基于AR技术的变电站智能巡检系统设计与实现

李大勇 杨畅 张永伍 陆小荣

摘要：

针对变电站设备巡检环境复杂、作业人员经验不足、现场缺陷处理效率低下等问题，提出一种基于AR技术[1]、移动互联网技术和专家知识库构建的智能变电站智能巡检远程协助系统。以AR眼镜作为现场信息采集端，通过告诉移动互联网络进行双向数据传输，结合专家知识库和设备运行信息库[2]，实现专家远程协助[3]现场分析定位问题并实现操作步骤远程监督，从而能有效提升巡检作业的效率。

关键词：

AR技术; 智能巡检; 远程协助; 专家知识库

中图分类号： TG409

文献标志码： 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

電力是国民经济的基础产业，电力设备是电力生产经营的生命线。而变电站设备的可靠运行，直接影响到输变电生产安全和社会稳定。因此保证变电站的设备处于健康状态[4]非常重要。变电站设备巡检是指变电站通过对其所管辖范围内的变电设备进行的定期巡视、检查以保证变电设备正常运行的一项日常工作。

变电站巡检工作是变电运行管理工作的一个重要组成部分，是检查设备运行状况、掌握设备运行规律、确保设备安全运行必不可少的基础工作。通过提高设备巡检质量，可改善变电站运行管理水平，确保变电站设备安全高效运行。

目前变电站内设备涉及电压等级多、设备种类型号多、新旧程度不一，因此如何提高变电站设备的巡检质量是保证设备安全运行，提高电网可靠性的关键，近几年在变电站巡检方面主要存在以下问题：

（1） 部分运维人员业务素质不高、巡检专业知识匮乏。长期重复性巡检工作，易造成对巡检工作的厌倦和麻痹大意，巡检不认真、不到位、不全面，存在走马观花的问题。

（2） 部分变电站长期运行已逾20年，设备老龄化问题严重，存在着诸多长期存在且难以解决的安全隐患，无疑增加了变电站设备巡检工作的难度，导致巡检效率较低、巡检质量不高、深层次的缺陷问题难以发现。

（3） 随着特高压交直流混联电网的建设、大规模新能源系统的接入，电网特性日趋复杂，电力设备的种类和型号呈现多样化和复杂化[5]，且由于不同时期设备新旧程度不一，导致引发缺陷的因素越来越多，部分缺陷可发展存在较长时间，若运维人员对设备缺陷掌握不清，将造成巡检时设备上的缺陷（尤其是可发展的缺陷，比如设备渗漏、发热等），不能得到足够的重视和控制，将进一步发展。

（4） 未建立长期有效的专业知识及典型经验分享、交流、学习机制。未将一些经验丰富的专家对现场问题分析和处理经验形成可供班组运维人员学习的知识库，导致知识传播范围有限。同时由于受限于网络通信技术及终端装备技术的限制，专家也无法为现场作业人员提供技术支撑。

针对变电站巡检中的以上问题，本文特别提出了综合AR技术、移动互联网技术，结合设备运行信息、典型问题处置方法等经验构成了一套智能巡检远程协助系统。该系统可解决知识共享、缺陷分析与定位、缺陷处理与监督[6]，从而可以充分利用专家积累的丰富经验，为现场作业提供强有力的指导。使用本文提供的远程协助系统，可以大大减少巡检的人力和花费的时间，从而为电力运维部门节省大量的人力成本并提升运营效率。

2巡检远程协助系统的构成

本文所介绍的基于AR技术的智能巡检远程协助系统的框架，如图1所示。

系统主要由站内作业端、服务端和专家协作端三端及通信网络构成，其中站内协作端主要是AR眼镜，服务端包括巡检作业管理系统、设备运行信息库、专家知识库及设备运行信息库和远程协助服务器，专家协作端主要包括专家终端，各个组成部分的主要功能介绍如下。

2.1远程协助服务器

远程协助服务器是远程协助系统的中枢节点，它完成接入位于变电站现场的AR眼镜和专家终端（包括PC机和移动终端），并连接巡检作业管理库、设备运行信息库、专家知识库，专家可通过查看当前作业信息、当前问题设备信息及历史记录、搜索专家知识库完成分析分析和形成处理建议。远程协助服务器作为各个相连节点的信息中转中心，完成数据格式的转换、数据的转发[7]，还可实时监视个链接节点的工况信息。

