CN107657574A - 一种基于ar技术的地下管线资产管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AR技术的地下管线资产管理系统及方法，包括前端AR硬件和后台数据处理服务器；AR硬件包含显示系统，显示系统上安装有摄像头、测距装置和方位传感器，通过其各自内部的通讯组件连接到互联网后与所述后台数据处理服务器进行数据交互；或者通过系统的内部微型计算机与系统外部的通讯组件和卫星定位组件进行协同工作，再与所述后台数据处理服务器进行数据交互。本发明提供了一种可以在现场清晰“看到”地下管线准确的分布位置并且可以“看到”管线各项属性数据的资产管理方案；使得业主单位通过简单的现场测量和位置校准，就可以准确观察到现场的管线分布状况，减少或避免二次测量，便于管理、设计、维修和风险规避。

Description

一种基于AR技术的地下管线资产管理系统及方法

技术领域

本发明涉及地下管线的定位管理技术，更具体地说，是一种基于AR技术的地下管线资产管理系统及方法。

背景技术

中国城市化进程还在加速，市政建设尚处于黄金时期，而中国地域发展不平衡和人口影响较深，城市密度远大于欧美日等发达国家，城市地下管网布网复杂程度相当高，不仅仅有燃气管网，还交织着水网、污水网、电网、通讯网等，经常出现各单位交替施工。地下管线的建设布局密度和复杂程度越来越高，加之地下管线有“不可见”的特性，所以管理难度渐增。日常资产管理中：第三方施工规避、巡检、抢险、检修和增设工作，均不可避免要在“现场”清晰明确地下管线的位置，避免误判造成意外而导致严重的资产损失。

而其中的燃气管网，传输的是天然气气体，管体有压力，泄漏易扩散，容易爆炸造成人民群众生命财产损失，所以安全要求更高，管理要求更严格。虽然燃气公司非常注重燃气地下管道的维护管理，但目前还是存在不少地下管道定位方面的困难，随着时间的增长，让燃气公司的管理压力也越来越大。比如：

1、随着城市变迁，依靠测定与参照物相对位置定位方法失效。

2、城市变迁带来复杂的电磁环境，旧有的金属管道检测和示踪线检测失效；而且，因为产品固有缺陷和复杂施工条件，示踪线应用寿命很少有超过5年。

3、城市密集且电磁复杂环境，使用RTK等卫星精确定位产品可靠性降低，而且有操作时限。

4、使用单点定位标识器成本高，密度低，现场应用有一定局限性。

燃气公司一旦对地下管道无法快速定位，则产生严重管理风险，比如管线容易被第三方施工破坏，无法及时制止；或者抢险无法快速进行，而且无法结合现场制定方案。

因此，未来的燃气地下管道的管理，必须采用AR技术，让管道的位置信息，设备信息，与现场环境相结合，使得在现场能“观看”地下燃气管网，从而简化现场定位工作。并且实现数据共享功能，第三方施工可以向燃气公司申请数据和应用，来“观看”现场的管网分布。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于AR技术的地下管线资产管理系统及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于AR技术的地下管线资产管理系统，包括前端AR硬件和后台数据处理服务器；所述AR硬件包含显示系统，显示系统上安装有摄像头、测距装置和方位传感器等，通过其各自内部的通讯组件连接到互联网后与所述后台数据处理服务器进行数据交互；或者通过系统的内部微型计算机与系统外部的通讯组件和卫星定位组件进行协同工作，再与所述后台数据处理服务器进行数据交互。

作为本发明的进一步改进，所述显示系统为透明液晶屏、玻璃投影显示器或者为普通的液晶屏；所述摄像头用于将实景图像数字化和将数据传输至计算机处理；所述测距装置用于获取距离信息，使虚拟数据在呈现之前能在现实空间有准确的参考；可采用双摄像头景深测距的方案；所述通讯组件的形式有：WIFI、WLAN、蓝牙、GSM、CDMA、WCAMA、TD-SCDMA、FDD-LTE、TD-LTE等能进行数据交互的无线传输；所述微型计算机上设置有信息录入装置，配置有麦克风、键盘或者屏幕虚拟键盘。

作为本发明的进一步改进，所述AR硬件还带有或者可以连接达到精度要求的GPS设备；所述AR硬件还配备高精度的指北针模块；所述AR设备能连接RTK坐标测量仪器。

本发明还公开了一种实现所述的基于AR技术的地下管线资产管理系统的方法，包括以下步骤：

(1)将地下资产的地理坐标数据和属性数据存储到后台数据处理服务器，经过人工整理，生成管网数据，管网数据中可挂接资产信息；

(2)前端AR硬件在现场通过卫星定位组件获取当前位置坐标，通过通讯组件与后台数据处理服务器进行数据交互，查询到与当前位置坐标相匹配的管网数据；

(3)下载管网数据后，前端AR硬件开始进行空间位置匹配，分二种情况:

