增强现实(AR)技术在电网培训中的运用

(国网重庆市电力公司 技能培训中心，重庆 400053)

在面向变电设备运维人员的培训方面，电力培训机构主要采用理论培训、师傅带徒弟、基于真实设备的实训，以及基于多媒体和桌面虚拟现实的仿真培训等方式开展技术技能培训工作。它虽能一定程度上满足设备运维人员的培训需求，但培训形式枯燥，在真实感方面和物理设备仍存在一定的差距，用户通过鼠标和键盘操作烦琐，交互体验不佳，实训方式还存在缺乏专业性指导和辅助信息支持的问题。因此，需要将电力培训仿真中的虚拟场景和设备等与真实的运维场景相融合，而增强现实(augmented reality，AR)技术是当前研究的热点技术，它正好可满足这一电力培训需求。

本文总结分析变电运维一体化仿真、多媒体培训和AR等最新技术成果，提出基于AR的变电设备运维仿真培训方案，论述了面向变电设备的实时追踪、三维注册、人机交互和虚实融合等关键技术，并结合已建设智能变电站实训系统，可实现真实场景与虚拟信息，即“虚实融合”的培训情境，全面提升变电设备运维培训的学习、认知及培训效果。

1 AR领域最新成果

1.1 AR技术简介

AR技术的技术特点是，构建全三维、高仿真、沉浸化、交互式的安全生产实操场景，以规范化的操作规程和电力安全规程为主线，把危险点、注意事项和安全措施等设置为重点，对安全生产流程进行虚拟仿真，逼真模拟安全生产工作的全过程。并通过动作捕捉系统和3D立体投影系统实现虚拟人与变电站仿真场景进行交互的安全操作和培训，让学员体会不同的操作所产生的不同后果，加深对安全生产及事故后果的理解，提高培训效果。

1.2 建模领域

建模技术正朝着网络化、智能化、协同化、集成化和可视化方向发展。可视化建模随着计算机三维显示的普及涌现出了许多先进技术，如变量化和虚拟产品建模技术等。这些可视化新技术使得建模领域的新成果得以更广泛的应用。

目前国外在传统三维建模软件的研究领域占据着主导地位，覆盖工业设计、消费娱乐等多个环节。国内的三维建模软件与国外同行业相比虽处于低端水平，主要面向特定的工业环境，但在核心技术上也有一定的积累，并面向工业环境开发出了一系列高效的三维建模软件。由于三维模型为虚拟模型，很难用于计算机识别和匹配实体设备，因此需要进一步构建计算机可识别的全景扫描模型。

1.3 目标识别领域

在图像特征提取的基础上，AR通过特征匹配技术来识别目标，特征匹配方法可以按两种方式分类，即根据判别依据或根据目标类型来分类。其中，判别依据包括几何、拓扑和语义等方面的，对应的方法称为几何匹配、扑拓匹配和语义匹配等。典型的匹配有Chamfer匹配、Borgefors匹配、基于Hausdorff距离的匹配和基于中值最小二乘的曲面匹配等。

1.4 虚实融合显示领域

为了达到强烈的真实感和临场感体验，就需要精细的三维模型和复杂的渲染计算。AR技术通过摄像机采集的图像真实地反映了现实场景，减少了场景的建模和渲染工作量，因而是轻量级且真实感强的增强技术。

1.5 人机自然交互领域

随着机器视觉、人工智能、模式识别和计算机图形学等领域的发展，基于计算机视觉的自然人机交互技术越来越受到学术界和工业界重视。微软公司在2010年推出了Kinect体感交互设备，将基于深度传感器的自然人机交互带入寻常百姓中，之后又推出了Kinect2.0设备。2013年Leap公司发布LeapMotion体感控制器，LeapMotionController控制器是一款USB设备，通过红外LED和两个在黑色玻璃下的摄像头来感知双手在空气中的自然移动，精确跟踪手和手指的运动，感应的精度可以达到百分之一毫米级别，以超过200帧/s的速度追踪手部移动。

