基于VR技術的電力工程監理培訓系統設計分析

【關鍵詞】VR技術；電力工程監理；定位技術；物理仿真

引言

電力工程監理工作對于保障電力工程項目的順利推進和高質量完成至關重要。VR技術的出現為電力工程監理培訓帶來了新的契機，它能夠創建高度逼真的虛擬環境，讓學員在沉浸式體驗中更好地掌握監理工作所需的知識和技能。

一、電力工程監理培訓系統的基本概念

電力工程監理培訓系統是以培養和提高電力工程監理人員必備的相關專業能力和綜合素質為目的的培訓系統平臺，涵蓋電力工程監理有關的專業知識、專業技能等全面培訓內容，是保障電力工程項目質量管理成效的系統性培訓體系[1]。

二、系統架構設計

（一）“激光定位+UWB”

在復雜工業場景中，“激光定位+UWB”是解決高精度定位與廣域覆蓋之間矛盾的關鍵技術路徑[2]。

1.技術原理

激光定位是一種通過旋轉發射激光、采集反射波的方式定位，以實現終端在空間中的高精度定位，但其視距傳播限制大、設備及人體遮擋時無法工作。UWB定位采用納秒級窄脈沖信號傳輸，通過信號的到達時間和到達時間差定位。其最大的特點是傳輸通道的穿透能力強、對多徑干擾有抑制功能，能夠在非視距條件下工作，適用于大型復雜結構且覆蓋范圍大的環境[3]。

2.系統架構

激光基站需布置于培訓室高處，才能形成交叉覆蓋。實際應用中，還需重點覆蓋精細操作區（如模擬控制屏、斷路器操作臺等）。UWB錨點則需部署于空間邊緣、設備后方等激光信號易被遮擋的位置，形成“補盲”網絡。對于VR頭顯與手柄設備，則需要同時嵌入激光接收傳感器與UWB標簽，進而實現雙模信號同步采集。

（二）硬件層

基于“激光+UWB”融合定位的底層支撐，硬件系統構建三級功能實體。核心硬件組件的功能與性能配置，如表1所示。

（1）定位感知矩陣。由8組激光基站與12個UWB錨點組成空間場域感知網。激光基站（0.05 mm測距精度）布設于訓練場頂部桁架，定向覆蓋高壓設備操作區。UWB錨點（30 cm穿透能力）部署于模擬變電站構架內側，形成遮擋補償網絡。雙模信號通過時空同步控制器整合，輸出六自由度位姿數據。

（2）交互終端集群。VR頭顯設備定制化搭載120°視場角雙模透鏡，集成激光接收器與UWB標簽，支持強電磁環境下的毫米級動作捕捉。力反饋手套手指關節內置16個壓力觸點位，模擬線纜壓接（0～15 N阻力）、隔離開關操作（觸感振動頻率50 Hz）等真實工況。聲場模擬單元基于設備噪聲頻譜庫（110 kV變壓器72 dB寬頻噪聲）生成三維空間音頻。

（3）仿真響應中樞。工業級圖形服務器搭載多物理場耦合引擎（支持電磁-熱-力耦合計算），實時解析操作行為拓撲關系。當絕緣子安裝角度偏差達設定閾值（±1°）時，動態模擬電弧發展路徑與離子擴散效應（場強大于200 kV/m），同步生成設備狀態的連鎖響應（開關分合閘延時小于20 ms），精確復現故障演化的能量傳遞過程。

以斷路器操作訓練為例，系統交互流程為：學員手套觸發分閘指令→UWB系統捕捉手臂動作（即使存在遮擋）→物理引擎實時計算觸頭分離速度→力反饋裝置模擬機構卡滯感→聲場系統生成電弧爆鳴聲。上述硬件的核心創新價值體現在三點內容上。其一，精準動作捕捉。創新的UWB錨點布局有效克服遮擋干擾，大幅提升定位可靠性。其二，多模態感官協同。力覺與聽覺反饋極速響應，高保真還原真實操作感受，促進操作記憶形成。其三，強電磁環境適應性。專業屏蔽設計確保在高壓模擬環境中運行高度穩定。