情况1：现场有永久标识，并能够读取到标识的码；

则，由微型计算机的录入功能输入标识码，通过通讯组件与后台数据处理服务器进行数据交互，提取永久标识上的坐标数据；再用测距仪对地面测高度后，将摄像头和测距装置对准永久标识位置，让微型计算机根据方位传感器的测量结果，利用几何算法，将当前视觉位置、永久标识坐标、管网数据统一到一个几何框架以内；

情况2：现场没有永久标识，但通过卫星定位组件获取的坐标值较为准确；

则，用测距装置对地面测高度后，找一个视觉参考点，然后用摄像头和测距装置对准，依靠方位传感器测方位值，依靠卫星定位组件测坐标值(可重复多次以降低误差)；此时利用测量的高度、方位值以及坐标值，推算出参考点位置信息，生成参考几何空间，然后对管网数据统一到这个几何框架以内；

(4)空间位置匹配后，在步骤(3)中产生的几何框架的空间内，利用管网数据包含的几何信息渲染出管道3D图，并与摄像头抓取的位置图像相匹配，显示到显示系统，形成准确的AR效果；

(5)用户可以移动及360度视觉转换，微型计算机将不断利用方位传感器输出的方向值和位移值，并结合管网数据及参考位置处的图像特征，实时渲染，营造出动态的AR效果(视觉误差较小)；

(6)通过与数据处理服务器的实时交互，可以形成以匹配点为基准，通过不断读取方位和坐标值，实现动态的、有视觉延伸的AR效果，让用户在AR效果中看到地下资产信息。

本发明提供了一种可以在现场清晰“看到”地下管线准确的分布位置并且可以“看到”管线各项属性数据的资产管理方案；特点是视觉误差小，方位准确，现场免测量可以判断位置。

本发明的基于AR技术的地下管线资产管理系统，当中包含环境现场地下管线资产数字“透视”方案及位置校准方法，以及系统的软硬件构架；其中前端硬件为AR硬件设备，包含显示系统(液晶屏、透明液晶屏或玻璃投影显示)、摄像头、测距装置(包括双摄像头景深测距方案)、通讯组件、卫星定位组件、方位传感器和微型计算机等；后台硬件为数据处理服务器。本发明的运用可以使得业主单位通过简单的现场测量和位置校准，就可以准确观察到现场的管线分布状况，减少或避免二次测量，便于管理、设计、维修和风险规避。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

本发明的基于AR技术的地下管线资产管理系统，由前端AR硬件和后台数据处理服务器组成；AR硬件包含显示系统，显示系统上安装有摄像头、测距装置和方位传感器等，通过系统的内部微型计算机与系统外部的通讯组件和卫星定位组件进行协同工作，再与所述后台数据处理服务器进行数据交互。

另一种方式是摄像头、测距装置、方位传感器等通过其各自内部的通讯组件连接到互联网后与后台数据处理服务器进行数据交互；相当于云处理，数据在后台作处理。

本发明中的显示系统是实现AR效果的最终输出端，包含两种形式：

第一种为以液晶屏为载体，实景经过摄像头采集生成图像和虚拟渲染的图像合成，同时由液晶屏显示，由人眼直接观看；

第二种为以透明液晶屏和玻璃投影显示器为载体，人眼能透视观察到实景，虚拟渲染图像通过显示于透明液晶屏和玻璃投影显示器上作为虚像，叠加到实景传输到眼球视网膜的光路上。

摄像头用于将实景图像数字化，可传输到微型计算机进行处理。

测距装置(包括双摄像头景深测距方案)，用于获取距离信息。

通讯组件样式包括：WIFI、WLAN、蓝牙、GSM、CDMA、WCAMA、TD-SCDMA、FDD-LTE、TD-LTE等能进行数据交互的无线传输，用于间接或直接链接后台数据处理服务器。

实现本发明的基于AR技术的地下管线资产管理系统的方法，其步骤包括：

1、预先采取测绘手段，数据采集设备预先对地下资产位置进行定位，形成管网数据，并且编辑资产的详细信息，全部存储到后台数据处理服务器中；管网数据和资产详细信息可以在电子地图上显示。

数据采集设备，即采集管道精确坐标，供人工录入管道信息设备以及管道电子化监控设备。管网数据指的是这些设备产生的二进制代码。

2、前端AR硬件在现场通过卫星定位组件获取当前位置坐标，通过通讯组件与后台数据处理服务器进行数据交互，查询到与当前位置坐标相匹配的管网数据。

3、当AR设备在现场获取到坐标后，由通讯组件实现，通过网络下载周边一定范围管网数据，交由微型计算机进行准备进行空间位置匹配。

所谓空间位置匹配，是由于摄像头视觉，卫星定位的坐标值，人的实际方位，实际人眼视觉存在几何差异，这些差异的存在，会导致生成的AR效果有较大误差，无法应用于地下资产现场准确观察，所以必须要进行空间位置匹配。

