數(shù)字李生與增強現(xiàn)實相融合的電力培訓系統(tǒng)研究

電力系統(tǒng)電氣設備運維與監(jiān)控仿真培訓中涉及大型變電站和大型變電設備，具有明顯的“三高三難”特征[，高風險、高投入、高消耗、難實施、難觀摩、難再現(xiàn)，以SF6斷路器為例，單次開合壽命僅2000至3000次，單臺設備成本高達20萬元。高風險：高電壓（220千伏及以上）、高空作業(yè)等場景易引發(fā)觸電事故。低效率：理論培訓與實踐脫節(jié)，多媒體仿真沉浸感不足，難以實現(xiàn)標準化考核[2]。

本研究以220千伏智能變電站實訓基地為原型，構建數(shù)字孿生與AR融合的仿真培訓系統(tǒng)，突破高精度建模、跨平臺兼容性及云渲染優(yōu)化等關鍵技術，為電力行業(yè)人才培養(yǎng)提供創(chuàng)新路徑。

1.國內外研究現(xiàn)狀

1.1數(shù)字孿生技術應用進展

數(shù)字孿生技術起源于航空航天領域，近年來在工業(yè)制造、智慧城市等領域廣泛應用。部分國外企業(yè)通過數(shù)字孿生實現(xiàn)設備預測性維護；國內某高校團隊在電力設備數(shù)字孿生建模方面取得突破，但多集中于單一設備，缺乏變電站級系統(tǒng)化應用。

1.2AR技術在電力培訓中的應用

微軟HoloLens2與谷歌Glass2推動了AR技術普及。現(xiàn)有研究較少涉及數(shù)字孿生與AR的深度集成，且缺乏互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的多終端支持。

近年來，新一代信息技術快速發(fā)展，尤其是增強現(xiàn)實技術和數(shù)字孿生技術，硬件設備和軟件平臺相關的技術日漸成熟，推動計算機仿真技術從二／三維仿真向虛擬仿真、數(shù)字孿生方向快速變遷，實現(xiàn)更精細、更逼真、更生動、更專業(yè)、更友好的仿真，形成下一代變電設備運維與監(jiān)控仿真培訓系統(tǒng)鮮明的特征。

2.系統(tǒng)架構與關鍵技術

數(shù)字孿生技術通過物理設備與虛擬模型的實時映射，為設備狀態(tài)監(jiān)控與預測性維護提供支持[3]。增強現(xiàn)實技術則通過虛實疊加與實時交互，增強操作沉浸感，數(shù)字孿生與增強現(xiàn)實技術的結合可有效彌補傳統(tǒng)培訓的缺陷。但現(xiàn)有研究多聚焦單一技術應用，缺乏系統(tǒng)性集成，且在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的多終端支持與共享能力不足。

2.1技術路線

受訓人員通過佩戴的AR頭盔上的鏡片能看到培訓現(xiàn)場實際場景的同時，還可以看到疊加在實際場景中的虛擬場景，建立逼真的增強現(xiàn)實培訓場景。整體設計步驟如下：

（1）為AR構建計算機能夠識別的變壓器、斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、母線等一次電氣設備模型。

（2）學員通過佩戴的AR頭盔上的雙目立體視覺三維測量與識別系統(tǒng)結合，實現(xiàn)電力系統(tǒng)中電氣一次設備空間定位、AR頭盔空間定位和跟蹤，快速識別需要巡視、操作或者維護的電氣設備。

（3）通過5G互聯(lián)網(wǎng)與服務器相連，將服務器上的虛擬場景加載于實際設備上。

（4）通過與可穿戴設備的交互、圖形學等方式，計算機可識別人體語言，并轉換為可操作性指令與智能設備和環(huán)境進行交互，從而實現(xiàn)學員可對該虛擬設備進行巡視、操作或者維護。

（5）將交互結果與服務器相連，通過服務器實現(xiàn)設置好的程序，以此判斷學員操作的正確性。

2.2總體架構

系統(tǒng)分為四層：

數(shù)據(jù)采集層：通過三維激光掃描獲取變電站點云數(shù)據(jù)，結合設備設計圖紙構建高精度數(shù)字孿生模型。

云服務平臺：采用分布式存儲與計算，支持多用戶并訪問及實時渲染。

交互層：集成AR眼鏡、移動終端支持手勢識別、語音指令及多模態(tài)反饋。

應用層：提供設備巡視、倒閘操作、故障處理等實訓模塊，并嵌入標準化考核系統(tǒng)。

2.3關鍵技術突破

（1）毫米級數(shù)字孿生建模

外部結構：采用三維激光掃描獲取變電站整體點云數(shù)據(jù)（單站掃描耗時^lt;8 小時），通過Geomagic Wrap 軟件進行逆向建模。

動態(tài)數(shù)據(jù)映射：通過OPCUA協(xié)議實時同步設備運行參數(shù)（電壓、電流、溫度），誤差 ?0.5%_?