（三）軟件層

1.物理引擎

此系統采用Unity DOTS架構，并通過數據導向設計與并行計算技術，進而實現2 000+實體的同步物理交互。該架構還支持全站設備聯動、多工種協同操作等復雜場景仿真，學員可實時感知設備運行振動、工具受力反饋等物理特性，場景交互真實度達91%[4]。

2.數據庫優化

在優化之前，傳統的數據存儲方式只能使10萬級監測數據查詢響應時間達到3.2 s[5]。經過優化后，10萬級監測數據查詢響應時間下降到了0.8 s，可以使得培訓管理人員在短時間內得到需要的數據信息，從而及時分析培訓情況以及做出決策。同時保障了系統在處理海量數據時的高效性與連貫性，進一步提高整個系統培訓的水平[6]。

3.網絡同步

網絡波動會直接影響學員之間交互的實時性和培訓體驗的一致性。為避免此類問題的出現，本文采用基于Photon的預測回滾算法，進而對時延抖動進行控制，并可將其控制在±18 ms的范圍內[7]。

三、系統功能模塊強化方案

（一）非穩態信號特征提取

由于電力系統運行過程中出現的非穩態信號一般是變頻率、變幅度，常規方法難以提取特征。因此本系統將采用“小波包經驗模態分解混合分解算法”進行特征的優化提取，即利用小波包分解將信號分解為多個細頻段，解決了不同頻率成分混疊的問題，再對每個分頻段使用經驗模態分解進行本征模態函數分解，解決了因采用先驗設定基函數而帶來的誤差問題，同時通過對細頻段鏡像延拓來減少末端效應，明顯減少了信號的邊緣效應。以經典型故障信號進行驗證為例，該方法能夠對混合基頻和次基頻的信號進行分解，把背景噪聲和故障特征頻率區分開，從而有效地提高信號的信噪比。例如，系統建立了大部分電力設備故障特征庫，涵蓋了如變壓器、電機等大部分主要用電設備的典型故障模式，并對其標注多種特征參數（時域包括峰值、峭度等；頻域包括諧波分布、共振頻率等）。在故障特征庫基礎上，采用深度度量學習模型來實現故障匹配，通過利用深度神經網絡對信號進行特征的高維抽取以及利用相似度進行故障模式的快速匹配，極大提高了電力系統故障診斷的診斷準確率和召回率。

（二）虛擬現實模塊

電力建筑工程信息模型包含豐富的模型數據，模型面數高達500萬，這給VR系統的實時渲染和流暢性運行造成了困難。VR系統借助BIMLOD自動優化算法，以模型和觀察者之間的距離、模型的重要程度等為基準自動調整模型精細程度，通過一系列幾何簡化算法與紋理算法，使模型面數由500萬降至80萬，在紋理壓縮過程中也實現了高達85%的紋理壓縮率，不僅有效減少了模型數據量、降低了系統內存與模型渲染負載，在保持模型在不同距離下不同觀測視角的精細程度的同時，還能夠給學員提供流暢度、視覺效果俱佳的VR訓練過程。

為提高場景的真實感，系統在動態光效方面使用體素全局光照（Voxelbased Global Illumination，VXGI）技術。在實際電力工程環境中，光線的傳輸和反射十分復雜以及會發生動態變化，優秀的光照渲染將在很大程度上提升整個場景的沉浸感，VXGI全局光照技術通過對場景中的體素進行光照計算模擬出場景光線的多次反射以及漫散射，從而渲染出更加真實、自然的光線光效。通過實際測試及優化，光線追蹤誤差率小于1.3%，表明渲染的光線和理論真實的光線場景十分接近，忽略誤差。

需要注意的是，由于電力工程涉及眾多數據源，基于不同數據源的數據在VR場景中需要相互配合以達到交互效果。為此系統中設計了時間戳對齊算法，解決不同數據源產生的不同時間在場景中對齊的問題。經實際測試，同步誤差小于5 ms，這對場景中各項數據起到良好的對齊作用，數據能在VR場景中準確體現到對應裝置上，從而給學員最新、最準確的信息。

