基于增强现实技术的城市轨道交通运营管理研究与分析

李彪 罗东平

摘要 轨道交通设备设施庞杂，设备维护管理工作难度很大，对维修人员的技能要求也较高。增强现实技术辅助维修人员快速掌握维修相关信息，快速适应原本繁杂的工作，降低工伤风险及对维修人员的专业技能要求。文章简述增强现实技术的应用场景，并分析了AR技术在轨道交通设备设施维护方面的优势及不足，并与巡检机器人、手机App、远程监控设备比较分析。

关键词 增强现实技术;设备维护;优势分析;降本增效

中图分类号 F272.92文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）08-0007-03

0 引言

随着轨道交通行业的飞速发展，各运营单位须对其管辖的各专业设备设施进行日常巡查、测试和维修，保障设备设施技术状况的良好和正常运行[1]。但是由于大部分运营单位的设备设施均为分专业维护，每个维护人员仅了解一个专业的相关设备，日常巡查、检修的工作性质单一、工作条件相对恶劣、薪资水平较低，因此运营单位均面临着招聘难、培养难、专业整合难的问题，承担着很高的无效工时的人工成本。

为解决上述问题，实现降低人员成本的目的，各运营单位都在寻求不同的解决办法。从降低维保作业难度、规范作业标准的维度考虑，增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR技术）可以将设备的正常状态、运行参数的正常范围等信息实时、定点投射在AR末端屏幕上，辅助维保工作，减少维保人员培训时间，降低对维保人员的专业要求，是解决问题的较好思路，值得进一步研究。

1 轨道交通维保工作面临的困难

（1）轨道交通设备涉及专业较多，招聘时很难遇到经验丰富且一专多能的维修人才。如何快速培养具备一定基础专业知识和技能的维修人员，令其适应轨道交通行业工作特点，并快速熟悉设备运行特点，成为各运营单位的首要难题[2]。

（2）由于轨道交通网络化发展不是一天建成的，同一个运营单位需要维保不同时代、不同设计理念的多种专业设备，进一步加大了维修人员对设备的认知、理解难度，也增大了人员培养工作的难度。

（3）轨道交通运营单位的维修部门多以专业划分，诸如供电、机电、通号、土建等大专业，由于各专业检修人员知识储备、技能不同，很难实现跨专业巡检[3]。为此每个专业以5～7个车站为单位，采取双人小组形式，每个专业分别组织巡检维修，乘车、步行时间成为无效工时，但各专业差异性很大，又很难将多个专业整合在一起，进行大专业综合巡检，成为降低人工成本的难点[4]。

2 AR技术简介及应用场景

增强现实技术是一种实时计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、信息的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

由于AR技术的颠覆性和革命性，AR技术获得了大量关注。早在20世纪90年代，就有3D游戏上市，但由于当时的AR技术价格较高，其自身延迟较长，设备计算能力有限等缺陷，导致这些AR游戏产品以失败收尾，第一次AR热潮就此消退。随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实技术的用途越来越广。一定程度上改变了消费者、企业与数字世界的互动方式。用户期望更大程度上从2D转移到沉浸感更强的3D，从3D获得新的体验，包括商业、体验店、机器人、虚拟助理、区域规划、监控等，人们从只使用语言功能升级到包含视觉在内的全方位体验。

2.1 AR技术工作原理

AR技术的处理流程是首先通过摄像头和传感器将真实世界的图像信息、用户位置信息、摄像头摄像角度信息数据采集，并传入计算机CPU中，并通过陀螺仪、加速度传感器、Wi-Fi等定位手段确定用户位置及摄像头入射角度信息，计算机对上述信息进行分析和重构，从而得出虚拟场景和真实场景的相对位置，实现坐标系的对齐并进行虚拟场景与现实场景的融合计算，最终通过显示器、投影设备或智能移动设备将合成影像实时传递给用户。用户可通过AR头显或智能移动设备上的交互配件，如语音、眼动作、加速度传感器、摄像头、屏幕等设备采集控制信号，并进行相应的人机交互及信息更新，实现增强现实的交互操作。其中，三维注册是AR技术之核心，即以现实场景中二维或三维物体为标识物，将虚拟信息与现实场景信息进行对位匹配，即虚拟物体的位置、大小、运动路径等与现实环境必须完美匹配，达到虚实相生的地步。

