CN106095105A - 一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统和方法，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画，能够有效增强培训对象的视觉和听觉感受，强化其对学习内容的理解；利用三维引擎和数据库构建自由演练、情景教学、模拟考核三种培训模式和具体任务培训内容，培训内容针对性强且可以灵活修改；利用虚拟现实沉浸式头盔和体感交互设备进一步增强场景直观感受。该方法通过三维可视化仿真，能够逼真直观的构建整个牵引变电所的三维场景，在三维场景基础上通过业务培训内容模拟变电所巡视、倒闸、检修等日常操作，培训过程中操作安全、沉浸度高、直观性强、培训周期短，具有良好的应用前景。

Description

一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引变电所值班人员技术培训领域，具体涉及一种牵引变电所三维可视化虚拟沉浸式培训仿真技术及方法。

背景技术

随着我国电气化高速铁路的快速发展，牵引供电系统的安全稳定运行越来越重要，而牵引变电所是牵引供电系统的重要组成部分，负责将电力系统中的三相电转化为电力机车取流所需的单相电，其安全稳定运行对于整个铁路运输具有举足轻重的影响。变电站值班人员作为变电站运营维护的重要角色，在新时代下其技能水平和业务能力面临着不断提高的迫切需求。此外，随着我国一系列新建高铁项目的开通，高铁将由建设阶段转为运营维护阶段，变电所安全稳定运行对操作人员的技能水平和素质要求也越来越高，因此建立一种新的培训方法来满足培训需求是十分必要的。

由于牵引供电系统高压带电、设备昂贵的特殊性，目前，传统的牵引变电所值守人员的培训主要依靠视频教学、资料学习、现场学习等手段，由于受到场地、安全、成本等因素的影响，培训的直观性和可操作性都受到限制，培训效果也具有局限性。例如依靠视频、文本等资料学习手段，学员虽然能够比较系统的学习，但是对于整个牵引供电系统及其运行设备的直观性了解不够；依靠现场参观等手段虽然对于设备外观有直观的认识，但是通常牵引变电所都是高压带电运行，不可能人为的设置故障让学员模拟操作，培训的可操作性差。此外，随着我国高速铁路的快速发展，传统培训方法在培训周期和培训效率上已经不能满足培训需求，因此探索新的培训方法是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对电气化铁路牵引变电所值班人员的虚拟沉浸式培训仿真方法，以解决传统培训方法中直观性缺乏、可操作性差、培训周期长等缺点。该三维可视化虚拟沉浸式培训仿真方法，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画，能够有效增强培训对象的视觉感受，以强化其对学习内容的理解；利用三维引擎和数据库构建业务培训内容和操作逻辑，培训内容针对性强而且可以灵活修改；利用虚拟现实沉浸式头盔和体感交互设备进一步增强场景直观感受。该方法通过三维可视化仿真，能够逼真直观的构建整个牵引变电所的三维场景，通过业务培训内容模拟变电所巡视、倒闸、检修等日常操作，具有操作安全、沉浸度高、直观性强、培训周期短等优点，具有良好的应用前景。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画增强培训对象的视觉和听觉感受，强化其对学习内容的理解，仿真方法体系架构包括：

为虚拟沉浸式培训仿真提供场景和数据支持的数据资源层，包括如下相关数据资源：

设备三维模型资源、环境三维资源、三维地形资源、设备参数资料数据库、培训业务数据库、学员信息数据库；其中三维模型资源用于构建牵引变电所三维虚拟场景，培训业务数据库用于存储具体的业务培训内容，学员信息数据库用于存储学员信息、成绩；

系统实现层，包括系统管理模块、后台管理模块、场景管理模块、交互模块、视角控制模块、任务管理模块；其中系统管理模块负责完成三维可视化仿真的基础配置；后台管理模块负责通信、数据库、性能消耗的后台信息配置和管理；场景管理模块负责有序组织牵引变电所三维场景，包括三维电气设备和环境；交互模块负责实现具体的人机交互方式，包括沉浸式虚拟仿真中的体感交互方式；视角控制模块负责完成虚拟场景仿真中的漫游、操作等视角模式实现；任务管理模块负责实现变电所内具体的人物培训功能，其中包括认知、巡视、检修、倒闸等日常操作和学习；

