本發明涉及智能教學評估，尤其涉及一種基于數字孿生的電器組合教學培訓方法及系統。

背景技術：

1、在電力設備運維培訓領域，組合電器因其結構復雜、操作流程精細，成為運維人員技能培訓的重要對象。傳統培訓方式主要依賴紙質教材、二維演示或現場拆解示教，存在交互性差、重復成本高、培訓周期長的問題。近年來，虛擬現實與三維仿真建模技術在教學培訓中的應用逐步拓展，部分研究嘗試通過數字建模構建組合電器結構展示平臺，實現操作流程的可視化與拆解模擬，然而這類方法多僅實現結構展示與靜態步驟提示，缺乏對操作過程的連續時序建模與智能評估能力，難以支持針對具體動作失誤進行過程溯源和技能評分。

2、在現有基于神經網絡的技能識別方法中，大多數采用靜態圖結構或規則狀態機描述設備組件關系，忽略組合電器復雜拓撲結構對操作傳播路徑與狀態演化的影響，導致建模精度不足、技能識別結果誤差大。現有液態時間神經網絡雖具備對時序動態響應的處理能力，但無法有效結合設備拓撲結構與圖式信息，難以實現結構動態感知與狀態傳播規律建模。缺乏將設備物理結構與動作時序特征統一建模的方法，也缺少基于時空偏差反饋進行技能評分與操作糾錯的機制，限制高精度、結構一致性的智能培訓系統的構建。針對上述問題，亟需提出一種融合設備拓撲建模、時序特征識別與糾錯反饋機制的教學培訓方法，以提升組合電器操作培訓的智能化與規范化水平。因此如何提供一種基于數字孿生的電器組合教學培訓方法及系統是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現思路

1、本發明的一個目的在于提出一種基于數字孿生的電器組合教學培訓方法及系統，本發明充分融合數字孿生建模、圖神經結構傳播與時序動態評估技術，詳細描述了虛實映射、電器操作過程建模與技能評分的全過程操作機制，具備結構感知強、評估精度高與糾錯反饋明確的優點。

2、根據本發明實施例的一種基于數字孿生的電器組合教學培訓方法，包括如下步驟：

3、采集組合電器運行參數數據與結構連接信息，構建設備節點集合與連接邊集合，形成表示組合電器電氣與機械連接關系的節點連接圖；

4、依據節點連接圖建立數字孿生三維結構模型，將各節點的物理屬性參數、運行狀態值與三維模型節點進行綁定，生成可同步更新的虛實映射數據集；

5、將虛實映射數據集輸入拓撲感知圖式液態時間常數網絡，對各節點生成初始狀態向量，依據連接邊權計算節點間拓撲關聯權重，形成初始拓撲狀態集合；在初始拓撲狀態集合中執行圖式狀態傳播運算，依據節點間拓撲關聯權重與路徑長度計算狀態傳播系數，生成拓撲傳播特征矩陣；在拓撲傳播特征矩陣中依據節點動作變率、狀態增量與拓撲守恒殘差信號動態計算時間常數參數，對節點狀態進行液態時間更新，生成拓撲一致狀態演化序列；將拓撲一致狀態演化序列與數字孿生三維結構模型的標準流程狀態序列進行比對，依據拓撲守恒偏差與時序偏差生成操作糾錯提示信息與技能評分結果；依據技能評分結果與糾錯提示信息，對虛實映射數據集和時間常數參數進行更新，形成滿足拓撲一致性與流程規范性的電器組合教學培訓結果。

6、可選的，所述拓撲感知圖式液態時間常數網絡的結構由輸入編碼層、節點感知初始化層、拓撲感知傳播層、液態時間調控層、狀態演化解碼層與技能評估反饋層依次組成，具體包括：

7、輸入編碼層接收虛實映射數據集中的節點物理屬性參數與運行狀態值，對物理屬性參數執行標準化，對運行狀態值進行時間序列切片處理，在切片后嵌入結構位置信息，生成初始節點表示張量；

8、節點感知初始化層接收初始節點表示張量與節點連接圖的邊集合，基于連接邊權執行圖注意力加權，構建結構相關的鄰接權重矩陣，對每個節點執行鄰域聚合操作，生成初始狀態向量集合并組成初始拓撲狀態集合；

