电厂智能防误系统的穿戴设备选型研究

电厂智能防误系统的穿戴设备选型研究

孙飞 王兴龙  沈晓兵 傅忠良 王国清

摘要：文章阐述了在智能防误项目中，针对现场图像采集设备选型工作进行的一系列思考与研究。在防误项目中，现场图像采集设备不仅对软件研发及项目推进有着较大的影响，还在项目关键指标的达成方面起到了决定性作用，在全方面考量了电力行业现场的环境、设备的性能、设备安装固定的便捷性、员工的易用性和价格等关键因素后，最终选出了现阶段最适用于智能防误项目的现场图像采集设备。

关键词：图像采集设备；智能防误；

前言：

步入21世纪后，我国经济水平实现了飞跃式的发展，科技水平更是取得了长足的进步。作为基础产业的电力行业，在我国的飞速发展中更是起到了不可替代的作用。伴随着电力行业的澎湃发展，保障电力操作的安全性成为了发展过程中的重要命题，而防止误操作（后文统一用防误指代）则作为保障电力操作安全性的一个重要组成部分，成为了目前急需要解决的一大问题。

随着我国信息化程度的提高，智能防误系统作为解决防误问题的有效方案应运而生，在电力行业内部，基于解决防误问题的防误项目成为了企业加强安全建设和信息化建设的有效途径。在近些年的探索与实践当中，融合了芯片、传感器和AR(Augmented Reality)等新兴技术的现场图像采集设备与信息化系统结合，形成了软硬件有机结合的优秀解决方案，并从诸多防误解决方案中脱颖而出，得到了企业的广泛认可。本文以某科研项目为例，探讨了关于在智能防误项目中选型工作的思考与研究。

1 图像采集设备的选型目标

为实现智能防误项目的技术目标，并结合当今前沿的图像识别技术进行了多方面论证，最终得出了对图像识别设备的初步技术要求，要求如下：

表一 图像识别设备技术要求

2 图像采集设备的初步选型

设备初期调研通过线上与线下并行的方式展开，线上调研主要借助购物平台咨询设备厂家进行调研，而线下调研主要通过走访电子市场咨询经销商的方式开展，经过为期一个月的调研，分类汇总调研数据，最终选定：胸戴式、肩戴式、头戴式、移动外置式和固定外置式五大类共三十六款图像识别设备进入下一阶段的评定。

胸戴式设备是将图像识别设备佩戴于胸前，固定进行图像采集的设备。胸戴式设备的优点是：佩戴方便，对操作人员负担轻，缺点是：视角固定，视频采集画质不清晰，很容易出现人眼睛的视野与摄像头的视野不一致的情况，导致无法进行图像识别，具体样式见下图。

图一 胸戴式设备

肩戴式设备是将图像识别设备佩戴于肩部 ，固定进行图像采集的设备。肩戴式设备的优点是：摄像头视野可以基本满足识别的高度要求，肩戴式设备的缺点是：难以固定设备，在操作过程中人的肩膀很难一直固定在一个点上长时间不动，由于肩膀的晃动会造成摄像头晃动，导致摄像头无法快速聚焦，不能进行有效识别；并且与胸戴式图像识别设备一样由于操作过程出现身体倾斜，会造成摄像头无法有效拍摄到正面的图像，很容易出现人眼睛的视野与摄像头的视野不一致的情况，导致无法进行识别，具体样式见下图。

图二 肩戴式设备

头戴式设备是佩戴在头部，固定进行图像采集的设备，具有可随着现场操作人员的视角转动，方便有效摄取视角范围内操作对象的图像的优点，具体又可分为眼戴式、耳戴式、头盔一体式和头盔可方便装取式几种产品。

眼戴式设备是将图像识别设备佩戴于眼前，眼戴式设备的优点是可以通过镜片与操作人员进行视觉交互，使摄像头能够快速聚焦到需要识别的设备上，录制的视频更加符合现场实际操作员的视角且不受识别的高度和空间限制，眼戴式设备的缺点是长时间佩戴会对现场操作人员有一定的重量负担，具体样式见下图。