1） 巡检作业管理系统

巡检作业管理系统提供巡检计划规划、巡检作业新建及巡检作业流程处理、巡检作业统计查询等功能。在巡检作业管理后端创建好作业任务，经过必要的审批流程后，由AR眼镜下载待完成的任务，作业人员在现场利用AR眼镜进行作业，确认作业项目是否合格，并记录现场问题，作业完成后将作业记录提交到后台。

2） 专家知识系库

专家知识库是电网基础知识、操作规范、巡检相关知识、常见问题描述、问题定位与分析案例、典型问题处理步骤等方面的文字、图片、语音、视频等多媒体信息的集合。在这些基础信息的基础上，专家知识库还提供推理功能，由算法或决策策略来进行与知识库内各项专门知识的推论，依据使用者的问题来推得正确的答案。专家知识库提供人机接口，接口的主要功能是提供相关数据的输入与输出，可以由知识管理工程师或领域专家向库中增加新的知识项，完成知识库的完善;而使用者则利用接口达到根据输入信息获取输入问题的参考解决方案。

3） 设备运行信息库

设备运行信息库是保存设备当前运行状态、历史巡检记录及缺陷记录信息的系统，从这里可以获取设备的实时数据和历史运行轨迹信息，从而为现场问题分析及处理方法提供依据。

2.2AR眼镜

AR（Augmented Reality）是利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，他是一种全新的人机交互技术，利用这样一种技术，可以实现现场厂家与虚拟场景的叠加，形成一个全新的虚拟世界[8]。AR的优越性体现在实现虚拟实物和真实环境的结合，让真实世界和虚拟物体共存，同时它实现了虚拟世界和真实世界的实时同步，满足用户在现实世界中真实地感受虚拟空间中模拟的事物，增强了使用的互动性。

一个完整的AR系统包括计算机系统、视频输入转换系统、人机交互系统、动作捕获跟踪系统、视频显示系统、语音识别、图像处理、网络连接[9]。AR眼镜是一个高度集成的一体化AR设备，处理具备AR的基本功能外，还需要在輕便、易操作等各方面进行优化提升。AR系统的工作原理如图2所示。

本系统中采用的AR眼镜采用主流处理器，配个4G内存，64G存储器，提供OLED双目1024x768高透光眼镜、1300万像素光学防抖摄像头，采用安卓操作系统，支持标准的android APP运行，提供支持语音识别、手势控制及控制按钮等输入方式，网络连接方式支持wifi、蓝牙及4G移动网络连接，配备1200mAH锂电池，支持长达8小时的续航能力。

在本系统中，AR眼镜是现场作业平台，既可以在现场执行巡检作业的操作，也可根据需要进入远程协助交互模式，向专家发送信息或接收专家发送过来的指导信息。

2.3专家终端

专家终端是专家用来进行远程协助操作的PC及或移动终端，专家可以在终端上完成对现场作业的远程指导，包括接收AR眼镜传回的文字、图片、语音视频信息进行问题定位分析，并将处理建议信息发送到AR眼镜。在PC端，专家是通过网页访问服务器进行操作的，在移动终端上，是通过APP程序进行操作的。

2.4通信网络

远程协助系统[10]能够正常工作的基础是AR眼镜、专家终端及远程协助服务器能形成一个互联互通的网络系统。远程协助服务器位于局端的电网安全内网;AR眼镜在变电站内通过移动4G网络接入安全内网，在办公区域，也可通过Wifi接入安全内网;移动终端式的专家终端通过Wifi或4G网络接入安全内网;PC机式的专家终端一遍与远程协助服务器位于同一个网络内。基于移动4G接入的通信网络的组网如图3所示。

在图3中，从广域网到电力安全内网[11]（或电力数据网）之间需要通过安全接入平台，安全接入平台对每台接入的外网设备进行认证，只有通过认证的设备的数据才能进入安全内网，这样就可以保证电力数据网不会被恶意接入的设备攻击。对于巡检作业远程协助系统，组件一个独立的局域网，该局域网通过防火墙与安全内网相连，这样可以保证应用网络的相对独立性，以充分保证网络的安全性。

3变电站智能巡检远程协助系统工作流程

基于本文所设计的智能巡检远程协助系统，完成一个巡检任务的流程如图4所示。

1） 在作业管理系统中创建新的巡检作业任务，填写任务名称、任务完成时间、任务责任人等基本信息，并明确本次巡检的变电站、待巡检的设备及作业流程和作业内容;

2） 任务经过管理人员审批后，指派给责任人执行，任务进入待执行状态;

