AR增强现实技术在光伏电站运检中的应用

马孝栋 魏春雷 李宝鹏 刘东武 邢振华

(通辽通发新能源有限责任公司 内蒙古通辽 028001)

随着全球工业化发展，能源危机和大气污染问题日益凸显，传统的燃料不仅大幅度消耗不可再生资源，还会环境造成了巨大的危害，目前全球将近20亿人都无法得到正常的能源供应。随着人们对可再生能源研究的深入，太阳能以其独有的优势成为了人们关注的重点。太阳辐射能具有无污染、廉价、可自由利用、资源无限等优势，市场前景日益广阔。光伏电站是利用特殊材料将太阳光能转化为电能的发电体系，是我国近年来大力度推广的绿色电力开发能源项目。由于光伏电站的发电工作需要受光伏组件的影响，这些组件会随着时间的流逝而性能衰退，最终造成发电效能下降，甚至还可能由于设备故障而导致电站整体运行受损，因此需要定期对光伏电站进行运维检修，确保组间的正常运行[1]。但由于光伏电站本身占地面积广阔，设备数量众多，因此对于维护的要求也非常高，传统的运检模式已经难以满足光伏电站的运检需求。增强现实（AR）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，目前已经逐渐被用于电力行业，为电站设备运检问题的解决提供了新方案，但其主要是用于变电站的运检工作中，而用于光伏电站运检工作中的报道较少，该文将就AR增强现实技术在光伏电站运检工作中的应用进行分析研究。

1 AR增强现实技术简介

增强现实（AR）技术也被称为扩增现实，是用于实现真实世界信息与虚拟世界的信息相互融合、相互利用的一项新型技术，其将原本在现实世界中难以体验到的实体信息进行模拟仿真处理，在利用科学技术将虚拟的信息内容在现实世界加以利用，这个过程时能够被人类的感官所感知到的，因此实现了超越现实的感官体验。另外，AR技术不仅能够真实的体现出现实世界的内容，其还能够将虚拟的信息内容展现出来，这些内容相互补充、相互叠加，在视觉化的AR中，用户可通过显示器来将真实世界和虚拟图像重合在一起[2]。

AR的关键技术主要包括以下几项。

（1）跟踪注册技术。为了实现虚拟信息和现实场景之间无缝叠加，需要将虚拟的信息与现实环境在特定的三维空间位置上完成配准注册，包括使用者的空间定位跟踪以及虚拟物体在现实空间中的定位两个方面。为了实现配准就需要移动设备摄像头和虚拟信息位置相互对应，这就需要利用到跟踪技术来完成。跟踪注册技术首先同对于对需要增强的物体特征、轮廓等进行扫描检测，系统会根据跟踪物体的特征点来自动生成二维或三维的坐标信息，该技术的效果直接决定了AR系统成功与否。

（2）显示技术。AR 技术显示系统也AR 重要的组成部分，为了确保用于能够获得真实与虚拟相结合的系统，获得良好的体验效果，应用色泽丰富的显示器是确保该效果的重要基础。显示器主要包括了头盔显示器、非头盔显示设备等，为用户提供了相关的逆序融合的情境。

（3）虚拟物体生成技术。AR技术应用模板是让虚拟世界的相关内容能够在现实中得到叠加处理，在通过有效算法程序的应用基础上，实现物体动感操作。

（4）交互技术。AR技术将虚拟的事物在现实中呈现出来，而交互技术就是为了帮助这些虚拟的事物更好的在现实中呈现出来做准备，因此其也是AR技术中的关键点。

（5）合并技术。AR技术的目标就是将虚拟信息和输入的现实场景能够无缝地结合在疫情，增强AR使用者的现实体验，因此这就要求AR具有非常强的真实体验，而为了达到这个目标不仅需要考虑到虚拟事物的定位，还需要将虚拟事物和真实事物间的遮挡关系和基本条件考虑进去，避免由于条件缺失而导致AR效果不稳定。

2 AR 增强现实技术在光伏电站运检中的应用意义

AR增强现实技术以电子计算机、智能终端等作为操作平台来完成画面的读取和判断，然后再利用北斗技术、GPS、二维码等技术来对场景进行有效识别和定位，在利用系统内置的算法将运检项目明细、作业指南等传递给运检工作人员。另外，还能够利用大数据分析功能、深度学习系统等功能对运检的初步结果进行计算和分析，对系统无法解决的复杂问题，可通过远程协助的功能，邀请相关高级别的技术人员进行在线协助处理。

3 系统设计及关键技术实现

基于AR技术的光伏电站运检系统的整体框架主要包括两个部分，分别为AR移动端和主服务器端。其中AR移动端的功能主要是识别现场设备、显示运检工作相关流程、记录运检相关操作，并通过无线信息传输功能来完成与主服务器端的实时数据传输。而主服务器端的主要任务则是对AR 移动端传输来的数据信息进行实时识别和处理，然后即将处理后的结果和相关处理流程及时反馈给AR移动端，以便于操作人员的后期操作[3]。AR增强现实技术实现主要包括以下几点。