空间位置匹配，分二种情况：

情况1：现场有永久标识(地下或地上)，并能读取标识的码；

则通过微型计算机录入功能，输入标识码，然后通过通讯组件和数据处理服务器进行数据交互，提取永久标识的坐标数据。此时，用测距仪对地面测高度后，然后将摄像头和测距装置对准永久标识位置，微型计算机根据方位传感器测量结果，利用几何算法，将当前视觉位置、永久标识坐标、管网数据统一到一个几何框架以内。

情况2：现场没有永久标识，但通过卫星定位组件获取的坐标值较为准确；

则用测距装置对地面测高度后，找一个视觉参考点然后用摄像头和测距装置对准，获取方位值(方位传感器测得)和坐标值(卫星定位组件测得)。可重复多次。此时利用测量的高度、方位值以及坐标值，推算出参考点位置信息，生成参考几何空间，然后对管网数据统一到这个几何框架以内。

4、空间位置匹配后，微型计算机通过摄像头抓取参考位置图像，然后在步骤3所产生的几何框架空间内，利用管网数据包含的几何信息，渲染出管道3D图，并和参考位置图像相匹配，显示在显示系统上，形成准确的AR效果。

此举是将虚拟数据和实景结合在一起，消除几何差异。此时生成的AR效果，误差较小。可以用简单的手段，通过AR效果配合，确定地下资产实际位置，使得能控制较大范围，提高工作效率。

5、微型计算机将不断利用方位传感器输出的方向值和位移值，并结合管网数据及参考位置图像特征，实时渲染，营造出动态的AR效果；用户可以移动及360度视觉转换，视觉误差较小。

6、通过与数据处理服务器的实时交互，可以形成以匹配点为基准，通过不断读取方位和坐标值，实现动态的、有精确的视觉延伸的AR效果，让用户在AR效果中看到地下资产信息。

综上，本发明系统主要实现利用AR技术实现管道分布的现场“观看”，其中“实景”来源于设备的直接透视(眼镜投影式设备)，或者来源于设备的摄像设备实时录像；管道各项图像作为“虚景”，由AR终端根据从服务器下载的数据实时生成，并形成交互操作，近距离甚至可以引入设备图像的透视。

比如燃气公司在管理管道时，先会采取测绘的手段，获取燃气管道及各项地下管道设备的精确“坐标”。此系统所实现的“虚景”，数据基础必须基于燃气公司认可的精确的“坐标”值。AR设备利用数据配合方位、倾角和图像景深生成“虚景”。

生成的“虚景”带有交互功能，点击能弹出相关管网信息，比如：管线深度，设备信息，维护记录等。信息由录入设备录入。

AR设备必须带有或者可以连接达到精度要求的GPS设备；必须配备高精度的指北针模块，使用AR功能时必须先校准指北针。

这是因为AR现场辅助技术需要精确的方位数据，才能使得数据“虚景”能与实景坐最大限度匹配，所以要求AR设备配置最好的电子指北针，而设备的方位改变，就要做一次图像叠加渲染，所以对AR设备的运算能力也有较大要求

前面之所以有强调“坐标”这一概念，是在现场的AR技术中，数据坐标的精确度和现场坐标越匹配，现场的生成的“虚景”还原度和精确度就越高，因此AR设备必需能连接RTK坐标测量仪器。

RTK测量仪器能在现场提供较为精确的坐标值，而且不需要专业的测绘知识，但因为价格关系不能配发到巡线人员。燃气公司仅用于自身的管道测量检查工作上。而且RTK仪器工作条件比较苛刻，天气干扰和密集环境不能保证现场每个点都能测量到，所以与AR技术进行配合，则可顺利测量到现场某一点后，直接看到现场分布，免除现场大规模测点的麻烦。

而日常应对第三方道路施工，依靠的是巡检人员的巡查发现，但现场管网布局复杂，分布广，巡查人员必须有合理理由才能制止第三方施工，不能依靠说周围疑似有燃气管道就制止施工。由于人员素质关系，不便于携带昂贵的RTK仪器。所以，在管道验收测绘及日常复测时，布置一些布控点。比如在附近灯柱，水泥墩，测量布控点等，留有坐标编号供查询。巡线人员站在布控点输入编号即可获取精确坐标，就可以“看到”现场管道分布状况，对第三方施工可以有合理理由及时制止。假如管道有地下智能监控设备，巡查人员不仅能“看到”现场的管网，还能调出现场运行情况数据，截图上传。

