增强现实作为一种新的人机交互技术，可更直观展现现实场景中的物理对象和数据信息，因此越来越多的领域引入了增强现实技术来解决数据可视化问题。核电厂运维场景中存在大量重要数据，可通过增强现实交互使这些数据打破系统地理位置限制，展现给运维人员。本文将系统介绍增强现实技术的发展现状，同时分析增强现实技术与核电厂运维场景结合的优势。通过举例增强现实技术与核电厂运维结合的应用场景，拓宽增强现实技术与核电厂运维结合的思路。
0 引言
增强现实(Augmented Reality，缩写 AR)是在虚拟现实的基础上发展起来的一种将虚拟和现实“无缝”集成的新技术。AR 结合了计算机图形图像技术、空间定位技术、可视化技术以及交互技术，可在展现真实物理环境信息的同时，将现实世界难以呈现的辅助虚拟数据信息通过增强现实设备叠加显示在真实物理环境中，真实和虚拟两种信息可通过增强现实技术相互补充、叠加。AR 技术随着移动智能设备的发展和普及，从 20 世纪 60 年代 [1] 开始经过长期技术积累，目前已可用于商业领域和工业领域。
从 2015 年，中国国务院正式印发《中国制造 2025》以来，“中国制造 2025”和“工业 4.0”的发展理念在各个工业领域得到广泛应用，这对最先进的核电三代堆型的发展提出了更高的要求 ：其技术发展应具有时代特征，充分吸纳最先进的理念和技术，提高先进性，形成强劲国际竞争力。AR 作为近年来最先进的科学技术之一，与核电运维相结合，可提升运维人员对可达空间的认知能力，辅助就地运维人员在就地现场进行工作，提升核电厂安全性和经济性。
本文将介绍 AR 的相关概念和一些关键技术，并列举出其可运用于核电厂运维场景中的应用。
1 AR相关概念和技术
1.1 AR的定义
目前被广泛接受的 AR 定义 [2] 如下 ：满足虚拟和现实、实时交互及空间注册 3 个条件即属于 AR。
实现 AR 技术需要基于特定的硬件组件，目前市场上的 AR 硬件种类很多，其中较为成熟的 AR 硬件可分为以下三大类 ：
1)头戴式设备，例如 ：微软的 HoloLens、谷歌的Google Glasses 和 Facebook 的 Oculus Rift 等。
2)手持式设备，例如 ：手机和平板电脑等。
3)空间显示设备，例如 ：通过定点全息显示等方式将虚拟影像投影在现实场景中。
考虑到在核电厂运维中引入 AR 技术，主要看中其便携性与可移动性，故本文的讨论范围在满足 AR 定义的基础上，需附加满足可穿戴性这一要求，上文中提出的空间显示 AR 硬件设备由于不具备可穿戴性，故不在本文的讨论范围中。
1.2 AR的关键技术及发展现状
目前 AR 系统的基本实现过程分为四步 [3] ： 1)场景信息获取 ：对需要进行增强现实的场景进行扫描，识别场景中的重要物项。为跟踪注册技术的实施提供所需场景信息。
2)对场景信息跟踪注册 ：定位场景中的重要物项，确保虚拟物项定位在准确位置，在用户移动过程中始终保持虚拟物项的定位准确。
3)场景融合绘制 ：将真实物理场景与虚拟物项进行融合，确保虚拟物项稳定显示无遮挡。
4)增强信息显示 ：将虚拟物项在增强现实硬件设备上进行显示。
根据上述 AR 技术的实现过程可以看出 AR 的关键技术分为识别技术和跟踪注册技术。
1.2.1 识别技术
识别技术是真实环境与虚拟环境交互的重要环节，通过识别，增强现实技术可在数据库中提取相应的虚拟信息进行叠加，而不是将所有信息混乱地进行叠加。
目前成熟的识别方法有 ：外观识别、射频识别和条码识别。3 种方法各有优劣，具体比较详见表 1。