图三 眼戴式设备

耳戴式设备是将图像识别设备佩戴于耳朵上，摄像头悬挂于眼睛右侧，固定进行图像采集的设备，耳带式设备的优点是：不会对操作员有视线干扰、录制的视频比较符合现场实际操作员的视角且不受识别的高度和空间限制。耳带式设备的缺点是：长时间佩戴会对操作员有一定的重量负担，并且无法通过镜片与操作人员进行视觉交互，有可能因为摄像头的视野与操作员眼前的视野不一致导致无法识别，具体样式见下图。

图四 耳戴式设备

头盔一体式设备是将图像识别设备集成在安全帽内，与安全帽形成一个整体佩戴于头部，头盔一体式设备的优点是：不会对操作人员的操作过程造成视线干扰，头盔一体式设备的缺点是：无镜片的一体式头盔无法通过镜片与操作人员进行视觉交互，有可能摄像头的视野与操作员眼前的视野不一致导致无法识别，并且长时间佩戴较重设备容易加快操作人疲劳，具体样式见下图。

图五 头盔一体式设备

头盔可方便摘取式设备可方便在安全帽上进行装取，可分为带镜片和不带镜片两类。

无镜片头盔可方便摘取式设备的优点是：不会对操作人员的操作过程造成视线干扰、具有红外激光定位，可辅助操作员快速定位需识别的具体位置，且方便装取，卫生，不会因为安全帽到期引起设备更换浪费。无镜片头盔可方便摘取式设备的缺点是：无法通过镜片与操作人员进行视觉交互，有可能摄像头的视野与操作员眼前的视野不一致导致无法识别并且设备装取时需要根据每个人的身高进行摄像头角度调整。

图六 无镜片头盔可方便摘取式设备

带镜片头盔可方便摘取式设备的优点是：可以通过镜片的视觉前端呈现与操作员进行视觉交互，能够让操作员判断出识别对象是否在摄像头的视野中，辅助摄像头快速对焦，且方便装取，卫生，不会因为安全帽到期引起设备更换浪费，带镜片头盔可方便摘取式设备的缺点是：安全帽前侧偏重，会影响操作员佩戴舒适度，并且镜片内的视频画面对操作员视线有遮挡。

图七 有镜片头盔可方便摘取式设备

固定外置式设备是指使用多组摄像头，固定在电气操作柜上，对准需识别区域，固定外置式设备的优点是：摄像头不会晃动，识别效果好；无需操作人做出额外动作，不影响操作，固定外置式设备的缺点是：需要对电气操作柜进行改造，改造难度大。

图八 固定外置式设备

3 防误项目图像采集设备的选型研讨

根据图像识别初步选型结果，对选中的三十六款设备进行了选型研讨，本次研讨邀请电力行业专家数名，项目直属某电厂领导数名和智能防误项目选型小组成员若干，立足于实际情况，从电力行业现场的环境、设备的性能、设备安装固定的便捷性、员工的易用性和价格等多个维度对入围设备进行了筛选。

首先评测的是胸戴式设备，因为胸戴式设备摄像头角度无法适应现场操作人员的日常操作，所以本次入选的唯一一台胸戴式设备遗憾落选。

接下来评测的是头戴式（眼戴式）设备，因镜片透光率不足，考虑到会对现场操作人员视线产生干扰，所以本次入选的五款头戴式（眼戴式）设备只有两款成功入选下一轮测试。

接下来评测的是头戴式（耳带式）设备，因无法向服务端推流，未满足项目要求，所以本次入选的唯一一台头戴式（耳带式）设备遗憾落选。

接下来评测的是头戴式（一体式头盔）设备，因实际摄像头分辨率未满足要求及无法向服务端推流，所以本次入选的十八款头戴式（一体式头盔）设备只有三款成功入选下一轮测试。

接下来评测的是头戴式（可方便摘取式头盔）设备，因实际摄像头分辨率未满足要求、无法向服务端推流和不支持二次开发，所以本次入选的十款头戴式（可方便摘取式头盔）设备有六款成功入选下一轮测试。