因为无论RTK还是现场布控位获取坐标，由于人员站位和测量的问题，总会有误差，一般系统预算误差<50cm，虽然这些误差在AR视觉上可以通过算法去尽，可能看得舒服，但是对于精确的管道定位，一些燃气公司采用单点的定位标识器，而单点的定位标识器密度低，在不清楚大约位置很难查找，而本发明的AR技术很好地解决了这问题。如果现场布控位被破坏，还可以通过查找带信息码的定位标识器，获取精确坐标值。由此可见，本发明AR技术丰富了管道的定位和管理，是未来地下管网管理的一种领先方式。

本发明采用AR技术应用后，会衍生很多辅助硬件设备，比如有一个设备，能实时和AR设备连接，获取到两者的相对距离，能在现场提供很好的辅助作用。比如AR观测者在现场布控点获取到精确坐标“观看”“管道”时，想靠近某个设施或管道位置，但布控点密度不足，此时不能移动，假若有那个设备，就可以用那个设备将坐标推算到想要到观测的位，则可以实现简单的现场移动。在密集的复杂城市环境也能产生极好的应用效果。

最后，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其流程、技术内容所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于AR技术的地下管线资产管理系统，其特征在于，包括前端AR硬件和后台数据处理服务器；所述AR硬件包含显示系统，显示系统上安装有摄像头、测距装置和方位传感器等，通过其各自内部的通讯组件连接到互联网后与所述后台数据处理服务器进行数据交互；或者通过系统的内部微型计算机与系统外部的通讯组件和卫星定位组件进行协同工作，再与所述后台数据处理服务器进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的基于AR技术的地下管线资产管理系统，其特征在于，所述显示系统为透明液晶屏、玻璃投影显示器或者为普通的液晶屏；

所述摄像头用于将实景图像数字化和将数据传输至计算机处理；

所述测距装置用于获取距离信息，使虚拟数据在呈现之前能在现实空间有准确的参考；可采用双摄像头景深测距的方案；

所述通讯组件的形式有：WIFI、WLAN、蓝牙、GSM、CDMA、WCAMA、TD-SCDMA、FDD-LTE、TD-LTE等能进行数据交互的无线传输；

所述微型计算机上设置有信息录入装置，配置有麦克风、键盘或者屏幕虚拟键盘。

3.根据权利要求1或2所述的基于AR技术的地下管线资产管理系统，其特征在于，所述AR硬件还带有或者可以连接达到精度要求的GPS设备；所述AR硬件还配备高精度的指北针模块；所述AR设备能连接RTK坐标测量仪器。

4.一种实现权利要求1所述的基于AR技术的地下管线资产管理系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将地下资产的地理坐标数据和属性数据存储到后台数据处理服务器，经过人工整理，生成管网数据，管网数据中可挂接资产信息；

(2)前端AR硬件在现场通过卫星定位组件获取当前位置坐标，通过通讯组件与后台数据处理服务器进行数据交互，查询到与当前位置坐标相匹配的管网数据；

(3)下载管网数据后，前端AR硬件开始进行空间位置匹配，分二种情况:

情况1：现场有永久标识，并能够读取到标识的码；

则由微型计算机的录入功能输入标识码，通过通讯组件与后台数据处理服务器进行数据交互，提取永久标识上的坐标数据；再用测距仪对地面测高度后，将摄像头和测距装置对准永久标识位置，让微型计算机根据方位传感器的测量结果，利用几何算法，将当前视觉位置、永久标识坐标、管网数据统一到一个几何框架以内；

情况2：现场没有永久标识，但通过卫星定位组件获取的坐标值较为准确；

则用测距装置对地面测高度后，找一个视觉参考点，然后用摄像头和测距装置对准，依靠方位传感器测方位值，依靠卫星定位组件测坐标值；此时利用测量的高度、方位值以及坐标值，推算出参考点位置信息，生成参考几何空间，然后对管网数据统一到这个几何框架以内；

(4)空间位置匹配后，在步骤(3)中产生的几何框架的空间内，利用管网数据包含的几何信息渲染出管道3D图，并与摄像头抓取的位置图像相匹配，显示到显示系统，形成准确的AR效果；

(5)用户可以移动及360度视觉转换，微型计算机将不断利用方位传感器输出的方向值和位移值，并结合管网数据及参考位置处的图像特征，实时渲染，营造出动态的AR效果；

(6)通过与数据处理服务器的实时交互，可以形成以匹配点为基准，通过不断读取方位和坐标值，实现动态的、有视觉延伸的AR效果，让用户在AR效果中看到地下资产信息。