9、拓撲感知傳播層接收初始拓撲狀態集合，依據連接邊權與路徑長度計算節點對間狀態傳播系數，構建路徑敏感的拓撲傳播矩陣，基于圖結構稀疏性執行殘差門控傳播，輸出拓撲傳播特征矩陣；

10、液態時間調控層接收拓撲傳播特征矩陣，提取節點間動作變率與狀態增量，結合拓撲守恒殘差信號執行節點時間常數計算，動態生成節點級時間常數矩陣，對拓撲傳播特征矩陣中每個節點狀態執行液態時間更新；

11、狀態演化解碼層接收液態時間更新后的節點狀態序列，執行時序卷積與層間歸一化，生成拓撲一致狀態演化序列；

12、技能評估反饋層接收拓撲一致狀態演化序列與數字孿生三維結構模型的標準流程狀態序列，執行對齊比對與相似度評估，輸出拓撲守恒偏差、時序偏差與糾錯提示信息。

13、可選的，所述節點感知初始化層具體包括：

14、接收輸入編碼層輸出的初始節點表示張量與節點連接圖中的連接邊集合，依據每條連接邊對應的起始節點索引、目標節點索引及邊權值，構建稀疏鄰接矩陣并提取節點連接索引表；

15、對每一目標節點，提取目標節點在鄰接矩陣中的相鄰節點集合及對應的邊權值，將目標節點的初始表示與鄰接節點的表示共同輸入圖式鄰域加權模塊，依據邊權值執行逐元素加權，計算各相鄰節點的連接權重；

16、將各相鄰節點的連接權重與鄰接節點的初始表示進行加權聚合，生成當前目標節點的初始狀態向量，表示節點在結構拓撲感知下的初始狀態；

17、對所有目標節點執行相同操作，生成全部節點的初始狀態向量，并組合形成初始拓撲狀態集合。

18、可選的，所述拓撲感知傳播層包括：

19、接收節點感知初始化層生成的初始拓撲狀態集合，依據節點連接圖構建鄰接路徑索引表，記錄每一目標節點對應的所有可達鄰接路徑及起始節點、目標節點、路徑長度與邊權值；

20、對每一目標節點，提取所有鄰接路徑中傳播節點的初始狀態向量，依據每條路徑的邊權值與路徑長度計算路徑傳播權重；

21、對所有傳播路徑上的狀態向量執行基于路徑傳播權重的加權求和操作，生成當前目標節點的路徑傳播狀態聚合向量；

22、將目標節點的初始狀態向量與路徑傳播狀態聚合向量按對應位置執行逐元素加權融合，融合權重由邊權值、路徑長度與連接方向的聯合函數確定，生成更新后的目標節點傳播狀態向量；

23、對全部目標節點執行上述圖式狀態傳播運算，最終形成拓撲傳播特征矩陣。

24、可選的，所述液態時間調控層包括：

25、接收拓撲傳播特征矩陣，提取拓撲傳播特征矩陣中各目標節點在連續傳播輪次下的狀態向量序列，基于相鄰時間步狀態差值計算節點間的動作變率與節點間的狀態增量；

26、構建拓撲守恒殘差信號，所述拓撲守恒殘差信號為目標節點狀態與所有鄰接節點狀態加權平均值之間的向量差值，其中加權平均值基于鄰接邊的歸一化邊權與連接方向參數聯合計算；

27、將節點動作變率、節點狀態增量與拓撲守恒殘差信號在通道維度上進行拼接，構成三分量聯合特征張量，輸入至多層感知器結構構成的時間常數計算單元，輸出節點級時間常數矩陣；

28、將所述節點級時間常數矩陣與拓撲傳播特征矩陣中每個節點的傳播狀態進行融合，采用指數門控更新機制，融合方式為將當前傳播狀態與前一輪節點狀態按對應時間常數執行加權指數更新，生成當前輪次節點狀態向量；

