增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉佳旺

摘 要：隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，對電力資源的需求量不斷上漲，結(jié)合前沿性技術(shù)提高電力系統(tǒng)的自動化水平是電力行業(yè)未來重要的發(fā)展方向?；诖耍恼聦υ鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論展開論述，并對該類技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方法進(jìn)行研究，旨在為相關(guān)人員提供參考，促進(jìn)電力行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬現(xiàn)實(shí)；混合現(xiàn)實(shí)；電力系統(tǒng)

0 引言

近年來，智能可穿戴設(shè)備技術(shù)迅速發(fā)展，以智能眼鏡為代表的新興科技產(chǎn)品在各個行業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，智能穿戴設(shè)備的出現(xiàn)進(jìn)一步提升了使用設(shè)備的便捷性，使各行業(yè)的自動化水平更高，使各行業(yè)中人員的工作效率得到了進(jìn)一步提升。智能可穿戴設(shè)備“解放雙手、高效交互、輔助決策”的生產(chǎn)理念，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論研究

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是通過三維建模、多媒體、智能交互、實(shí)時跟蹤及注冊等多種技術(shù)將虛擬世界信息和真實(shí)世界信息進(jìn)行融合，經(jīng)過合成后將其展現(xiàn)給觀眾。將該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，能利用全息投影將現(xiàn)實(shí)世界和電網(wǎng)信息進(jìn)行疊合，操作人員能在設(shè)備將通過交互手段完成對電力系統(tǒng)的操作，顯著提高對電網(wǎng)信息的監(jiān)測和操作水平。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）也叫靈境技術(shù)，該技術(shù)中融合了仿真技術(shù)、電子信息、計算機(jī)技術(shù)等，通過計算機(jī)仿真系統(tǒng)對三維動態(tài)視景與實(shí)體行為進(jìn)行系統(tǒng)仿真創(chuàng)建，并能讓用戶體驗虛擬世界，獲得身臨其境的感受。將該技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)當(dāng)中，操作人員能對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真創(chuàng)建，使操作人員在人造空間內(nèi)通過交互對系統(tǒng)進(jìn)行操作。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mix Reality，MR）是將AR和VR技術(shù)進(jìn)行融合與創(chuàng)新的一種技術(shù)，通過合并虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界創(chuàng)造出新的可視化環(huán)境[1]。將該技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)中，能使操作人員通過可視化環(huán)境與數(shù)字對象和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行實(shí)時互動。

1.2 我國增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時間較晚，目前對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究水平還有待加強(qiáng)。國內(nèi)對該類技術(shù)的應(yīng)用多為快銷產(chǎn)品，并未建立起可迭代化產(chǎn)品生產(chǎn)體系，在一定程度上制約了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方法研究

雖然當(dāng)前國內(nèi)各個行業(yè)中對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)已有不同程度的應(yīng)用，但總體來說，該類技術(shù)仍處于研發(fā)階段。下文主要根據(jù)該類技術(shù)的工作原理對其應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的思路展開論述，期望能為智慧電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展提供參考。

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要依托與之相關(guān)的軟件系統(tǒng)及能適配的硬件設(shè)備，硬件設(shè)備包括但不限于頭盔、眼鏡等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能在用戶穿戴硬件設(shè)備后為其呈現(xiàn)新型的視覺體驗，將現(xiàn)實(shí)世界和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)影像進(jìn)行疊加，使用戶能在與現(xiàn)實(shí)世界保持聯(lián)動的同時及時獲取需要的電網(wǎng)信息[2]。

2.1.1 單兵作業(yè)領(lǐng)域

巡查、檢修、電力搶修等單兵作業(yè)領(lǐng)域是電網(wǎng)工作中的重要組成部分，在該領(lǐng)域中可以通過應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提升電力系統(tǒng)單兵作業(yè)水平：（1）通過為工作人員佩戴具有圖像識別功能的可穿戴設(shè)備，能使工作人員迅速確認(rèn)電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的位置。（2）工作人員可從云端業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)中快速獲取相關(guān)設(shè)備的歷史運(yùn)行參數(shù)和屬性數(shù)據(jù)，如設(shè)備結(jié)構(gòu)信息、零件設(shè)備的更換歷史等。（3）智能穿戴設(shè)備中配備的光學(xué)顯示器不僅能為工作人員顯示故障點(diǎn)附近的信息，還能將檢測到的故障信息及時上傳到云端，為后續(xù)工作的開展提供參考。

2.1.2 實(shí)時通信領(lǐng)域

當(dāng)前，電網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場維修人員主要通過對講機(jī)、手機(jī)等設(shè)備與電力企業(yè)進(jìn)行溝通，由于現(xiàn)場環(huán)境的多樣性、復(fù)雜程度較高，可能無法完全將現(xiàn)場情況與維修人員的意見描述清楚，在一定程度上影響電網(wǎng)系統(tǒng)的維修效益[3]。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，音頻、視頻和多媒體技術(shù)等逐漸應(yīng)用到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，若在電網(wǎng)維修的過程中，現(xiàn)場人員利用智能穿戴設(shè)備與電力企業(yè)進(jìn)行實(shí)時溝通，能讓電力企業(yè)實(shí)時接收到現(xiàn)場畫面，提高工作效率。目前，已有電力企業(yè)為現(xiàn)場維修人員配備AR智能眼鏡，現(xiàn)場維修人員利用AR智能眼鏡中的視頻、語音交互功能與后臺之間進(jìn)行實(shí)時溝通，專家能對復(fù)雜電網(wǎng)的維修進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，提高維修質(zhì)量。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用智能計算設(shè)備創(chuàng)造一個虛擬世界，用戶能通過智能穿戴設(shè)備獲得與虛擬世界同步的視覺、聽覺、觸覺等方面的真實(shí)感官體驗。在現(xiàn)實(shí)生活中，部分訓(xùn)練由于實(shí)訓(xùn)環(huán)境具有高度危險性、不可及或操作不可逆，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為訓(xùn)練人員提供安全可靠的訓(xùn)練環(huán)境。如在電力系統(tǒng)的操作中，可用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建變電站的三維動態(tài)模型，依托智能穿戴設(shè)備，讓工作人員獲得視覺、聽覺、觸覺一體的體驗環(huán)境，使其處于特定范圍內(nèi)的變電站虛擬環(huán)境中，手動操作或ART跟蹤交互對虛擬環(huán)境進(jìn)行操作和模擬，使其自身專業(yè)水平不斷提升。