（2）輕量化云渲染技術

模型優(yōu)化：采用MeshLab對三維模型進行網(wǎng)格簡化（面片數(shù)減少 60% ），紋理壓縮（分辨率降至2K）。

渲染策略：基于視錐體裁剪與 LOD（LevelofDetail）技術，動態(tài)調 整渲染精度，使低配終端（如手機）幀 率穩(wěn)定在 30FPS

成本控制：采用阿里云彈性計算（ECS）實例，服務器成本較傳統(tǒng)方案降低 60%_o

（3）跨平臺交互協(xié)議

自適應渲染引擎：基于Unity3D開發(fā)，支持OpenGLES3.0 （移動端）與DirectX12（PC端）雙渲染管線。

瀏覽器兼容：通過WebAssembly技術實 現(xiàn)Chrome、Firefox、Edge等主流瀏覽器的無縫適配。

交互一致性：定義標準化JSON通信協(xié)議，確保不同終端的操作指令同步誤差 lt;50ms

（4）動態(tài)故障模擬與考核

故障庫：內置12類典型故障（如絕緣擊穿、斷路器拒動、母線短路），支持學員自主觸發(fā)。

處置流程記錄：通過時間戳日志記錄操作步驟，結合專家系統(tǒng)（基于CLIPS規(guī)則引擎）進行自動評分。

多場景切換：可模擬不同天氣（雷雨、冰雪）與負荷條件 （峰值、低谷）下的設備狀態(tài)。

3.教學培訓應用前景與社會效益

（1）教育革新

面向220千伏智能變電站的運維與監(jiān)控仿真培訓系統(tǒng)，將云計算技術應用于虛擬仿真實訓平臺，實現(xiàn)資源的整合、優(yōu)化和管理。通過云計算平臺，可以將各個實訓教學資源進行集中管理和共享，避免資源的浪費，使虛擬仿真實訓教學更加高效和靈活。

（2）行業(yè)推廣

虛擬仿真實訓云平臺憑借先進的技術架構與卓越的應用效果，在行業(yè)內得到廣泛認可與推廣。平臺通過資源集成技術整合電力系統(tǒng)各類仿真資源，結合云渲染與混合云調度能力，為企業(yè)員工提供沉浸式、標準化的培訓體驗。企業(yè)員工培訓效率提升超 40% ，操作規(guī)范達標率顯著提高，成為行業(yè)技術創(chuàng)新與應用的標桿案例，吸引更多電力企業(yè)及相關行業(yè)機構關注與借鑒，加速虛擬仿真技術在能源領域的普及應用。

（3）社會價值

在電力系統(tǒng)領域，平臺通過虛擬仿真培訓，大幅提升運維人員的操作熟練度與應急處理能力，顯著降低因人為操作失誤導致的安全事故風險，有效減少人身傷亡事故的發(fā)生，切實保障從業(yè)人員的生命安全。同時，借助虛擬仿真技術優(yōu)化電力系統(tǒng)運維流程與方案，避免資源浪費，提高能源利用效率，推動電力企業(yè)綠色低碳轉型。此外，平臺的推廣應用還有助于培養(yǎng)高素質技能型人才，緩解行業(yè)人才短缺問題，促進產(chǎn)業(yè)升級與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

4.結束語

本研究成功構建了數(shù)字孿生與AR融合的變電設備仿真培訓系統(tǒng)，將虛擬仿真模型與實際設備彼此映射，形成一一對應的“數(shù)字雙胞胎”。將虛擬圖像疊加在變電站的真實設備上，即將變電站正常運行時的各種工況、異常現(xiàn)象工況等疊加在變電站的真實設備上，實現(xiàn)變電站設備的可反復操作性、交互性、真實性。還能實現(xiàn)一師多徒，從而提高學員使用過程的效率，解決培訓過程中高成本、高風險與低交互性難題。

未來還可引入人工智能算法，實現(xiàn)故障自主診斷與培訓方案個性化推薦，并探索 5G+ 邊緣計算優(yōu)化實時渲染性能。能

參考文獻：

[1]教育部科技發(fā)展中心。職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南，2021.8.

[2]李春林?；诙嘟虒W模式的電力仿真培訓平臺的設計與應用[J].電氣技術與經(jīng)濟，2022.6.

[3]高賽。數(shù)字孿生的變電站巡檢系統(tǒng)數(shù)字化模型，華北電力大學，2022.作者單位：鄭州電力高等專科學校