29、將全部節點的當前輪次狀態向量構成拓撲一致狀態演化序列。

30、可選的，所述指數門控更新機制具體包括：

31、接收拓撲傳播特征矩陣中每個目標節點在相鄰傳播輪次下的狀態向量序列，提取當前傳播輪狀態向量與前一傳播輪狀態向量，形成歷史狀態對；

32、將三分量聯合特征張量輸入至指數門控函數生成單元，基于門控函數計算得到節點級指數門控因子矩陣；

33、以每個節點對應的指數門控因子對歷史狀態向量與當前傳播狀態向量執行指數加權融合操作，生成門控融合后的節點更新狀態向量；

34、將門控融合后的節點更新狀態向量輸入至拓撲一致狀態演化序列，作為后續流程中比對標準流程狀態序列、生成糾錯提示信息與技能評分結果的基礎狀態輸入。

35、可選的，所述技能評估反饋層包括：

36、接收拓撲一致狀態演化序列與數字孿生三維結構模型中的標準流程狀態序列，標準流程狀態序列為在規定工況下電器組合各節點的理想運行狀態序列，作為教學訓練中的參考標準，具體執行下列操作：

37、對齊比對操作，對比拓撲一致狀態演化序列與標準流程狀態序列，執行節點級狀態匹配操作，首先根據節點索引將兩者進行時間步對齊；然后依據節點特征進行逐節點匹配，通過計算節點狀態之間的相似度度量，生成節點級對齊誤差序列；

38、相似度評估操作，根據節點對齊誤差序列，計算拓撲守恒偏差與時序偏差，其中，拓撲守恒偏差為節點狀態在拓撲結構上的殘差差值，時序偏差為節點狀態在時間維度上的差異度量；

39、生成糾錯提示信息，根據計算出的拓撲守恒偏差與時序偏差，設定閾值判斷規則，若某節點的偏差超出預設閾值，則生成糾錯提示信息，指出節點的錯誤類型，根據偏差大小推薦相應的操作調整策略；

40、輸出技能評分結果，依據拓撲守恒偏差與時序偏差的綜合評估結果，生成技能評分，技能評分表示當前操作與標準流程的符合度，作為對學員技能掌握情況的定量反饋。

41、根據本發明實施例的一種基于數字孿生的電器組合教學培訓系統，包括如下模塊：

42、數據采集模塊，用于采集組合電器的運行參數數據與結構連接信息，構建設備節點集合與連接邊集合；

43、數字孿生建模模塊，用于根據節點連接圖構建三維結構模型，完成物理參數與運行狀態的綁定，生成虛實映射數據集；

44、狀態初始化模塊，用于將虛實映射數據集輸入拓撲感知圖式液態時間常數網絡，生成初始拓撲狀態集合；

45、拓撲傳播計算模塊，用于在初始拓撲狀態集合中執行圖式狀態傳播，生成拓撲傳播特征矩陣；

46、時間調控模塊，用于基于拓撲傳播特征矩陣動態計算時間常數，對節點狀態執行液態時間更新，生成拓撲一致狀態演化序列；

47、技能評估模塊，用于比對拓撲一致狀態演化序列與標準流程狀態序列，輸出糾錯提示信息與技能評分結果；

48、參數更新模塊，用于根據技能評分結果與糾錯提示信息，更新虛實映射數據集與時間常數參數，輸出最終培訓結果。

49、本發明的有益效果是：

50、（1）提升結構建模的準確性與同步性，本發明通過構建設備節點集合與連接邊集合，生成能夠同時表達電氣連接與機械連接關系的節點連接圖，并基于該圖建立數字孿生三維結構模型，實現電器組合結構的高保真建模與運行狀態實時映射，提升虛實模型的一致性與同步更新能力。

51、（2）增強技能訓練的過程理解與時序引導，通過引入拓撲感知圖式液態時間常數網絡，動態計算拓撲傳播特征與節點時間常數，實現對學習者操作狀態的時序建模與拓撲一致性分析，能夠對技能動作過程進行實時跟蹤和多維評估，有效避免動作錯序、設備響應異常等隱性操作問題。

52、（3）實現糾錯提示與技能評分的精準反饋，本發明在技能評估反饋層中構建拓撲守恒偏差與時序偏差指標，配合標準流程狀態序列對比分析，自動生成針對性的糾錯提示與技能評分結果，為教學過程提供量化反饋依據與個性化修正建議，提升電器組合教學培訓的智能化水平與實操訓練效果。