CN104090816B - 一种特高压钢管塔仿真培训系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特高压钢管塔仿真培训系统及方法，包括：依次连接的数据层、中央处理器、应用层以及若干分布式操作终端；数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；应用层包括：设计模块；加工模块；施工模块；试题考核模块；模拟考核模块。本发明有益效果：本发明利用三维展示、虚拟仿真直观展示特高压钢管塔设计、加工、施工中不可见部分和钢管塔工程应用关键技术，实现图像化和可视化培训，提高受训人员对理论的理解和掌握，缩短培训时间。
Description
技术领域
本发明涉及电网技术技能培训，尤其涉及一种特高压钢管塔设计、加工及施工的仿真培训系统及方法。
背景技术
随着我国能源战略西移，特高压长距离、大容量、低损耗输送电力的特点成为远距离输电的首选，发展特高压输电技术已经纳入国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要。特高压输变电架设中，大负荷杆塔大部分开始采用钢管塔。而钢管塔设计、加工工艺和质量对塔的服役稳定性具有非常重要的影响。同时，钢管塔的重量大、塔基根开大、塔身高，这对组立施工人员的技术水平和经验要求极高，而目前我国施工人员数量庞大，知识水平参差不齐。因此，对于针对特高压钢管塔设计、加工、施工专业知识及新技术应用等方面培训的需求日益增加并更为迫切。以往对于特高压钢管塔设计、加工施工技术人员和管理人员的培训方式只能以图片、文字、讲师讲解、汇报等形式展开，这种传统的培训方式存在以下缺点：
1)传统培训方式形式单一，多理论灌输，不够直观形象，较为枯燥。需要投入很大的资金和时间。培训时间和成本高。
2)贯穿设计、加工、施工流程的整体效果不全面，培训可视化细节不够，受训人员理解不深入，培训效率不高。
3)传统方式多为集中培训和考核，受训人员不能自主安排培训时间、培训内容及培训频率，自由度低，缺少互动性。
4)因设备、场地、时间等限制，现场实训机会少，培训中不能满足受训人员对设计、加工、施工等重要操作进行实地演练的需要。客观条件限制下，受训人员需要等待实地培训机会，人员整体技术水平和实际作业水平无法得到提升。
5)在一些实际现场培训中，由于操作故障、误操作等原因，可能带来设备损耗、人身伤亡等事故，安全隐患风险高。
6)钢管塔设计、加工、施工未形成系列化、标准化、流程化培训机制，各培训内容无连续性，培训、考核未形成统一整体。
综上，为增加实践感受、强化培训效果从而从根本上提升受训人员技术水平，采用虚拟仿真技术进行人员培训成为一种高效、新颖、互动性高、参与性强的培训模式。我国已成功研制出多套仿真培训系统，如变电站仿真培训、化工仿真培训，输配电线路施工仿真培训系统。四川大学制造科学与工程学院研发的铁塔虚拟预组装系统，基于Pro/E软件来进行铁塔虚拟预组装，验证在实际装配中零件之间出现干涉和孔位错误现象。南京工程学院研发的基于三维图形引擎的铁塔组立虚拟施工系统，是在可视化的虚拟施工系统平台上进行组织设计、评价确定铁塔吊装方案，并对方案进行交底或预演。但是到目前为止，国内还没有一套专门针对输电线路建设中特高压钢管塔设计、加工、施工三方面技术培训需求进行开发的仿真培训系统，单纯通过建模软件创建的铁塔、工器具等模型，不能完全从视觉上高度还原真实景观，仿真系统中未提供进行针对特高压钢管塔加工、施工仿真交互模拟演练和试验模块和功能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种特高压钢管塔仿真培训系统及方法，该系统及方法使得培训人员可以互动参与特高压钢管塔设计、加工及施工学习过程，学员能够自由安排培训项目，允许学员在培训仿真培训系统学习中发生各种错误，同时演示出因为操作错误造成的种种后果且不会带来任何实际危害，还可以制造各种不同的工况来提高培训操作人员实际处理问题的能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种特高压钢管塔仿真培训系统，包括：数据层、中央处理器、应用层以及若干分布式操作终端；
所述数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；
所述应用层包括：
设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选择、节点与标准化设计、构件计算内容分别进行模拟演示；
加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示焊接工艺仿真动态效果；