3.1 数据服务器及其数据接口

数据服务器是AR增强现实技术智能运检系统的智慧中心，其不仅要负责存储这个系统的标准化模型，还需要负责下发运检质量、收集运检过程中的各类数据、对数据进行分析处理等工作。而智能化运检系统核心就在于将整个光伏电站的运检工作标准化，基于标准化模型建立的基础，通过辅助技术来尽可能的消除人为因素对运检活动的感染，进而达到智能运检的目的。该技术的实现方式有以下几个方面。

（1）运检模型的建立。服务器利用相关系统将运检的整个线路、范围、时间、类型以及运检过程中存在的异常情况判断依据等信息进行整合，建立一套标准化的流程模型，再将电站中的光伏组件也建成对应的图像模型。（2）运检数据呈现。利用服务器所设计好的流程以及相关模型，根据时间和计划来部署相关的服务程序，结合光伏电站的运检监控系统。当AR移动端收到运检指令后，可根据规划好的路线图到达待检设备附近，对设备实时数据和运检指令等信息进行采集，然后利用无线通信功能将这些数据发送给服务器，价格场景无缝贴合的展现出来。运检工作人员可根据系统的运检指令完成相关操作，避免发生漏检、漏记等情况，并根据运检监控的实时数据来确定运检设备的工况，最后将各项判断结论和采集到的数据存储到AR移动端，然后再上传至服务器[4]。

光伏电站的数据服务器能够实时接收到AR移动端采集到的各类数据，利用系统配备的深度学习软件来分析和处理采集到的数据。系统通过对大量依从和损坏光伏组件的相关信息进行学习，能够快速地对数据中存在异常和损坏情况的光伏组件特征进行识别。然后数据接口会将识别结果发生到AR 移动端运检端软件中，工作人员可根据这些信息对组间进行处理，并将处理结果展现出来。

3.2 AR移动端及其运检客户端软件

AR 移动端和配套的运检客户端都是智能运检系统额执行端，AR智能终端上运行的运检客户端软件能够将现有的运检信息利用系统自带的转换功能将其转换成标准的可视化运检流程数据，然后再传输到工作人员的AR智能眼睛上，通过增强现实技术，来引导运检工作人员根据系统规划好的标准化流程来完成相关运检工作。

AR 移动端采用Android 系统作为操作系统，可按照基于安卓系统的各项智能软件。AR 移动端的光学硬件通常采用的平面组合器示例的偏振光束组合器或者是弯曲组合器示例的离轴组合器，进而事项将虚拟影像准确投射到镜片上的效果。在通过对透视进行调整，确保人眼产生显示和虚拟影像无缝贴合的效果。在AR 智能光伏电站运检过程中，AR 移动端会接受到服务器信息，将巡检指令、设备信息、实时数据等信息以文字、图像以及视频等方式投射到用户的AR 眼镜上。AR 增强现实技术在用于光伏电站智能运检时的难点在于如何准确地捕捉到现实场景中的待检设备，并在程序中建立该设备的数字化坐标，基于3D显示技术将相关信息依附到这个设备上。目前实现这个难点的技术主要包括两类，具体如下。

（1）Marker-BasedAR 方式。该技术通过在光伏组件上粘贴设计好的二维码等标志物，通过摄像头对该标志物进行识别以及姿态评估，确定该设备的位置，然后以标志物作为中心点，建立模型的坐标系，光伏组件与屏幕坐标系之间建立映射关系，继而完成光伏组件坐标系建立的工作。（2）LBS与Marker-BasedAR方式相结合的方式。该技术将地理位置和光伏组件的提取特征的相互融合，记录或学习这些特征点。当摄像头对周边场景进行扫描时，北斗导航或GPS 系统会自动提取附近位置的场景特征的，并与事先录入的特征的进行对比，如扫描达到的特征点和预先录入的特征点相匹配数量超过了阈值，则系统会判定扫描到了该组件，然后再根据对应特征点坐标建立坐标坐标系。

3.3 数据分析系统

AR 增强现实技术在用于光伏电站运检时采用大数据分析、人工智能等手段来完成数据分析，其能够实时完成数据的检查、过滤、分析和处理。相关技术人员可通过系统的客户端查看到历史和实时运检数据，同时还能够为现场运检的工作人员提供技术指导和实时协助，以便于管理人员能够实时掌握运检工作的情况，实现运检管理工作的透明化、标准化。通过对运检数据进行分析和二次扩展，还能够建立设备完整的检查和维修档案。

4 光伏电站AR技术的功能设计

4.1 异常识别

光伏发电组件的核心就是太阳能电池板，这部分也是整个光伏发电系统中价值最高的部分，主要用于将太阳的辐射能转换为电能，并将这些电能传输到蓄电池内存储起来，或用于推动负载工作。光伏组件就是将这些太阳能电池板通过并联、串联的方式连接起来，再封装起来。目前，关于光伏组件最常见的问题主要在在外观上，包括光伏电池板隐裂、热斑、组间表面积灰、杂物阴影遮挡、鸟粪或其他污染物附着等。