2.2 AR技术的分类

2.2.1 Monitor-based系统

在基于计算机显示器的AR实现方案中，摄像机接收到现实世界图像信号后，通过网络或线路传递到计算机中，与计算机合成的虚拟影像重叠在一起，并通过显示器、投影光线等形式传递给用户。用户从屏幕上可以看到虚拟影像与现实世界图像重叠在一起，因此用户的沉浸感较低，但却是一套最简单实用的AR实现方案。

由于这套方案的硬件要求很低，因此被实验室中的AR系统研究者们大量采用。Monitor-based系统如图1。

2.2.2 Video See-Through系统

头盔式显示器（Head-Mounted Displays-HMD）多以虚拟现实技术形式应用于培训、娱乐等领域，提供沉浸式体验。

增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术，这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。

根据具體实现原理又划分为两大类，分别是基于视频合成技术的穿透式HMD（Video See-Through HMD）和基于光学原理的穿透式HMD（Optical See-Through HMD）。Video See-Through系统如图2。

2.2.3 Optical See-Through系统

在上述的两套系统方案中，输入计算机中的有计算机产生的虚拟影像通道和来自摄像头的真实图像通道。

而在Optical See-Through HMD实现方案中去除了后者，真实场景的图像经过一定的调光处理后，将影像直接投影到人眼，虚拟通道的信息经投影反射后再进入人眼，两者以光学的方法进行合成。Optical See-through系统如图3。

2.3 AR技术的优势

AR技术结合二维码技术、无线传输技术及室内定位技术，将设备的正常状态、设备运行时各项指标正常范围、往日历史数据、常用操作指令、巡检关注点等信息有选择地投射到AR眼镜或头盔上。巡检维修人员可结合AR眼镜或头盔上的信息完成设备检修、维修工作。

2.3.1 可准确判断设备运行状态

由于AR技术可以客观、位置准确地将设备正常的运行信息投射在AR眼镜或头盔上，可快速准确识别、判断设备运行状态，判断设备是否运行正常[5]。

2.3.2 借助AR技术可实时协助维修操作

AR技术可将各个操作规程、注意事项、操作位置、数据留痕等内容实时标注并投影到维修操作者的视野中。彻底解放维修操作者的双手并可以将指定通话的语音信息以文字形式投影到操作者的视野中。

AR技术可在维修人员视野范围内投影必要的标注，以提示维修人员进行相应的操作或警示维修人员不要触碰某些部件，可实现实时分析判断维修人员操作是否存在违章风险及其他可预见风险，并发出警示音或警示符号，降低发生工伤的概率。

2.3.3 实现多专业综合巡检作业

AR技术可通过无线网络连接后台云数据库，加载多个专业的维修信息，可协助初级维护人员完成多个复杂专业的日常巡检、抄录数据、对比分析、简单故障处置等工作。维修信息较为客观准确，巡检工作只需完成基础的专业技能、安全培训即可完成过去若干专业完成的巡检工作。

2.3.4 可降低人员成本

AR技术可将数据、巡检关注点等信息直接投射在AR眼鏡或头盔上，相关数据、巡检关注点等信息还可通过后台数据库或云端的不断迭代更新。过去由于每个人的知识储备量有限，又无法短时间快速掌握多个专业设备巡检要点。在AR技术的协助下，具备基础专业技能的初级维护人员，可完成设备状态巡视、抄录运行数据、目视检查关注内容等工作，可短时间、快速协助初级维护人员完成重复性强且系统庞杂的巡检工作。通过降低工作难度的维度，降低企业用人的技术等级，从而降低人员成本[6]。

2.4 AR技术应用场景

目前AR技术在军事上应用较多，主要用于作战飞机的HUD瞄准具，单兵AR技术也日渐成熟，诸如AR智能眼镜、AR潜水面镜等文娱器材也逐渐融入民众的生活。

目前民用AR技术未来主要服务于安保、维修、生产、医疗等领域，分别实现远程技术支持、远程专家在线沟通、自动识别信息可视化、操作提示信息可视化、语音信息可视化等技术支持功能。通过上述功能，AR技术可作为多职能团队的支持性单兵设备，保障多职能团队在远程专家指导下完成通号、供电、机电、土建等众多专业维护、维修、应急工作。