四、系統性能測試

（一）延遲測試

為精確測量虛擬現實系統中頭部運動到光子響應的延遲時間，本文采用光電同步觸發法進行毫秒級時間標定。在VR頭顯上安裝慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和高速相機，由高速紅外相機捕獲光學傳感器所顯示的光子位移的觸發信號和IMU的輸出時鐘脈沖信號。當頭部動作發生時，頭顯上的IMU會輸出一個觸發脈沖信號作為頭部動作開始信號，而光子位移動作開始前有一個事件觸發。測試系統會同步讀取這2個脈沖信號的前沿時間，脈沖信號后前沿時間差即代表了頭部動作的延遲時間。在200 lx光線下選擇水平勻速平移動作、垂直方向升降運動、垂直方向軸轉動動作和多方向運動的動作等進行測試，每種動作測試50次。

根據測量結果，不同的運動方式會有不同的系統負載，因此所獲得的測量延時數據大致為周期性。為了更好地分析這種情況，提取其中200個有效的數據做對比分析，得到表2所示數據?？梢钥闯觯诟鱾€不同的運動方式下，由于引力無法作用于水平運動，故獲得最小的延時時間10.1 ms。垂直運動則受到重力補償程序的影響，故獲得最長的平均延時時間11.2 ms。旋轉軌跡由于角速度檢測的非線性關系使得數據分散度最高?；旌线\動軌跡由于存在自由度耦合運算，因此獲得最長的延時時間，最終得到系統延時平均時間為12.3 ms。

（二）物理仿真精度

以斷路器分合閘操作為例，對實測與仿真的斷路器分合閘時間進行了對比。在實際電力工程中，斷路器的分合閘時間有著嚴格的規定和標準，其操作時間的準確性直接關系到電力系統的安全穩定運行。通過實際測試和系統仿真，發現實測與仿真的斷路器分合閘時間差控制在±0.8 ms以內。這一極小的時間差表明系統的物理仿真精度極高，能夠準確模擬斷路器在實際操作中的時間特性。學員在VR培訓系統中進行斷路器分合閘操作時，所感受到的時間延遲和操作節奏與實際情況高度一致，使得他們能夠更好地掌握正確的操作流程和時間把控，為今后在實際工作中準確操作斷路器打下堅實的基礎[8]。

（三）培訓效果評估

為科學評估基于VR技術的電力工程監理培訓系統效果，采用Kirkpatrick四級評估模型。其一，行為層評估顯示，參訓人員的事故現場處理速度獲得明顯提升。這歸功于VR系統提供的大量模擬訓練，使學員熟悉了各類事故場景與應對流程，從而在實際工作中能更迅速、準確地響應，有效縮短事故處理時間。其二，結果層評估以具體項目為印證，監理問題發生率顯著下降。這充分證實，通過VR系統培訓，監理人員的現場工作質量得以提升，問題識別與解決能力增強，因監理疏漏導致的問題減少，為項目順利實施提供了有效保障。

結語

基于VR技術的電力工程監理培訓系統，憑借創新架構與多元功能模塊，打破傳統培訓局限。它為學員營造逼真的情境，提升學員實操能力，促進知識的掌握；不僅助力個人職業成長，還為電力行業培育出高素質監理人才。隨著技術持續進步，該系統有望在電力工程監理培訓領域發揮更大效能，推動行業穩健發展。

參考文獻：

[1] Yalamu P， Mahmud A， Chua C. Investigating culture and resourcesensitive technologyenabled learning[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies， 2025（18）：8599.

[2] 王文君，杜清杰.電力工程監理管控平臺的應用研究[J].建設監理，2024（10）：6971.

[3] 王晨曉.基于智能控制技術的BIM工程監理與預警分析[J].集成電路應用，2024，41（03）：386387.

[4] 徐選鋼.電力工程施工監理工作開展現狀以及有效策略[J].電氣技術與經濟，2024（01）：235237.

[5] 卞翔.VR技術在電力工程監理培訓系統中的應用研究[J].江西電力職業技術學院學報，2023，36（10）：810.

[6] 徐行，李云龍.基于RFID技術的電力工程監理人員需求回溯識別方法[J].信息與電腦（理論版），2023，35（14）：178180.

[7] 劉革明，李園園，戴光武，等.基于IEC61850905的分布式區域縱聯保護[J].電氣自動化，2017，39（05）：6568.

[8] 陳竹永，朱明江，葉詠青.信息化技術在電力工程監理流程優化中的應用[J].電子技術，2024，53（09）：162163.