AR 移动端的摄像头能够捕捉到光伏组件不同角度的画面，通过无线系统传输给服务器，利用服务器的大数据分析功能和深度学习系统，对信息进行自动识别，将其中存在异常情况的图像筛选出来，并通过增强现实叠加标记，显示在运检工作人员视野内，引导运检人员对重点区域和部位进行观察和检测，并将判定结果和采集到的相关数据上传至服务器，并存储起来[5]。

4.2 位置引导

光伏组件采用光伏逆变器，将太阳能电池板转化得到的可变直流电转换为交流电，然后将其反馈回到商用输电系统中，或者是供应给离网的电网应用。采用AR增强现实技术的移动端能够准确、快速地读取到逆变器的相关数据水平，快速获得光伏组件串的发电量以及实施负荷水平[6]。但目前我国的大部分集中式光伏电站都占到面积极大，工作人员如果采用光伏电站的CAD 图纸结合微型定位的方式来确定异常光伏板的位置存在着诸多不便。而采用AR 增强现实技术则能够提供给GPS、北斗卫星德国地理信息定位系统，对AR移动端的位置来进行定位，则能够快速地将异常组串的位置路线通过精准定位的形式来叠加到运检人员的视野内，工作人员只需要利用AR移动端的指示路线就能够快速达到异常组串的准确位置。

4.3 实时指导

由于光伏电站多建立在偏远的无人区域，多存在交通不便的情况，厂家售后多需要很长时间才能到达维修点，运检工作人员多需要先完成简单的维修工作，如更换损坏的组件等。这些运检工作人员多缺乏专业的培训，而维修手册内容又较为繁琐，加之新老员工交替时企业对新员工的培训力度不足，导致运检工作人员对于问题的处理能力不足。

基于AR技术的智能运检系统能够在发现并对故障准确位置和具体问题进行定位后，通过智能系统和工作辅助系统，将需要维修项目详细的列出来，并利用AR 的移动端将作业指导书快速地叠加到运检工作人员的视野内，确保工作人员能够在未能熟练掌握操作手册的情况下还能够按照规范的操作流程来完成操作。

4.4 透明管理

传统的光伏电站运检工作对于运检工作人员的觉悟和素质都提出了较高的要求，运检工作人员工作过程中容易出现漏检、漏记、补记等人为操作失误，导致运检的相关操作难以完全遵循相关操作规范进行，导致工作人员及设备都存在着安全隐患，极易造成安全事故的发生，为企业带来巨大的经济损失。AR移动端通过对运检过程中的各项信息进行记录，并将这些信息利用文字、图片、视频、地理位置等多种形式保持到服务器内，管理人员可通过相应的客户端来随时调取这些信息进行分析和利用，实现了对运检过程的透明化管理。

5 基于AR技术的光伏电站运检系统应用

基于AR技术的光伏电站运检系统应用范围具体如下。

（1）实物识别。主要通过对设备实物识别算法进行研究，满足对不同物体、不同角度扫描需求，继而建立三维立体识别物体效果。（2）信息叠加。将与实物有关系的信息，利用AR智能技术叠加到设备实物上，达到实时匹配的目的。（3）工作指引。利用系统对运检工作人员的操作状态进行判断和监督，并通过系统推送来引导工作人员根据流程完成相关操作。（4）实时通信。无论是终端设备还是服务器都支持无线通信模式下的实施数据传输，确保了数据实时采集到后能够及时传输到服务器内。另外，设备还配备有蓝牙功能，可通过蓝牙功能来实时传输离线数据。（5）数据管理。AR 增强现实智能运检系统还能够实时对工作人员的基本信息、工作流程、操作状态以及设备信息等数据进行记录和管理，以便于随时调取和查看。光伏电站运检工作人员可在佩戴AR智能眼镜后，通过识别二维码进行登录，然后读取需要执行的目标任务，在领取任务后，系统会提示工作人员准备所需的工具和设备。在运检过程中，还可通过系统的实时通信功能，将现场设备的情况传输到服务器的平台终端上，申请行业专家进行技术指导。监控端（专家端）可通过平台终端全程动态观看运检视频，以便于截图和数据分析，在现场图像的基础上对相关信息进行标注出来，作为运检工作人员的操作依据。

6 结语

借助AR技术在图像识别、信息叠加、实时通信等优势，实现光伏电站运检过程中异常自动排查、工作指引、运检数据实时保存及管理等诸多功能，有效地提高了光伏电站运检工作的效率，降低了出错率，确保了光伏电站稳定运行。同时AR 增强现实技术的应用还有效规范了运检的操作流程，实现管理的科学智能化和监督自动化，具有较高的应用价值。