同时站务或乘务人员可实时与公司决策团队视频通信，辅助公司决策团队实时获取应急响应现场情况，使应急决策更加贴合现场情况。

2.5 AR技术的不足

2.5.1 技术信息录入量巨大

由于地铁系统涉及通号、供电、机电、土建等专业，设备类型千差万别，同时巡检信息量将是非常巨大的。目前此类数据均需录入到后端数据库或云平台上，再以二维码等手段定位，通过AR眼镜等末端设备读取数据。

2.5.2 仅能从视觉角度辅助维护人员完成巡检工作

巡检工作实际上是通过多个感官角度实现的，类似于中医的“望、闻、问、切”。目前AR技术仅能通过视觉提示信息方式协助维护人员应做什么，注意什么，设备应处于什么状态，但AR技术尚不能解决如声音、气味等非视觉的感知，此方面需借助必要的检测仪器或维修经验来完成。

2.5.3 无法自主观察、记录

AR技术目前仅能实时显示预设的信息，无法自主地去完成巡检工作，所以仅能起到辅助维护人员更快、更好、更全面地完成巡检工作。

3 AR技术与其他技术对比

3.1 巡检机器人技术对比

AR技术辅助维保人员可实现多个专业的巡检、维修、测试工作，巡检机器人可以对配电柜、交直流屏等电气箱进行自主巡检但无法处理现场需要主观判断的工作，AR技术可通过远程专家支持，完成各专业的复杂维修工作，弥补巡检机器人的不足。

3.2 手机App技术对比

AR技术可将加载信息定点投射在AR末端屏幕上，与真实世界的景象叠加在一起，可以比手机App提供的信息更准确、翔实。同时解放双手，更专注地完成维修工作，避免频繁切换视角或操作手机导致错误操作甚至人身伤害事故的发生。

3.3 远程监控对比

AR技术不实时监控各类设备运行状态和相关参数，但AR技术可将运行状态、相关参数的历史数据、正常范围等投射在末端设备上，供维护人员参考，辅助维护人员完成检修、测试、维修等工作。远程监控系统仅远程监测、控制多种设备的运行状态、相关参数，但受投资、系统复杂性等条件限制，监控系统无法监控到全部参数及状态。AR技术可以作为远程监控的补充，辅助维修人员完成复杂的维修工作或通过无线网络将维修记录、运行记录提供给维修人员参考，大大降低维修操作成本，此类功能是远程监控无法取代的。

4 结论

AR技术在轨道交通行业的应用可使维修人员更便捷地完成通信、信号、供电、机电等专业的巡检、维护及应急工作，降低维修工作对人员专业技能的依赖程度，同时为多职能团队维护众多专业设备提供技术支持，提高维修人员工时利用率，从而降低运营单位的维护维修相关的人工成本。同时AR技术仍有诸如大量信息录入、动态标识比对分析、提高AR设备三维定位精度等研究难点。基于室内定位技术及视频识别技术有待挖掘，可进一步提高AR技术的适用范围及使用深度。

参考文献

[1]城市轨道交通运营管理规范：GB/T30012—2013[S]. 北京：中国标准出版社， 2013

[2]李益. 城市轨道交通的快速发展与人力资源开发[J]. 城市轨道交通研究， 2008（8）： 13-16.

[3]何宗华. 城市轨道交通运营管理的规范化[J]. 城市轨道交通研究， 2010（10）： 1-3.

[4]张在龙. 北京城市轨道交通运营管理问题分析及对策[J]. 综合运输， 2014（11）： 80-84.

[5]孙鹏， 宋坤， 徐刚等. 基于增强现实技术的变电站巡检管理系统研究与应用[J]. 电气技术， 2019（10）： 66-69.

[6]李永菲、励敏. 城市地铁设备维修成本管理问题探讨[J]. 企业科技与发展， 2018（10）： 177-178.

收稿日期：2022-02-18

作者简介：李彪（1986—），男，本科，工程师，从事城市轨道交通工程运营维护管理、更新改造、新线接收工作。