施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容进行图像化和可视化的模拟操作，并能够对运输工器具进行选择；
试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考核测评；
模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模拟操作考核测评；
所述数据层与中央处理器进行通信，中央处理器与应用层的各模块以及分布式终端分别通信。
所述加工模块中钢管塔焊接标准化工艺包括：机加工、焊接和镀锌。
所述施工模块中铁塔组立施工包括：内悬浮外拉线抱杆组塔、S×D160塔基组塔、外拉线落地抱杆组塔、双平臂下顶升抱杆组塔和双平臂上顶升抱杆组塔。
所述特高压钢管塔仿真用的各种设备的三维模型包括：钢管塔、抱杆、工器具、机具高精度三维模型，具有颜色、质感、规格属性信息。
所述试题考核模块和模拟考核模块自动实时进行考核时间统计，并对考核内容的正确性进行自动评分。
所述仿真培训系统基于Unity3D图像引擎和Pro/E建模，能够进行钢管塔组立施工方案三维动画培训和抱杆安装、拆卸交互模拟操作，并针对错误操作、限距、过载情况进行风险预警或提示。
一种特高压钢管塔仿真培训系统的方法，包括：
所述仿真培训系统包括分别对特高压钢管塔设计、加工以及施工的模拟培训形式，每一种培训形式都分为模拟部分和考核部分；
在进行特高压钢管塔设计或加工模拟培训时：分别调取仿真数据库中用于模拟特高压钢管塔设计以及焊接标准化工艺的数据，将所述数据存储至前台第一数据缓存区；根据操作终端的实际要求，调取前台第一数据缓存区的相关数据进行展示；
在进行特高压钢管塔施工模拟培训时：
调取仿真数据库中用于模拟铁塔组立施工过程的数据，将所述数据存储至前台第二数据缓存区；
根据操作终端的实际要求，调取前台第二数据缓存区的相关数据，利用分形算法建立虚拟三维施工场景，建立高精度钢管塔施工相关的工器具数学模型，并为每个数学模型设置用于接收信息并作出反应的反应器，设置各数学模型之间的逻辑控制关系；将所述工器具数学模型导入到虚拟三维施工场景中；
根据各数学模型之间的逻辑控制关系，将现场施工的实际操作步骤转化为开发平台下的程序逻辑算法，在虚拟的三维环境中模拟现场施工操作过程。
所述每一种培训形式的考核部分均分为试题考核和模拟考核；具体方法为：
分别调取试题数据库和模拟操作数据库中相应的数据，将所述数据存储至前台第三数据缓存区；
对于试题考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关试题数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，对操作终端返回的数据内容进行打分，如果分数超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败；
对于模拟考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关操作数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，记录操作终端的每一个操作触发事件并打分，所有操作完成后统计最后得分，如果所述最后得分超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败。
所述每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统能稳定输出结果；所述反应器的精度可调，且在可调范围内连续且收敛，保证模拟结果的精细程度和系统运行速度平衡协调。
所述仿真培训系统包括单机培训和网络培训两种形式；单机培训时，分布式操作终端与中央处理器直接连接；网络培训时，分布式操作终端与中央处理器通过网络进行互联。
本发明使用C#语言进行逻辑编程，使用成熟的三维可视化平台作为展示工具。为尽可能利用现有技术平台和硬件环境，系统开发采用C#脚本语言，是一种面向对象的高级程序设计语言，支持强类型检查、数组维度检查、未初始化的变量引用检测、自动垃圾收集等，具有较强的编程生产力。使用三维可视化平台，提高仿真软件运行效率。降低对硬件配置的需求。可以充分利用已有软硬件资源，节约平台研发成本。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用三维展示、虚拟仿真直观展示特高压钢管塔设计、加工、施工中不可见部分和钢管塔工程应用关键技术，实现图像化和可视化培训，提高受训人员对理论的理解和掌握，缩短培训时间。
2.本发明提供近似真实环境的特高压钢管塔焊接、施工操作环境和操作工况，模拟故障，通过反复操作演练，短时间内积累施工经验，迅速提高受训人员技能水平和故障处理能力，增强安全风险意识；提供三维动画展示、仿真操作、游戏通关等多种培训模式，增强培训趣味性，提高受训人员主动性、乐趣性，寓教于乐。