1.1.1 跟踪注册技术
跟踪注册技术确保了虚拟场景与真实场景保持精确的“对齐”关系，实现虚拟与真实场景的完美结合。跟踪注册技术分为注册、跟踪两部分：
注册：将虚拟场景显示在现实世界准确位置的定位过程。跟踪 ：在注册过程中需要系统从当前场景中获得真实空间的实时数据，包括用户位置、用户运动情况、观察角度等来决定如何按照用户的当前视角重新建立坐标并将虚拟物体显示到正确位置。
目前发展较为成熟的跟踪注册技术有 4 种实现方法 ：基于传感器的跟踪注册方法、基于标识的跟踪注册方法、基于自然特征的跟踪注册方法及基于混合的跟踪注册方法 [4]。
4 种方法各有优劣，具体比较详见表 2。
2 AR与核电运维的结合
2.1 AR与核电运维结合的意义
在核电运维场景中，就地巡检和就地维修是两项非常重要的环节，就地操纵员需对各种设备进行定期和不定期的巡检，若发现设备故障需及时进行维修。
最初，核电厂就地操纵员采用的巡检方式是携带列有巡检任务的纸质工作单进行巡检，并在工作单上记录巡检结果，在巡检完成后携带工作单返回，并在工作电脑上进行入库。在此过程中，因为没有信息终端设备的参与，无法将巡检信息的采集自动化存入数据库。目前，虽核电厂已引入巡检仪等信息终端，使得运维人员在巡检和维修过程中可快速读取及记录数据，但由于巡检仪显示空间有限， 无法呈现大量设备动态信息。同时，在设备维修过程中， 由于无法同时观察到所需动态信息，往往需要确认多个表计的读数。上述过程不仅耗时耗力，同时还容易增加人因失误，如 ：人员误入危险区域、误入冗余通道的房间及误维修冗余通道的设备、记录错数据、未及时记录数据等。
单就核电运维场景中巡检和检修这两项日常工作即可看出，核电运维场景急需移动式的数据可视化系统来提升核电厂运维的安全性及效率。AR 可以完美实现移动式数据可视化系统，故有必要将增强现实技术与电厂运维紧密结合。
由于本文讨论重点围绕于 AR 的便携性给核电厂运维带来的便捷，故本文中的核电厂运维指核电厂就地环境中的运维，涉及的用户为核电厂就地操纵员。
2.2 AR与核电运维结合的优势
AR 与核电运维结合可打破核电厂运维的很多固有状态，为核电厂运维增加更多可能性，AR 与核电厂运维结合最主要的三点优势如下 ：
集成系统，提升决策水平 ：AR 作为一项可移动的数据可视化及互动的技术，不仅可以单独开发来满足核电厂的移动数据呈现或远程互动的需求，同时也可以作为各成熟系统的辅助技术，形成“增强现实 +”，即增强现实 + 成熟系统，使得各成熟系统不再局限在个人电脑端，打破传统系统运用的空间限制。同时，各成熟系统也可通过 AR 整合在同一物理空间中呈现给就地操纵员，可达到就地操纵员可在任何地点随时调取所需数据的程度。
解放双手，提高人员效能 ：由于 AR 硬件设备的发展，现已有成熟的可运用于工业场景的 AR 眼镜、AR 头盔等设备。这些设备使得就地操纵员可以在工作中无需手持设备，而是全身心投入到工作中，提高工作效率。
远程协作，摆脱空间束缚 ：AR 的互动性这一特点使得远程协作成为一种可能，有经验的就地操纵员可以在无法到达维修现场的情况下，通过实时音视频以第一视角观察现场情况，并通过标记及发送文件等方式远程指导在现场的就地操纵员进行设备维修。
3 AR与核电运维结合的应用场景及技术点总结
3.1 AR与核电运维结合的应用场景
AR 与核电运维结合的应用场景非常丰富，以下为其中较为典型的 4 个应用场景。
1)远程支持