2 AR技术在电网培训中的应用分析

2.1 培训应用场景

在培训中，AR技术可应用于操作培训、巡视培训、试验培训等现场作业培训。根据培训要求，分为指导、训练、考核3种模式。

指导：通过三维模型及视频详细讲解操作步骤。

训练：除讲解操作步骤外，还提供环境模拟、用户训练实时指导及记录用户操作等功能。

考核：不提供讲解，只提供环境模拟、记录用户操作等功能。后续考核者可根据现场操作记录结合视频给出训练者考核成绩，并结合视频给出操作改进建议。

2.2 变电操作作业培训应用

可穿戴变电操作作业培训应用具有操作准备、接令培训、执行操作培训、操作任务导入、远程协助等功能。利用AR技术使变电站操作人员准确掌握操作标准，通过推送操作视频、3D展示操作视频，培训操作人按标准步骤完成操作任务。

3 AR技术在重庆电网培训中的探索

3.1 AR技术在电网培训中的案例

国网科东公司为广东电网有限责任公司教育培训评价中心开发了一套“3D弧幕沉浸式仿真培训系统”。该系统以基于投影的沉浸式视觉展示硬件系统为视觉展示平台，与仿真软件相结合，营造一种身临其境的立体体验环境。同时，配合动作捕捉技术，使得学员能够用肢体动作控制仿真软件中的虚拟人物进行仿真操作，实现了在虚拟仿真环境下沉浸式操作与体验，取得了良好的培训效果。

目前，重庆电网还未将AR技术应用于电网培训，仍然采用传统的培训方式进行培训。重庆电力公司可以利用AR技术，结合已建设的重庆变电站实训系统，构建虚实融合、自然交互、形象逼真和专业高效的仿真培训情境，在较短的时间内提高相关受训人员的工作技能，加快高水平“大运行”和“大检修”体系下运行维护人才队伍的建设，保证电网安全、可靠和优质运行。

3.2 硬件结构

基于AR技术的变电设备运维仿真培训系统硬件架构(见图1)包括，实训现场的N台变电设备实物、N个AR头盔、培训管理服务器以及无线路由器。AR头盔是AR的必备设备，采用微软Hololens，利用其双目立体视觉三维感知单元进行空间定位识别、目标设备识别、跟踪和注册，将虚拟空间融入实际空间。通过手势识别和语音识别等方式识别受训人员的操作手势和声音命令，形成良好的人机交互AR环境，实现受训人员的学习、操作培训和操作考核交互。培训管理服务器通过无线路由器与各个AR头盔系统进行无线通信，实现AR头盔系统的培训和考核的控制和记录。

图1 变电设备运维仿真培训系统硬件架构

3.3 软件结构

基于AR技术的变电设备运维仿真培训软件系统(见图2)采用C/S模式，AR头盔客户端通过虚拟融合显示、空间定位和空间识别等AR关键技术，呈现培训内容并生成培训环境。包括理论知识培训、理论知识考核、虚拟操作培训、虚拟操作考核和培训反馈部分。服务器端培训管理系统负责对整个系统的运行进行控制、监督、记录、协调培训过程。

图2 变电设备运维仿真培训软件系统

3.4系统功能

3.4.1 基于AR的变电设备运维学习模型建模

建立基于AR的变电设备运维学习环境，将虚拟场景叠加到变电设备实训系统的真实场景之上，进行融合显示。在受训人员头盔的显示器上通过图文、视频、音频、动画、模型等方式，展示变电设备运维通用规则、手册、设备工作原理、技术参数、检修、检测、运行等知识。

3.4.2 基于AR的变电设备运维学习虚拟融合和交互展示

基于AR的运维学习过程，需要将与学习内容有关的虚拟的检修、检测和运行场景叠加到真实场景之上，进行融合显示技术，产生真实感和沉浸感。并且通过对受训者语言和手势动作的捕捉，完成人与系统的交互，可根据用户的命令改变展示内容。

3.4.3 基于AR的变电设备运维流程训练模型建模

基于AR的变电设备运维训练环境，包括原有的实训环境和增加的虚实结合的训练环境。

基于AR的变电设备运维培训训练模型如图3所示。在实际操作和虚拟操作训练模式下，学习活动是一个不断重复训练的过程。

图3 变电设备运维培训训练模型

4 结语

AR技术日益完善，使得其在电网培训中的应用成为了可能。现阶段传统的实际设备的培训方式不仅造成资源的浪费，而且电网设备更新速度快，这不仅增加了经济方面的开销，还会花费大量的人力资本。而本文所提出的AR技术在电网培训中的探索方式恰好有效地解决了上述问题。由此可见，AR技术在电网培训中具有很好的发展前景。

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