3.发明可应用于多个分布式终端，分布式终端最终可以分别与中央处理器连接。给学员提供多样的知识展现形式，避免了遗忘填鸭式的被动接受知识模式。中央管理和分布式终端模式，自主选择培训方式、安排时间，自由度高、灵活性强。
4.特高压钢管塔设计、加工及施工仿真系统，即保持各模块独立性，又有效衔接从钢管塔设计到组塔的系列化解决方案，建立流程化、一体化管理模式，便于高效统一的培训管理，提高培训效率，系统的设计及应用可以提高整体特高压建设技术水平。
附图说明
图1为本发明特高压钢管塔仿真培训系统整体结构示意图；
图2为本发明钢管塔组立施工模块框架；
图3为本发明钢管塔组立施工培训方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
本发明涉及一种特高压钢管塔设计、加工及施工的虚拟现实技术仿真培训系统，如图1所示，包括：数据层、中央处理器、应用层以及分布式操作终端；
数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；
特高压钢管塔仿真用的各种设备的三维模型包括：钢管塔、抱杆、工器具、机具高精度三维模型，具有颜色、质感、规格属性信息等。
应用层包括：
设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选择、节点与标准化设计、构件计算内容以游戏通关的形式进行模拟；
加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示动态焊接施工效果；钢管塔焊加工标准化工艺包括：机加工、焊接和镀锌。
施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容图像化和可视化，并能够对运输工器具进行选择；铁塔组立施工包括：内悬浮外拉线抱杆组塔、S×D160塔基组塔、外拉线落地抱杆组塔、双平臂下顶升抱杆组塔和双平臂上顶升抱杆组塔。
试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考核测评；
模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模拟操作考核测评。
试题考核模块和模拟考核模块自动实时进行考核时间统计，并对考核内容的正确性进行自动评分。
图2所示为钢管塔组立施工模块示意图，其中，培训教室是知识库以文字、图片、音频等多种方式存储，界面按照3节目录结构管理，内容涵盖施工准备、现场布置、施工安全、抱杆简介、方案简介、劳动组织、安全管理、质量保障等基础知识已多媒体形式介绍。对抱杆结构、抱杆安装、分解组塔、抱杆拆卸等涉及到抱杆操作的技术要点，通过视频三维动画方式进行详细讲解。
培训学习完成后可进入培训考核，通过虚拟的三维环境中进行自主漫游，通过物理引擎触发器激活操作关键点进行可视化模拟操作，体验现场高度感和沉浸感，以人机交互的方式完成抱杆安装、拆卸模拟考核。也可以对安全、质量、施工机具进行试题测试，对安全、质量控制措施的针对性和可操作性进一步完善和补充，强化知识点，模拟操作和试题考核配有评分机制和实时计时，考核结束，通过时间和分值给出直观评价。
利用模块化软件开发将特高压钢管塔设计包含的设计原则、塔型选择、节点与标准化设计、构件计算等内容以游戏攻关、课件讲结合介绍钢管塔设计内容；加工模块仿真模拟了钢管塔焊接标准化工艺，学员通过定义工艺参数和动作来观察效果；施工模块使铁塔组立施工过程的图像化和可视化，比较完整的反映出钢管塔施工的技术作业情况，并自行对工器具进行选择。
针对钢管塔设计、加工及施工和验收人员开发钢管塔加工工艺流程、质量控制和验收的培训模块，钢管塔的焊接标准化流程操作三维动画模拟和仿真模拟演练，自主的虚拟漫游模式、多角度的视觉体验。
本发明可应用于多个分布式终端，分布式终端最终可以分别与中央处理器连接。本发明可以给学员提供多样的知识展现形式，避免了遗忘填鸭式的被动接受知识模式。
仿真培训系统基于Unity3D图像引擎和Pro/E建模，进行5种钢管塔组立施工方案三维动画培训和5种抱杆安装、拆卸交互模拟操作，自主的虚拟漫游模式、多角度的视觉体验。针对错误操作、限距、过载情况进行风险预警或提示。
开发的虚拟现实技术仿真系统培训内容介绍设计、加工及施工中相关新技术、新工艺和新材料的推广应用课程，提供工程实例实操演练，解决钢管塔工程应用的关键技术培训。
系统具有友好的界面，操作性方法简单。针对交互模拟操作不熟悉的人员，加入操作录屏可视化和引导，提高操作应用性，本系统可以集中培训、也可以远程培训。
如图3所示，特高压钢管塔设计、加工及施工的虚拟现实技术仿真培训的方法具体为：