3） 任务责任人利用AR眼镜接收待执行任务，携带AR眼镜到现场作业，根据本次任务流程进行作业，包括逐条检查作业项是否符合要求，对现场发现的问题进行处理，保存作业结果记录;

4） 在作业过程中，如碰到疑难问题，可进请求远程协助，由专家远程指导进行问题处理，具体步骤见远程协助流程;

5） 所有作业项完成后，提交作业结果，整个任务完成。

3.1远程协助的详细工作流程

1） 作业人员携带AR眼镜到现场作业，当碰到问题需要协助时，可以呼叫专家远程协助，呼叫请求发送到远程协助服务器。

2） 如果有专家在线，专家会看到现场工作人员的请求，可以进入远程协助，一个专家可以同时为多个。

3） 专家进入远程协助后，可以直接查看通过AR眼镜传回的现场实景，从而可以很方便地知晓当前作业的站、设备及现场问题信息。

4） 专家可以通过文字、语音、或视频通话方式与现场人员进行实时交流，了解故障详细信息或者给出故障处理指导意见。专家可以通过设备运行信息库，查询设备的基本信息、设备运行历史数据及设备关联的技术文档等信息，以这些信息加速故障定位及处理方法;专家可以通过专家知识库，通过检索方式检索与现场故障类似的信息，寻找故障处理方法。

5） 专家通过综合现场传回的实时信息及后端知识库和运行库的信息，给出处理方法和操作步骤，以文字、图片、语音、视频的方式发送给AR眼镜。

6） 现场人员，根据专家给出的处理方法和步骤进行处理，现场操作可通过视频实时传回专家终端，此时专家还可远程监视现场人员的操作，如发现作业人员误操作或操作后的结果不符合预期。可立即指示终止现有操作，进行进一步分析并给出更有效的处理办法。

7） 问题处理完，可结束远程协助。

4系统优势及应用效果

本文中的变电站智能巡检远程协助系统，利用先进的AR技术、视频及语音通信技术和图像处理技术[12]，具有以下优势：

1） 解放双手

AR眼镜都可以在求助方需要的时候提供所需远程协助，甚至提供跨界协作、管理和快速的工作流部署，解放双手让求助方更专注工作本身。

2） 直观呈现

AR眼镜将专家终端的信息瞬间转化为可视的图文信息、3D动画、视频等不同形式的可视内容。模拟了专家在现场进行分步指导，无论专家是否在现场，都可以完成复杂问题的维修和故障排除。

3） 知识共享

远程协助服务器可将设备运行信息库、专家知识库、巡检作业管理系统中的信息通过AR眼镜共享给分布在各处的操作人员，同时还可以进行数据的采集和优化、分析等处理。

4） 专业督导

利用AR眼镜可以实现专家般的一对一操作指导，AR眼镜端的操作人员可以根据需要进行选择调节，节省人员和时间成本、培训成本等。

依据前文描述的设计模式，在天津省电力公司某区属公司进行了试点应用部署，服务端（包括巡检作业管理系统、设备运行信息库、专家知识库）部署与内网，同时提供若干台工业化的AR眼镜，构建了一套完整的基于AR技术的智能巡检远程协助系统并投入使用。根据在该系统试用的3个月期间内的变电站巡检任务执行时间、缺陷处理时间及人力资源投入来看，到现场人力需求减少50%，总体人力需求减少20%，缺陷处理时间缩短了30%，因此大幅度降低了人力成本、降低了缺陷处理时间，提升了变电站设备稳定运行率。

5总结

本文介绍了基于AR技术的变电站智能巡检远程协助系统，说明了系统的组网结构及阐述了远程协助系统在变电站智能巡检中的应用[13]。基于AR技术的远程协助系统，充分利用专家知识库、运行信息库及专家自身丰富的专业经验，为现场作业人员实时提供解决问题的思路和方法，并可监视现场的每一步操作，可减少无操作的可能性。通过远程协助系统大大提升了变电站巡检的工作效率和降低安全事故发生的几率，从而节省了大量的人力成本。

参考文献

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（收稿日期： 2020.02.17）

作者简介：李大勇（1974），男，本科，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护及调度控制技术。

杨畅（1986），女，本科，工程师，研究方向：继电保护整定计算及自动远动技术。

张永伍（1980），男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护及调度控制技术。

陆小荣（1981），男，本科，助理工程师，研究方向：继电保护及其自动化技术。

文章编号：1007757X（2020）08009203