2.2.1 立體全站展示

依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能穿戴設(shè)備為工作人員營造變電站的三維立體全息投影，對工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和訓(xùn)練，為使工作人員獲得最佳的體驗感，提高場景的真實(shí)度。可利用計算機(jī)中的多媒體和圖像處理技術(shù)等對虛擬場景進(jìn)行特效處理，使變電站的三維影像在3D屏幕上展示的過程中，處于虛擬環(huán)境中的工作人員左右眼的觀測景象有所差別，更加身臨其境；還可通過疊加特效場景的方式，讓工作人員能分別體驗雨雪天氣、強(qiáng)風(fēng)天氣等可能對變電站正常工作產(chǎn)生影響的環(huán)境進(jìn)行體驗，幫助工作人員構(gòu)建極端天氣情況下的電網(wǎng)系統(tǒng)搶修措施和方案，為實(shí)際工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2.2 手動模擬操作

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，電力系統(tǒng)中的設(shè)備在不斷更新和升級，為使工作人員的專業(yè)知識技能與電力系統(tǒng)的更新與升級同步優(yōu)化，可利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工作人員搭建設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)境，以沉浸式的方式完成對變電設(shè)備的拆解和組裝，使其更深入地了解各類變電設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理等內(nèi)筒，使工作人員能通過沉浸式影響更扎實(shí)地掌握安全操作手段，提高工作人員操作的熟練度，降低電網(wǎng)檢修、維護(hù)的難度，提高工作效率。

2.2.3 電力事故演練

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對不同的電力事故進(jìn)行模擬，工作人員通過不斷地練習(xí)不同類型電力事故的處理方式，能使其在實(shí)際工作中對電力事故的類型、原因、可能發(fā)生故障的位置進(jìn)行迅速的判斷，并依托于專業(yè)設(shè)備對故障進(jìn)行快速處理。換而言之，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對真實(shí)電力事故進(jìn)行仿真模擬并要求多名工作人員利用虛擬顯示設(shè)備的聯(lián)動功能，同時進(jìn)入電力設(shè)備的故障現(xiàn)場中，通過沉浸式交互體驗共同對事故進(jìn)行處理，加強(qiáng)工作人員的協(xié)同作業(yè)能力，使不同環(huán)節(jié)的工作人員能在故障的發(fā)生和處理過程中，在保障相關(guān)人員安全的前提下，盡量減少電力事故帶來的影響和損失。

2.3 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為人們創(chuàng)造出現(xiàn)實(shí)和虛擬世界相互融合的新型可視化環(huán)境，各類物理數(shù)字對象能在這一可視化環(huán)境中進(jìn)行互動、交流和共存。人們能利用該技術(shù)在虛擬環(huán)境中對現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行信息標(biāo)注，使用戶、虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的交互得到增強(qiáng)，使用戶獲得更真實(shí)的使用感受。

在電力系統(tǒng)中可利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)疊加電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)，相關(guān)人員利用全息投影的方式將電網(wǎng)資源投射在真實(shí)設(shè)備上，通過手勢操作對電網(wǎng)資源進(jìn)行互動展示。從某種角度來說，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)其實(shí)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合發(fā)展，通過在電力系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)，可推動電網(wǎng)資源的三維展示建設(shè)，使工作人員能在工作中依靠智能傳達(dá)設(shè)備完成資源查詢、定位、調(diào)配等工作，提高設(shè)備維護(hù)與檢修效率。

3 結(jié)語

在國家大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的背景下，社會對電力資源的需求不斷提升。為保障電力系統(tǒng)的供應(yīng)效率，各地區(qū)的電力公司開始嘗試在電力系統(tǒng)中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)以及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)。相信通過不斷努力，我國電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化水平會越來越高。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李剛，蔡駿峰，劉海瓊，等.探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電子世界，2020（22）：174-175.

[2]崔鈺婷，趙志群.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響—基于59項實(shí)驗或準(zhǔn)實(shí)驗研究的元分析[J].中國遠(yuǎn)程教育，2020（11）：63-71.

[3]王忠照，孫璟川，王元，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2020（7）：557-560.

（編輯 姚 鑫）

Application of augmented reality，virtual reality and hybrid reality technology in power system

Liu Jiawang

（China Information Technology Designing and Consulting Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200050， China）

Abstract：With the progress and development of society， the demand for power resources is rising. It is an important development direction for the power industry to improve the automation level of power system combined with frontier technology. Based on this， this paper discusses the theory of augmented reality， virtual reality and hybrid reality technology， and studies the application methods of this kind of technology in power system， in order to provide reference for relevant personnel and promote the innovation and development of power industry.

Key words：augmented reality； virtual reality； hybrid reality； power system