仿真培训系统包括分别对特高压钢管塔设计、加工以及施工的模拟培训形式，每一种培训形式都分为模拟部分和考核部分；
在进行特高压钢管塔设计或加工培训时：
分别调取仿真数据库中用于模拟特高压钢管塔设计以及焊接标准化工艺的数据，将所述数据存储至前台第一数据缓存区；根据操作终端的实际要求，调取前台第一数据缓存区的相关数据进行展示；用于模拟特高压钢管塔设计的数据主要以图片结合文字说明的形式进行展示，用于模拟特高压钢管塔焊接标准化工艺的数据主要以图片、三维动画及文字说明的形式进行展示。
在进行特高压钢管塔施工培训时：
调取仿真数据库中用于模拟铁塔组立施工过程的数据，将所述数据存储至前台第二数据缓存区；根据操作终端的实际要求，调取前台第二数据缓存区的相关数据，利用分形算法建立虚拟三维施工场景，建立高精度钢管塔施工相关的工器具数学模型，并为每个数学模型设置用于接收信息并作出反应的反应器，并设置各数学模型之间的逻辑控制关系；将所述工器具数学模型导入到虚拟三维施工场景中；
将现场施工的实际操作步骤转化为开发平台下的程序逻辑算法，实现在虚拟的三维环境中模拟现场施工操作过程。
具体实现过程如下：
根据项目需求和调研、测绘结构，使用proE制作高精度钢管塔、工器具、机具模型。建立三维施工场景，添加场地、树木等环境材质，设计光线。完成场景设置。虚拟场景设计采用分形算法，实现自然景观与模型的优化。
如建立抱杆、吊车、塔机、牵引机、张力机、绞磨等工器具的数学模型，并为每个数学模型设置反应器，通过信息传递通道，接收信息并作出反应。每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统最终能稳定输出结果。反应器的精度应是可调的，且在可调范围内都连续且收敛的，保证模拟结果的精细程度和系统运行速度平衡协调。
使用三维开发软件建立虚拟施工场景。将创建的高精度模型导入Unity3D图像引擎中，使用引擎对三维场景进行实时渲染。添加材质，调制比例。采用LOD技术(Levels ofDetail的简称，分层显示技术)，对场景细节进行描述。Unity3D图像引擎可以将三维模型(如铁塔、滑轮、牵引机等)直接导入，贴图转换为U3D格式,提高场景构建效率。
U3D内置干涉检查算法，其中表面碰撞组件可以对不规则物体之间的干涉进行检查以实现虚拟场景更加接近现实场景中物体之间的物理关系。
使用Unity3D内置录像机功能，通过自主研发程序脚本，控制录像机位置，对当前观察物体进行三维坐标空间录像，通过部件的相对位置，运动方式、时间等，设置摄像机的镜头和运动路线，实现了从不同角度和位置观察模拟施工的过程。
导出过程序列帧图片。利用AE等特效软件合成，添加效果、配音添加等，形成动画。
每一种培训形式的考核部分均分为试题考核和模拟考核；具体方法为：
分别调取试题数据库和模拟操作数据库中相应的数据，将所述数据存储至前台第三数据缓存区；
对于试题考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关试题数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，对操作终端返回的数据内容进行打分，如果分数超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败；
对于模拟考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关操作数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，记录操作终端的每一个操作触发事件并打分，所有操作完成后统计最后得分，如果所述最后得分超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败。
模拟考核中使用者以自我第一人称的角色，在三维场景中模拟现场施工进行一些技能操作。在虚拟的环境中用户可以任意切换镜头，任意自主漫游，并根据操作步骤触发事件，点击物件进行操作。系统配套有评分机制和考核时间机制。如果在规定的时间内分数及格，则考核成功。否则考核失败。将抽象级别的编程逻辑算法转化成用图形界面，直接进行简单、直观的可视化操作，使操作过程清晰、流畅，并在操作中加入各种音效使其更加生动有趣。
仿真培训系统包括单机培训和网络培训两种形式；单机培训时，分布式操作终端与中央处理器直接连接；网络培训时，分布式操作终端与中央处理器通过网络进行互联。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，包括：数据层、中央处理器、应用层以及若干分布式操作终端；
所述数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；
