數字李生與增強現實相融合的電力培訓系統研究

電力系統電氣設備運維與監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，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）、高空作業等場景易引發觸電事故。低效率：理論培訓與實踐脫節，多媒體仿真沉浸感不足，難以實現標準化考核[2]。

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

1.國內外研究現狀

1.1數字孿生技術應用進展

數字孿生技術起源于航空航天領域，近年來在工業制造、智慧城市等領域廣泛應用。部分國外企業通過數字孿生實現設備預測性維護；國內某高校團隊在電力設備數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。現有研究較少涉及數字孿生與AR的深度集成，且缺乏互聯網環境下的多終端支持。

近年來，新一代信息技術快速發展，尤其是增強現實技術和數字孿生技術，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、數字孿生方向快速變遷，實現更精細、更逼真、更生動、更專業、更友好的仿真，形成下一代變電設備運維與監控仿真培訓系統鮮明的特征。

2.系統架構與關鍵技術

數字孿生技術通過物理設備與虛擬模型的實時映射，為設備狀態監控與預測性維護提供支持[3]。增強現實技術則通過虛實疊加與實時交互，增強操作沉浸感，數字孿生與增強現實技術的結合可有效彌補傳統培訓的缺陷。但現有研究多聚焦單一技術應用，缺乏系統性集成，且在互聯網環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結合，實現電力系統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互聯網與服務器相連，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境進行交互，從而實現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

系統分為四層：

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

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。

2.3關鍵技術突破

（1）毫米級數字孿生建模

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

動態數據映射：通過OPCUA協議實時同步設備運行參數（電壓、電流、溫度），誤差 ?0.5%_?

（2）輕量化云渲染技術

模型優化：采用MeshLab對三維模型進行網格簡化（面片數減少 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，動態調 整渲染精度，使低配終端（如手機）幀 率穩定在 30FPS

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

（3）跨平臺交互協議

自適應渲染引擎：基于Unity3D開發，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通信協議，確保不同終端的操作指令同步誤差 lt;50ms

（4）動態故障模擬與考核

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。

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（基于CLIPS規則引擎）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。

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控仿真培訓系統，將云計算技術應用于虛擬仿真實訓平臺，實現資源的整合、優化和管理。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各類仿真資源，結合云渲染與混合云調度能力，為企業員工提供沉浸式、標準化的培訓體驗。企業員工培訓效率提升超 40% ，操作規范達標率顯著提高，成為行業技術創新與應用的標桿案例，吸引更多電力企業及相關行業機構關注與借鑒，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生，切實保障從業人員的生命安全。同時，借助虛擬仿真技術優化電力系統運維流程與方案，避免資源浪費，提高能源利用效率，推動電力企業綠色低碳轉型。此外，平臺的推廣應用還有助于培養高素質技能型人才，緩解行業人才短缺問題，促進產業升級與社會經濟可持續發展。

4.結束語

本研究成功構建了數字孿生與AR融合的變電設備仿真培訓系統，將虛擬仿真模型與實際設備彼此映射，形成一一對應的“數字雙胞胎”。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、異常現象工況等疊加在變電站的真實設備上，實現變電站設備的可反復操作性、交互性、真實性。還能實現一師多徒，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+ 邊緣計算優化實時渲染性能。能

參考文獻：

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

[2]李春林。基于多教學模式的電力仿真培訓平臺的設計與應用[J].電氣技術與經濟，2022.6.

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