最后评测的是固定外置式设备，因不符合项目创新目标，并且需要改造机柜，解决设备的供电和供网问题，所以不采纳。

到此，本次防误项目图像识别设备研讨到此结束，各方就设备选型的标准达成一致，从三十六款设备中成功选取十一款设备进入现场测试。因一款设备为下级分销，故十一款设备中有两款为相同设备，故进行剔除，所以共计十款设备进入现场测试阶段，以下为评测详细记录。

表二 研讨评测记录

4 现场使用测试

根据防误项目图像识别设备选型研讨结果，对选中的十款设备带至实际现场进行测试，安排现场操作员工进行了适应性测试，发现大部分设备移动时拍摄效果较差，不满足防误项目的业务要求，另外发现大部分设备重量较重，长时间佩戴会对操作人员产生负担，考虑到多方面因素，故决定004号设备、031号设备和033号设备通过本轮测试进入到下一轮测试，本次测试结果及最终入围三台设备参数型号详见下文。

表三 现场使用测试记录

表四 004号设备详细参数

表五 031号设备详细参数

表六 033号设备详细参数

5 模拟试验

5.1设备004

本次现场试验由业主方测试人员佩戴设备004于现场进行模拟操作，录制视频后经图像识别处理得到如下结果：

将录像所有帧图像进行二维码识别，共有87帧图像可以识别部分二维码，占比约12.2%，识别效果极差。

从对焦问题出发推导，发现操作员无意识的轻微晃动导致眼镜摄像头频繁触发自动对焦功能是导致画面模糊的根本原因。

总体来说，此设备在录制的视频可以满足图像识别需求，并且在操作员规范操作下，减少头部晃动可以很大程度提高图像识别效率。但是由于该设备是镜片上的视频画面会存在视线遮挡，故设备不推荐使用。

5.2设备031

本次现场试验由业主方测试人员佩戴设备031于现场进行模拟操作，发现如下问题：

首先设备重量较重，长时间佩戴易导致疲劳；

其次在携带镜片进行全画面操作时，会影响操作人距离感。具体表现为实际物体距离比操作画面中感受到的物体距离更近，需要操作人将手部维持在画面内才能判断物体实际距离。

接下来将镜片上翻后设备重心产生变化，低头操作时会造成脖颈有较重的压力。头环上翻后使用的副摄像头角度为斜向下倾斜，需要操作人仰头保证拍摄画面正确，且无激光点辅助操作人定位画面中心。

最后佩戴镜片息屏后，镜片墨镜会影响操作人观察深色按钮。且墨镜片目前无法通过暴力破拆以外的方式取下。

故设备不予采用。

5.3设备033

本次现场试验由测试人员佩戴设备033于现场进行模拟操作，录制后进行图像识别处理得到结果，本次测试发现了如下问题：

摄像头角度有点偏上，需要往下调整摄像头角度，但是调整角度会造成设备后部位往上翘，导致安装不稳定。

总体来说，此设备拍摄的视频画面较为清晰，语音通话质量较为清楚，可以满足项目需求，可以考虑作为本项目选型的图像识别设备。

6 选型结论

经过一系列综合性评定后，决定采用设备033作为本次防误项目的图像识别设备。

经过与设备厂家沟通后，通过采用定制开模的方法解决摄像头角度问题，通过采用魔术贴粘贴的方式解决设备固定的问题，至此已全部解决此设备的相关问题。

总结：综上所述，考虑到电力行业现场的环境、设备的性能、设备安装固定的便捷性、员工的易用性和价格等多个维度的因素，经过了缜密的考量，严谨的测试，通过理论与实践相结合的方式成功完成了本次智能防误项目的选型工作。

相关参考文献：

[1] 国网江苏省电力公司． 国网江苏省电力公司成功研制可穿戴智 能巡 检 设 备［EB /OL］． ( 2016-11-14) ［2017-01-17］． http: / / www． sgcc． com． cn /xwzx /gsxw /2016 /11 /336707． shtml．

[2] 冷贵峰，李巍，文屹． 基于智能眼镜的电网远程监控系统的研究 及实践［J］． 电气应用，2016( 12) : 78-81．

[3]张艳玲． 电力现场作业可图像识别设备无线传感网组网技术研究［D］． 北京: 华北电力大学，2019．