所述应用层包括：
设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选择、节点与标准化设计、构件计算内容分别进行模拟演示；
加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示焊接工艺仿真动态效果；
施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容进行图像化和可视化的模拟操作，并能够对运输工器具进行选择，且能够进行钢管塔组立施工方案三维动画培训和抱杆安装、拆卸交互模拟操作，并针对错误操作、限距、过载情况进行风险预警或提示；
试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考核测评；
模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模拟操作考核测评；
所述数据层与中央处理器进行通信，中央处理器与应用层的各模块以及分布式终端分别通信；
所述加工模块中钢管塔焊接标准化工艺包括：机加工、焊接和镀锌；
所述施工模块中铁塔组立施工包括：内悬浮外拉线抱杆组塔、S×D160塔基组塔、外拉线落地抱杆组塔、双平臂下顶升抱杆组塔和双平臂上顶升抱杆组塔；
所述特高压钢管塔仿真用的各种设备的三维模型包括：钢管塔、抱杆、工器具、机具高精度三维模型，具有颜色、质感、规格属性信息。
2.如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述试题考核模块和模拟考核模块自动实时进行考核时间统计，并对考核内容的正确性进行自动评分。
3.如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述仿真培训系统基于Unity3D图像引擎和Pro/E建模。
4.一种如权利要求1所述的特高压钢管塔仿真培训系统的方法，其特征是，包括：
所述仿真培训系统包括分别对特高压钢管塔设计、加工以及施工的模拟培训形式，每一种培训形式都分为模拟部分和考核部分；
在进行特高压钢管塔设计或加工模拟培训时：分别调取仿真数据库中用于模拟特高压钢管塔设计以及焊接标准化工艺的数据，将所述数据存储至前台第一数据缓存区；根据操作终端的实际要求，调取前台第一数据缓存区的相关数据进行展示；
在进行特高压钢管塔施工模拟培训时：
调取仿真数据库中用于模拟铁塔组立施工过程的数据，将所述数据存储至前台第二数据缓存区；
根据操作终端的实际要求，调取前台第二数据缓存区的相关数据，利用分形算法建立虚拟三维施工场景，建立高精度钢管塔施工相关的工器具数学模型，并为每个数学模型设置用于接收信息并作出反应的反应器，设置各数学模型之间的逻辑控制关系；将所述工器具数学模型导入到虚拟三维施工场景中；
根据各数学模型之间的逻辑控制关系，将现场施工的实际操作步骤转化为开发平台下的程序逻辑算法，在虚拟的三维环境中模拟现场施工操作过程；
所述反应器的精度可调，且在可调范围内连续且收敛，保证模拟结果的精细程度和系统运行速度平衡协调；
所述每一种培训形式的考核部分均分为试题考核和模拟考核；具体方法为：
分别调取试题数据库和模拟操作数据库中相应的数据，将所述数据存储至前台第三数据缓存区；
对于试题考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关试题数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，对操作终端返回的数据内容进行打分，如果分数超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败；
对于模拟考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关操作数据，根据系统设定的评分机制和考核时间机制，记录操作终端的每一个操作触发事件并打分，所有操作完成后统计最后得分，如果所述最后得分超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败；
所述仿真培训系统包括单机培训和网络培训两种形式；单机培训时，分布式操作终端与中央处理器直接连接；网络培训时，分布式操作终端与中央处理器通过网络进行互联。
5.如权利要求4所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统的方法，其特征是，所述每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统能稳定输出结果。
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