用户交互层，实现场景漫游功能、任务培训功能、任务编辑功能，其中场景漫游为培训对象提供三维场景浏览、设备资料查看学习、自由操作、安全防护功能；任务培训提供牵引变电所日常操作相关的模拟教学培训功能，包括且不限于：巡视、检修、倒闸、故障处理；任务编辑则通过编辑界面编辑任务数据库从而完成具体的培训业务编辑。

前述牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真技术，其实现过程特征在于：对牵引变电所的一次设备、二次设备、场景环境、虚拟值班员、操作工具分别进行模型、材质和动画设计，设计过程中充分考虑模型细节和局部零部件特征，将三维模型导入Unity三维引擎并按照实际牵引变电所场景进行空间布置，并按照其电气主接线图完成其逻辑关系编写，保证了虚拟三维场景的真实还原度。然后根据培训对象的培训内容和用户习惯设计培训过程的操作逻辑和用户界面，并设计多种数据库用于管理设备状态和记录操作逻辑，其中任务数据库用于管理培训任务，设备状态管理数据库用于记录设备状态，设备信息数据库用于展示设备资料、场景选择数据库用于切换不同变电所场景，模拟考核数据库用于记录学员信息和考试成绩。上述手段已经可以完成计算机平台上的牵引变电所三维可视化培训仿真，为进一步增强培训过程的沉浸感，在上述基础上设计基于体感交互设备和虚拟现实头盔的沉浸式仿真的交互方式，能够进一步增强三维虚拟场景的沉浸度和真实感。

前述的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真技术及方法，其所具有的功能特征在于：

场景选择功能，场景选择功能便于培训对象选择不同的牵引变电所场景；

操作模式选择功能，包括自由演练、情景教学、模拟考核三种操作模式，其中自由演练模式主要用于学员自由操作，在该模式下学员可以在场景内进行自由漫游，以全景方式查看整个变电站的虚拟电气设备和整个三维场景，此模式下也可以查看设备外观和设备详细资料，包括设备参数、设备实际图片等，主要用于设备认知学习；情景教学模式主要用于模拟变电站日常作业的标准化作业流程，采用“教学引导，学生演练”的思想，运用脚本化语言编写，程序根据智能化脚本进行自动化操作演示，包含了巡视、倒闸、检修、故障处理等各个环节的详细内容；考核管理模式主要用于学员的培训效果辅助测试，可以设置题库内容，对学员进行在线测试和成绩评定，考核分为文本考核和虚拟场景模拟考核，前者从题库中选题，主要用于学员的理论知识测验，后者在虚拟场景中模拟日常操作进行测试，对学员的操作水平进行考核。

任务选择功能，牵引变电所日常工作中的交接班、值班、巡视、倒闸、检修、故障处理等工作内容的不同业务模式下又包含多项具体操作，例如巡视作业包含全所巡视、变压器巡视、断路器巡视、高压室巡视等，检修作业包含变压器检修、隔离开关检修、互感器检修等，任务选择功能能够共学员有针对性的选择需要培训的具体内容。

本发明的目的还在于，基于上述的系统，为牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训提供仿真方法，其手段如下：

过程1、培训对象启动牵引变电所三维可视化虚拟沉浸式培训仿真系统，进入场景选择界面，选择需要进行培训的牵引变电所类型，可以选择某类型110kV/220kV变电所，或者某类型开闭所；

过程2、选择具体的牵引变电所之后，通过三维场景加载，进入具体的三维场景，用户选择操作模式，若选择自由演练模式，执行过程3-5；如选择情景教学模式，执行过程6-7；选择模拟考核模式，执行过程8-9；

过程3、进入自由演练模式之后，场景视角为虚拟人物视角，可以操作虚拟值班员在场景内自由漫游，熟悉场景设备，在信息查询按钮处于开的状态，双击场景内电气设备，可以查看设备的详细参数、设备图片等信息；

过程4、在自由演练模式下，学员还可以自由操作设备的按钮、开关、倒闸动作等，查看设备操作的动作过程，熟悉具体设备操作过程；

过程5、场景操作界面中设有返回，能够返回过程2，选择该场景的其他操作模式；

过程6、在情景教学模式下，能够执行的教学内容由工作票办理、巡视、倒闸、检修、故障处理五大类内容，在每个培训任务下，又分为细化到电气设备的培训任务，选择具体的培训任务可以进行该培训内容教学；

