設備之間有通訊連接關系。系統服務器通過內部網絡和/ 或外部網絡，能夠與后臺終端通訊連接。

利用AR 技術，各個監督項目可實現現場作業的質監人員與遠程專家的音視頻雙向交互。遠程監控施工質量關鍵環節，輔助質監人員監督檢查，遠程發現質量問題。通過WiFi 或其他無線通訊網絡，AR 設備能夠實現視頻、語音、圖片實時分享，以第一視角方式分享現場影像和圖像。現場異常情況可實時回傳至系統服務器，同時系統服務器可以實現向內部網絡及外部網絡轉發，使得后端人員在公司內部及公司外部均可及時了解現場全面信息，并做出相應的處理指導。

頭戴式AR 設備可以對當前顯示的現場質量監督視頻進行操作，操作指令包含放大或縮小、對焦、打開或關閉閃光燈、切換攝像頭等。頭戴式AR 設備具有定位功能，通過不同位置的AR 設備之間的相互通訊，以及現場AR設備與后臺終端之間的通訊，可實時獲取一線人員的地理信息，了解對方的位置。頭戴式AR 設備還具有錄像功能，可錄制整個質量監督過程的屏幕及聲音。根據網絡和帶寬狀況，頭戴式AR 設備可選擇支持CIF、VGA、720P和1080P 視頻清晰度。在現場網絡差或者無網絡的情況下，能夠實現離線自動存儲，在線斷點續傳功能，以保證所有數據的完整性。

另外，后臺終端采用PC 設備或移動終端設備。后臺終端還支持有限網絡、WiFi 無限網絡和5G 熱點無線網絡。一個或多個后臺終端能夠與現場一個或多個AR 設備構造為局部通訊鏈路。AR 設備支持1（1 個AR 設備）對1（1 個后臺終端）或最多1（1 個AR 設備）對N（N 個后臺終端）的多人多視角實時連線。也就是說，質量監督系統能夠通過形成臨時性的局部通訊鏈路來組建臨時群組，進行專項任務。后臺終端為PC 端時，能夠顯示全部視頻；后臺終端為移動端時，使用分頁顯示方式，每頁最多4人（包括AR 設備和其他后臺終端），且可以隨時切換顯示另外4 人。

具有最高權限人員身份的后臺終端可以暫停現場人員視頻畫面來進行圖像標識。圖像標識時，位于同一局部通訊鏈路中的所有與會者可以實時觀看，同時可以進行語音交流。標識完成后，最終圖片會發送給群內所有與會人員。這些圖片保存在所有參與者的本地存儲器，參與者會后可以通過消息記錄查看這些圖片。還可實現對當前顯示的視頻抓屏并做標記。

在所形成的局部通訊鏈路網絡中，后臺終端能夠向現場一個或多個AR 設備發送圖形化指令、和/ 或圖片、和/或文檔、和/ 或流程圖和和/ 或文字。具體地，在視頻過程中，后端指揮人員可以利用AR 實時智能標注的方式，通過后臺終端向前端人員（AR 設備）發送圖形化指令，提高指令傳達效率；可以選擇發送給群的所有人作為本地存檔，參與者也可以隨時調取本地存儲的這些圖片進行查看；也可發送文檔或流程圖給所有參與者，參與者可以隨時打開文檔進行學習或講解；還可發送文字消息給所有參與者。

4 前景分析及效益

4.1 技術路線

AR 遠程交互設備為可穿戴式設備，全部操作依靠語音完成，具備高效的雙向音視頻傳輸、文件傳輸能力和外部專家幫助通道。在保證一線監督人員安全及工作效率的前提下，使得指揮中心能夠方便地將資料、指令等信息即時傳送給現場人員，滿足現場監督的需要，進一步提升工程質量監督總站形象及科技水平，具有較好的推廣前景。

4.2 經濟效益

通過AR 遠程交互系統，監督工程師（專家）無需到現場，可通過遠程視頻同時監督2～3 個點位，效率提升至少一倍。目前，勝利站配置了2 套AR 設備，以每個監督工程師（專家）的人工成本1 萬元/ 月計，監督遠程探查支持設備的增值效益測算為24 萬元/ a。

5 結語

AR 遠程交互系統系統建設可以加強勝利站對現場監督的管控，提高運行標準化管理水平，引導、教育、督促一線人員的科學化、標準化、規范化操作。該系統的建成使用可顯著降低勝利站對一線監督人員的技術能力依賴，節省大量的人工成本。同時，AR 遠程交互系統系統可以滿足勝利站大數據采集的需要，為日后的取證、分析、研判提供第一手資料。提高運行標準化管理水平，引導、教育、督促一線人員的科學化、標準化、規范化操作。