基于智能可穿戴设备的远程协助及安规培训系统研究_张斌.pdf

基于智能可穿戴设备的远程协助及安规培训系统研究张斌，陈莉，尹习伟，唐琳，滕飞，高文龙，崔硕，孙国磊（国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 ）摘要：施工作业过程中，现场人员无法直接了解设备内部信息和现场图纸信息，需返回办公室查询，作业质量和效果也无法及时检查确认，增加了施工安全风险。电网企业为了达到安全生产的目的，需要将严格的安全生产制度应用到正常的生产中，因此安规知识培训至关重要。提出了一种基于智能可穿戴设备的工程远程协助及安规培训系统，通过智能装备搭载智能化安规知识库，实现工程现场的远程协助和现场人员的安规培训，保障了施工作业过程中人员和设备的安全，显著提高了电网施工作业效率与质量，提升了应对复杂作业和突发事件的响应速度与处置能力。关键词：施工作业；智能可穿戴；工程远程协助中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：张斌（），高级工程师，从事特高压、超高压工程电网建设管理工作。引言加强电网基建工程管理，是提高设备管理水平、保证安全生产的重要措施。变电站施工过程中，施工人员无法直接了解现场施工方案、电缆敷设路径等，故常常需要联系设备厂家技术人员、电力咨询院设计人员，在进一步沟通确认后进行施工。如此多方沟通与确认，会降低施工效率，拖延工程进度。设备安装到位接线后的调试工作，现场操作人员无法独自完成，需要设备厂家、后台厂家配合，作业质量和效果无法及时检查与确认，可能存在设备和人身安全隐患，沟通和决策效率也有待提高。变电站现场人员学习电网安规知识主要通过纸质书架“死记硬背”，对知识的整理、查找仍采取传统的知识管理方式。针对上述问题，本文提出了基于智能可穿戴设备的远程协助和安规培训系统，利用移动互联网和增强现实技术，使管理人员和专家能够随时随地获取现场施工人员的第一视角实时图像，进行远程音视频沟通，“现场问题汇报专家分析决策作业指令下达执行效果确认”，全过程闭环管理在第一时间完成，从而显著提高电网施工作业效率与质量，提升应对复杂作业和突发事件的响应速度与处置能力。依托智能终端，建立通用电力安规知识库，通过智能设备在现场实现语音查询，提高现场人员电力安规学习效率。系统总体设计基于智能可穿戴设备的远程协助和安规培训系统具有环境监测、现场音视频数据采集处理、局域网无线通信、人工智能与传感技术电工技术站内数据汇集和广域网无线通信等功能。系统架构包括智能感知层、无线网络传输层和应用层，如图所示。图系统框架感知层采集现场环境温湿度和现场音视频数据，并通过站内局域无线网络上传。无线网络传输层负责将局域无线网络上传数据，通过广域无线网转发至系统后台服务器。应用层处理网络层接收的数据，进行现场远程协助和安规知识库查找，并将结果提供给使用人员手机 。系统设计的总体目标是实现施工人员操作场景的视频采集、上传以及现场和远方专家的实时对话，从而指导施工人员执行标准和规范化的工作流程；建立通用电力安规制度知识库，减少施工过程的违章操作；通过增强现实技术，将辅助信息实时传送至现场操作人员智能终端显示，提高作业效率，避免误操作，可应用于多类施工场景。系统硬件设计站内采集装置包括环境监测装置及局域无线通信装置、智能可穿戴设备和站内汇集通信装置。环境监测装置及局域无线通信装置环境监测装置具备温度和湿度传感器，采集的温湿度数据结合安规知识库，给现场施工人员以施工提示，从而减少高温或高湿情况下的户外施工作业。局域无线通信装置通过 接口与环境监测装置通信，通过局域无线 通信与站内汇集控制单元通信。环境监测装置架构如图所示，环境监测装置和局域无线通信装置电路板如图所示。