在核电厂大修期间、事故工况下、遇到较为棘手的设备维修问题或需多人进入危险区域的情况下时，均可通过就地人员佩戴的 AR 设备远程连接专家或厂家维修人员等专业人员辅助就地人员进行设备维修。专家可在不到达现场的情况下，通过就地人员的第一视角身临其境地了解现场真实状况，并且同时可看到 AR 技术叠加在设备旁的设备参数等信息，在线提出维修建议，支持就地人员进行设备的检修。这一应用可打破空间限制，提高就地人员的检修效率。
2)远程监督
对重要维修、验收活动，要求现场责任人佩戴 AR 显示终端全程进行第一视角记录，可支持监督管理人员远程查看，以及数据存档，达到规范活动实施，提升可追溯性，加强经验反馈和知识管理的目标。
3)现场助手
就地操纵员在进行维修、巡检等任务时，可通过 AR 显示终端识别现场设备，调用设备基本信息(如编号、型号、厂商等)、操作记录(如维修更换记录)、实时状态、诊断信息，并与物理世界进行叠加呈现，辅助支持现场作业。同时，亦可在 AR 显示终端增设温度、剂量传感器， 实现环境信息的实时采集及信息的实时可视化，提醒就地人员所处环境的情况，或在需要时提供就地操纵员最优路线并指示就地操纵员按照所给路线行进。该应用可实现全厂数据共享，全范围动静态信息呈现，提升就地人员对环境的认知及决策水平。
4)工作票助手
就地人员进行维修、巡检等任务时，可通过 AR 显示终端随时查看或逐条完成并确认工作票中的要求，完成工作票要求，就地人员的执行记录可与电厂工作票系统在线/ 离线同步。在就地人员执行工作票的过程中，AR 显示终端可提供辅助信息(设备动态参数、图册等)查询、远程音视频协作、音视频资料记录等功能。该应用可把就地人员需完成的工单与完成工单所需查看的信息融合在同一 AR 显示终端显示，实现数据同步。同时，该应用也可通过就地人员的 AR 显示终端记录完成工单过程中的重要步骤并进行存档，便于日后对工单完成过程进行查看。
3.2 AR与核电运维结合的应用技术点
结合上述 AR 与核电运维结合的应用特点，可将其应用技术点归纳为以下 4 点 ：
1)交互控制 ：包括手势控制、语音控制等先进交互方式，用以解放双手。
2)交互数据 ：包括电厂参数、维修文件等所有核电厂运维所需的动静态数据。
3)远程交互 ：包括实时音视频、互动白板等技术。
4)定位与识别 ：包括设备识别、空间定位、空间注册等技术。
4 结束语
AR 应用随着 AR 硬件的快速发展，在近年来取得了非常大的成果，涉及领域也越来越广泛。同理“互联网 +” 模式，在 5G 网络驱动下，未来“增强现实 +”模式结合物联网形成的数字孪生核电厂必将成为未来“智慧核电厂”发展基石，将各类电厂数据均可通过增强现实技术呈现给核电厂工作人员。后续结合大数据技术，核电厂工作人员对于核电厂整体状态的认知将高度提升。
但由于核电厂环境的特殊性、系统的复杂性及对安全性的高要求等原因，导致国内外尚未有成熟的 AR 应用用于核电厂运维。目前，AR 应用投运于核电厂运维还需克服以下局限：
1) 核电厂特殊环境中 AR 技术的应用。如 ：在核电厂网络信号屏蔽严重的情况下，如何做到 AR 显示终端对
于设备的识别与精确定位、核电厂复杂的数据来源如何集成到 AR 应用中。
2) 缺少针对核电行业 AR 技术应用的标准与规范。
除了上述局限，还需考虑需叠加的虚拟信息的筛选、虚拟信息的叠加密度、叠加位置及叠加方式，使得 AR 技术不仅用于简单的数据展示，同时可大幅提高就地运维人员的效率，减少人因失误等问题。
AR 技术在核电厂运维中的发展虽还处于初步发展阶段，但随着数字电厂及软硬件技术的发展，将 AR 技术应用于核电厂运维指日可待。
（作者：马玥竹，桑 玮）