过程7、进入具体培训教学任务，系统通过任务数据库中的关联内容，依次解析，在三维场景中进行培训教学，以检修教学为例，具体教学内容和教学步骤分为检修前准备、外观检查、检修调整等，通过任务数据库设定三维虚拟场景内的培训内容，培训方式灵活；

过程8、场景交互界面中设有返回按钮，用户可以随时中断培训教学，返回上一级任务选择或操作模式选择；

过程9、进入模拟考核模式下，学员需要登录来记录学员信息，文本考核中以试题的形式，学员完成试题并提交，虚拟场景考核中则根据操作卡片独立完成场景内设备操作；

过程10、在含有体感交互设备Kinect和虚拟现实头盔Oculus硬件设备条件下，通过配置，可以进行沉浸式虚拟现实的场景漫游，以增强沉浸感。

前述的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真方法，特征在于过程1和2采用多种变电所场景和三种不同的培训模式，涵盖了场景培训的所有可操作模式。

前述的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真方法，特征在于过程6和7采用数据库配合三维虚拟场景解析具体培训内容和培训过程，便于培训内容的修改，具有较强的灵活性。

前述的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真方法，特征在于过程10配合硬件设备完成了沉浸式虚拟现实仿真，增强了三维虚拟场景的沉浸度。

本发明的有益效果是：本发明的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真技术及方法，利用三维建模和动画软件构建真实感强的三维虚拟变电所场景，利用三维虚拟引擎和数据库构建具体的培训内容和操作逻辑，利用体感交互设备和虚拟现实头盔增强场景漫游的沉浸度。该培训技术和方法，通过真实感强的三维虚拟场景和细化的任务培训内容，能够有效的调动培训对象的视觉和听觉的感官认知，有助于提高培训效率。此外，该培训方法培训内容丰富、方式灵活，培训对象可以自主选择培训场景和培训内容，针对性强。

综上所述，本发明在完成牵引变电所虚拟场景漫游、设备学习认知、标准作业模拟、场景模拟考核等多方面的教学培训内容的基础上，具有成本低、真实感强、沉浸度高、操作安全、周期短、效率高等优点，本发明为牵引变电所值班人员的培训方式研究提供了新方法新思路，具有一定的工程实际意义，同时也具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统体系架构图。

图2为本发明的操作逻辑和功能结构图。

图3为本发明的交互界面与场景关系图。

图4(a)为本发明的基于体感交互和虚拟现实硬件设备的沉浸式仿真硬件结构图。

图4(b)为本发明的沉浸式虚拟现实仿真手势交互控制示意图。

图5为本发明实施例中情景教学中变压器设备检修的教学培训关键流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详述。

图1为本发明的系统体系架构图。系统体系共分为三个层次，分别为：数据资源层、功能实现层、用户交互层。其中：

数据资源层，包括设备三维模型资源、环境三维资源、三维地形资源、设备参数资料数据库、培训业务数据库、学员信息数据库等相关数据资源。其中三维模型资源用于构建牵引变电所三维虚拟场景，培训业务数据库用于存储具体的业务培训内容，学员信息数据库用于存储学员信息、成绩等。数据资源层为虚拟沉浸式培训仿真提供了场景和数据支持。

系统实现层，包括系统管理模块、后台管理模块、场景管理模块、交互模块、视角控制模块、任务管理模块。其中系统管理模块负责完成三维可视化仿真的基础配置；后台管理模块负责通信、数据库、性能消耗等后台信息配置和管理；场景管理模块负责有序组织牵引变电所三维场景，包括三维电气设备和环境；交互模块负责实现具体的人机交互方式，包括沉浸式虚拟仿真中的体感交互方式；视角控制模块负责完成虚拟场景仿真中的漫游、操作等视角模式实现；任务管理模块负责实现变电所内具体的人物培训功能，其中包括认知、巡视、检修、倒闸等日常操作和学习。

用户交互层，包括场景漫游功能、任务培训功能、任务编辑功能。其中场景漫游为培训对象提供三维场景浏览、设备资料查看学习、自由操作、安全防护等功能，有助于学员学习单个设备的相关知识和动作过程；任务培训提供巡视、检修、倒闸、故障处理等牵引变电所日常操作相关的模拟教学培训功能；任务编辑则通过编辑界面编辑任务数据库从而完成具体的培训业务编辑。