智能可穿戴设备智能可穿戴设备为智能眼镜，具备液晶显示、音视频通话、可见光摄像和投影显示、音视频通话、二维码、图图环境监测装置架构图 环境监测装置及局域无线通信模块像识别、局域和广域无线通信功能。视频监控技术通过智能眼镜建立视频监控通道，第一视角同步图像、共享资料，实现专家远程监护及指导。智能可穿戴设备实物图如图所示。图智能可穿戴设备 站内汇集通信装置站内汇集通信装置采用 基站，汇总站内采集的数据，并将数据通过 转 装置传输至系统后台。站内汇集通信装置采用增强的射频发射技术，全速率下射频输出功率均可达到 ，配合外置的高增益全向天线，极大提高了无线传输距离和吞吐量，适合变电站音视频采集数据的接入。站内汇集通信装置遵循 协议标准，最大支持 的速率；采用防水防尘防紫外线设计，选配外置全向 高增益天线，铸铝壳，良好的散热设计支持 的宽温应用环境，适合全天侯应用；支持 供电以及方便快捷的抱杆安装设计，使安装维护的复杂度降到最低。变电站内安装的汇集通信装置如图所示。电工技术人工智能与传感技术 图 站内汇集通信装置软件设计软件设计涉及嵌入式软件、电力安规知识数据库和系统后台软件。嵌入式软件环境监测及局域无线通信装置采用嵌入式集成系统开发环境 开发，数据传输通信主程序采用语言设计。程序流程如图所示，系统通电后进行初始化，然后 通过串口向局域无线通信模块发送通信指令进行局域联网通信，连接成功并在接收到系统后台的采集指令后，环境监测控制终端开始采集温湿度数据。程序对局域无线通信模块串口接收到的数据进行校验，并将采集到的温湿度数据转发至系统后台。图 嵌入式软件流程 电力安规知识数据库通过从电力安规提取主要关键字或者自定义关键字的方式来实现违章统计关键字库的建立与自定义，然后根据这些事先定义到库里的或者通过自定义的方式添加到库里的关键字进行灵活统计与分析。对电力安全工作过程中的违章操作进行梳理，并形成可检索的通用知识库，电力安规知识数据库形式见表。现场施工人员可随时通过关键字或者语音进行知识查找。表知识数据库知识数据关键字提取查询关键字施工现场敷设的力能管线不得 随 意 切 割 或 移 动，如需切割或移动，应事先办理审批手续力能管线、切割、移动不得、如需施工现场应按规定配置和使用 施 工 安 全 设 施，设置的各种安全设施不得擅自拆、挪或移作他用安全设施配置、不得擅自电源箱应装设在房外，箱内应装配有电源开关、剩余电流动作保护装置（漏电保护器）、熔断器，进房线孔应加防磨线措施电源箱、漏电保护装配、应加自制的汽车吊高处作 业 平 台，应 经 计 算、验 证，并制定操作规程，经施工单位分管 领 导 批 准 后 方 可使用，使用过程中应定 期 检 查、维 护 与 保 养，并 做好记录汽车吊、高处作业自制、操作规程、批准起重机械使用前应经检验检测机构监督检验合格并在有效期内起重、检测、有效期检验、有效期、合格 安规文本查找电力安规文本是以信息词语和具体操作为识别对象进行查找的，为更细致的非结构化数据，并且包含具体的数值（比如安全距离和电压等级）。针对电力安规的文本特征，采用结合上下文语境的关联分析（关联分析是指发现大量样本集中状态量之间的相关性）进行文本识别。电力安规多个文本构成集合，称之为项集。每个安规范畴属于个事务，多事务构成的集合可表示为，集合包含集合。定义规则为条件属于条件，且在安规范畴集中成立，具有支持度和置信度，其中为包含和的事务集在事务集中所占的比例，为事务集中包含的事务中也包含的比例。通过关联分析查找，快速提供相应安规知识词条。基于知识数据库，现场人员可根据关键字语音搜索查找相应的知识数据，提高安规学习效率。系统后台系统后台和现场设备基于 协议通信，系统后台采用 语言开发。系统后台软件主要由软件参数设置模块、现场音视频处理模块、电力安规数据查找模块等部分组成。