三层结构层次清晰、设计独立，采用接口进行调用，实现了数据资源、平台构建、用户交互之间的有效分离。

图2为本发明的操作逻辑和功能结构图。启动系统后根据用户需求依次进入场景选择界面、模式选择界面、任务选择界面，相应的完成场景选择、模式选择、任务选择的功能。交互界面之间可以相互切换(如图3所示)，其中场景切换过程中需要根据三维场景大小占用一定的加载时间，一般为低频次操作，而模式选择和任务选择为高频次操作，切换过程处在同一个三维场景内，因而响应时间较快。本发明所设计的培训方法的具体执行过程如下：

过程1、培训对象启动牵引变电所三维可视化虚拟沉浸式培训仿真系统，进入场景选择界面，选择需要进行培训的牵引变电所类型，可以选择某类型110kV/220kV变电所，或者某类型开闭所；

过程2、选择具体的牵引变电所之后，通过三维场景加载，进入具体的三维场景，用户选择操作模式，若选择自由演练模式，执行过程3-5；如选择情景教学模式，执行过程6-7；选择模拟考核模式，执行过程8-9；

过程3、进入自由演练模式之后，场景视角为虚拟人物视角，可以操作虚拟值班员在场景内自由漫游，熟悉场景设备，在信息查询按钮处于开的状态，双击场景内电气设备，可以查看设备的详细参数、设备图片等信息；

过程4、在自由演练模式下，学员还可以自由操作设备的按钮、开关、倒闸动作等，查看设备操作的动作过程，熟悉具体设备操作过程；

过程5、场景操作界面中设有返回，能够返回过程2，选择该场景的其他操作模式；

过程6、在情景教学模式下，能够执行的教学内容由工作票办理、巡视、倒闸、检修、故障处理五大类内容，在每个培训任务下，又分为细化到电气设备的培训任务，选择具体的培训任务可以进行该培训内容教学；

过程7、进入具体培训教学任务，系统通过任务数据库中的关联内容，依次解析，在三维场景中进行培训教学，以检修教学为例，具体教学内容和教学步骤分为检修前准备、外观检查、检修调整等，通过任务数据库设定三维虚拟场景内的培训内容，培训方式灵活；

过程8、场景交互界面中设有返回按钮，用户可以随时中断培训教学，返回上一级任务选择或操作模式选择；

过程9、进入模拟考核模式下，学员需要登录来记录学员信息，文本考核中以试题的形式，学员完成试题并提交，虚拟场景考核中则根据操作卡片独立完成场景内设备操作。

图4(a)为本发明的基于体感交互和虚拟现实硬件设备的沉浸式仿真硬件结构图，图4(b)为本发明的沉浸式虚拟现实仿真手势交互控制示意图。其中体感交互设备Kinect负责人体骨骼捕捉，以获取人物行走状态，根据人物的前后走动控制三维场景中虚拟值班员的前后行走。但由于设备横向捕捉角度有限，设计手势的左右滑动控制虚拟人物的左右旋转。此外，设计语音交互命令“Forward”、“Back”、“Stop”、“Left”、“Right”、“Home”、“OutSide”等，配合体感交互控制三维场景中虚拟值班员的前进、后移、左移、右移、停止、室内复位、室外复位等，进一步完善沉浸式虚拟场景漫游控制。

图5为本发明实施例中情景教学中变压器设备检修的教学培训关键流程示意图，为过程7的具体体现之一。该例介绍的是变压器检修培训教学流程，其他设备的检修流程与之类似，修改相应数据库即可。变电所中的巡视、倒闸操作教学培训也是通过数据库解析进行，本发明对变电所的标准作业流程进行程序语言解析，共设计了8类39中函数，能够有效的完成虚拟值班员在三维虚拟场景中的大部分操作过程，在程序执行过程中配合任务数据库，有效地完成标准化培训任务并增强了培训方法的灵活性。

Claims (4)

1.一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画增强培训对象的视觉和听觉感受，强化其对学习内容的理解，仿真方法体系架构包括：

为虚拟沉浸式培训仿真提供场景和数据支持的数据资源层，包括如下相关数据资源：

设备三维模型资源、环境三维资源、三维地形资源、设备参数资料数据库、培训业务数据库、学员信息数据库；其中三维模型资源用于构建牵引变电所三维虚拟场景，培训业务数据库用于存储具体的业务培训内容，学员信息数据库用于存储学员信息、成绩；

系统实现层，包括系统管理模块、后台管理模块、场景管理模块、交互模块、视角控制模块、任务管理模块；其中系统管理模块负责完成三维可视化仿真的基础配置；后台管理模块负责通信、数据库、性能消耗的后台信息配置和管理；场景管理模块负责有序组织牵引变电所三维场景，包括三维电气设备和环境；交互模块负责实现具体的人机交互方式，包括沉浸式虚拟仿真中的体感交互方式；视角控制模块负责完成虚拟场景仿真中的漫游、操作类视角模式实现；任务管理模块负责实现变电所内具体的人物培训功能，其中包括认知、巡视、检修、倒闸类日常操作和学习；

用户交互层，实现场景漫游功能、任务培训功能、任务编辑功能，其中场景漫游为培训对象提供三维场景浏览、设备资料查看学习、自由操作、安全防护功能；任务培训提供牵引变电所日常操作相关的模拟教学培训功能，包括且不限于：巡视、检修、倒闸、故障处理；任务编辑则通过编辑界面编辑任务数据库从而完成具体的培训业务编辑。

2.根据权利要求1所述的一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统，其特征在于，数据资源层对牵引变电所的一次设备、二次设备、场景环境、虚拟值班员、操作工具分别进行模型、材质和动画设计，考虑模型细节和局部零部件特征，将三维模型导入Unity三维引擎并按照实际牵引变电所场景进行空间布置，并按照其电气主接线图完成其逻辑关系编写，以保证了虚拟三维场景的真实还原度；用户交互层根据培训对象的培训内容和用户习惯设计培训过程的操作逻辑和用户界面，并设计多种数据库用于管理设备状态和记录操作逻辑，其中任务数据库用于管理培训任务，设备状态管理数据库用于记录设备状态，设备信息数据库用于展示设备资料、场景选择数据库用于切换不同变电所场景，模拟考核数据库用于记录学员信息和考试成绩。

3.根据权利要求1所述的一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统，其特征在于，在体感交互和虚拟现实头盔硬件设备的基础上，为进一步增强培训过程的沉浸感，设计基于体感交互方式，通过捕捉人体前、后行走和手势的左、右滑动操作控制虚拟值班员对象在虚拟三维场景中的自由漫游，此外，设计语音交互命令“Forward”、“Back”、“Stop”、“Left”、“Right”、“Home”、“OutSide”，配合体感交互设定虚拟人物的位置，完善场景漫游控制，进一步增强三维虚拟场景的沉浸度和真实感。

4.采用权利要求1或2或3所述系统的牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真方法，具体功能和操作过程包括：

过程1、培训对象启动牵引变电所三维可视化虚拟沉浸式培训仿真系统，进入场景选择界面，选择需要进行培训的牵引变电所类型，可以选择某类型110kV/220kV变电所，或者某类型开闭所；

过程2、选择具体的牵引变电所之后，通过三维场景加载，进入具体的三维场景，用户选择操作模式，若选择自由演练模式，执行过程3-5；如选择情景教学模式，执行过程6-7；选择模拟考核模式，执行过程8-9；

过程3、进入自由演练模式之后，场景视角为虚拟人物视角，可以操作虚拟值班员在场景内自由漫游，熟悉场景设备，在信息查询按钮处于开的状态，双击场景内电气设备，可以查看设备的详细参数、设备图片信息；

过程4、在自由演练模式下，学员还可以自由操作设备的按钮、开关、倒闸动作，查看设备操作的动作过程，熟悉具体设备操作过程；

过程5、场景操作界面中设有返回，能够返回过程2，选择该场景的其他操作模式；

过程6、在情景教学模式下，能够执行的教学内容由工作票办理、巡视、倒闸、检修、故障处理五大类内容，在每个培训任务下，又分为细化到电气设备的培训任务，选择具体的培训任务可以进行该培训内容教学；

过程7、进入具体培训教学任务，系统通过任务数据库中的关联内容，依次解析，在三维场景中进行培训教学，以检修教学为例，具体教学内容和教学步骤分为检修前准备、外观检查、检修调整，通过任务数据库设定三维虚拟场景内的培训内容，培训方式灵活；

过程8、场景交互界面中设有返回按钮，用户可以随时中断培训教学，返回上一级任务选择或操作模式选择；

过程9、进入模拟考核模式下，学员需要登录来记录学员信息，文本考核中以试题的形式，学员完成试题并提交，虚拟场景考核中则根据操作卡片独立完成场景内设备操作。