系统后台详细模块功能如图所示。系统后台软件界面如图所示。专家可在后方画面查看现场工程进展，由专业技术人员指挥现场施工，并可保存施工录像。图系统后台功能（下转第 页）人工智能与传感技术电工技术渲染虚拟物体的叠加效果，使之更真实，没有违和感。（）用户层。用户层是登录界面的展示部分，其主要功能是执行各类用户在系统中的身份指定、注册、登录的操作，包括移动用户和静态用户，是对参与者使用设备以及身份识别的认证。成功注册的用户可使用设备进行辅助试验，认证取得身份后可通过设备访问应用层的具体内容。（）应用层。应用层是整个系统的核心，是所有功能的展示部分。应用层也称为应用实体，是数据层、技术层以及用户层的最终指向，由若干个特定应用服务元素和一个或多个公用应用服务元素组成。每个服务元素都会提供特定的应用服务，例如指引试验人员的导航、设备数据的处理并显示、安全提醒等。应用层通过 眼镜将系统设计中的试验流程准确地展示给用户，指导其正确地完成系统要求的试验流程。依据电气试验智能交互系统构架，开发了一套基于技术的电气试验智能交互系统。操作者穿戴好眼镜后，在试验场地对该系统进行了测试。测试结果表明，设备展示、导航和安全提示功能可以无视试验设备的周边环境实现智能交互，试验引导和外部协助功能会受到试验设备周边环境影响，在清除影响因素（如杂物、可移动设备的摆放位置）后可以实现智能交互。结语本文将电气试验设备操作与技术结合，基于眼镜开发了一个电气试验智能交互系统。该系统由数据层、支撑层、用户层、应用层组成，构建了试验操作流程及安全要求的可视化场景，实现数据、行为（手势、语音）触发，位置信息交互和姿态感知，试验监督指导和行为评价功能，提高了试验的效率和安全性。该系统实现了基于 扫描建模的试验设备图像识别与姿态跟踪，实现了无需借助 定位的室内自由导航，对试验过程中的虚实结合技术进行了有益尝试。参考文献 谢国军 混合现实中实时虚实交互技术研究与实现 西安：西安电子科技大学，戚纯 基于混合现实技术的数字博物馆应用研究 天津：天津大学，徐俊增强现实技术在公共图书馆中的应用前景与风险分析 大学图书情报学刊，（）：，张馨文 面向博物馆导览的混合现实系统可用性研究 无锡：江南大学，苏霞基于混合现实的工业设备维修系统成都：电子科技大学，胡海林，汪涛虚拟仿真实验助力电气工程与自动化专业本科教学 中 国 多 媒 体 与 网 络 教 学 学 报（上 旬 刊），（）：洪宝棣，宗哲英 电力系统虚拟仿真实验平台 的建设与应用教育教学论坛，（）：李新春浅谈 眼镜在远程协助中的应用中国设备工程，（）：高鑫磊基于视觉定位的混合现实框架西安：西安电子科技大学，（上接第 页）图系统后台软件界面 结语本文提出了一种基于智能可穿戴设备的远程协助和安规培训系统，管理人员平台指示录入各项作业现场安全知识数据，现场施工人员根据关键字检索，方便系统快速执行知识查找，确保现场工作的便捷快速，从而为电力安全生产提供装备支持，提升电力安全管控水平。参考文献 徐淑文，李志刚，韩旭输变电设备状态检修辅助决策系统研究山东电力技术，（）：冯佳玲，谢峰 输变电设备优化检修和状态检修辅助决策系统山东电力技术，（）：侯颖，许威威增强现实技术综述计算机测量与控制，（）：王伟，邱萍，包震斌基于物联网的电力巡检维护高效管理 上海电力学院学报，（）：夏侯士戟，陈东义，黄志奇 基于可穿戴计算的现场作业辅助模式 计算机集成制造系统，（）：郭雨松，于振，赵炜妹基于可穿戴技术的电力作业安全监护平台研究电力信息与通信技术，（）：曲凯 电力作业现场安全管控平台的设计与实现 成都：电子科技大学，郭宇，李英娜，刘爱莲，等 基于深度学习的电力安全作业实体识别方法电视技术，（）：李涛，韩燕飞，牛硕丰，等 基于关联分析的变电站附属设备差异化运维电工技术，（）：电工技术人工智能与传感技术