CN106355971A - 一种变电设备检修仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变电设备检修仿真培训系统，包括三维仿真子系统和后台管理子系统，三维仿真子系统存储于服务器上，用户通过浏览器对其进行操作，包括用户管理单元、设备选取单元和设备检修单元，后台管理子系统存储于服务器上，包括评价管理单元和试题管理单元。本发明通过采用仿真技术，为学员提供身临其境的培训场景，让枯燥乏味的培训变为生动有趣，提高了培训的安全性能和效率，也节约了培训成本。同时，本发明采用高层体系结构的开发框架，使该系统在可扩展性、互操作性、重用性上能够具备很好的适应性。

Description

一种变电设备检修仿真培训系统

技术领域

本发明属于电力培训技术领域，具体涉及一种变电设备检修仿真培训系统。

背景技术

随着电力系统自动化技术的发展、变电设备的更新以及高新技术的应用，国家电网已进入“特高压时代”。由于电力系统的快速发展和变电设备技术的不断提高，电力系统中出现的事故和异常的几率越来越少，因此，维护人员和检修人员实际处理事故和异常的机会也越来越少，导致缺少实际处理故障和异常的经验，更无法反复操作和强化训练。

目前对电力系统的维护人员和检修人员进行培训的方式是：采用理论教学、实训室实践操作培训、课件教学等方法。 现有的培训方式有如下缺点 ：

首先，理论培训虽然是基础，但是单纯的理论学习往往不能与实际问题相结合，且事故和异常现象出现的周期长，无法为维护人员和检修人员提供较多的实践经验，一旦遇到事故或异常时，降低了解决事故或异常现象的速度。

其次，实训室实践操作需要特定的实践场地和相应的设备，成本高，不利于大规模开展，已经远不能满足实际社会生产的需要，急需对现有变电设备检修培训模式、手段进行改进升级。

仿真培训系统是由三维仿真平台和二维仿真平台等多个用户的计算平台构成的系统，软件环境、交互手段不尽相同，分布式网络环境也可能是异构的，用户的资源和运行环境可能经常发生变化，这就要求系统在设计时充分考虑系统的体系结构使系统在可扩展性、互操作性、重用性上能够具备很好的适应性。

发明内容

为克服现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提供一种安全、高效、低成本且可扩展性强、适应性高的变电设备检修仿真培训系统。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种变电设备检修仿真培训系统，包括三维仿真子系统和后台管理子系统，所述三维仿真子系统包括用户管理单元、设备选取单元和设备检修单元，所述用户管理单元用于用户进行注册和登录；所述设备选取单元用于选取要检修的变电设备；所述设备检修单元用于用户对所述变电设备的检修进行学习、练习和考试；所述三维仿真子系统存储于服务器上，用户通过浏览器对所述三维仿真子系统进行操作；所述后台管理子系统存储于服务器上，包括评价管理单元和试题管理单元，所述评价管理单元用于存储用户操作记录和考核结果；所述试题管理单元用于编辑、存储考试试题。

优选的，所述系统包括学习模式、练习模式和考试模式，当所述系统处于学习模式时，所述设备检修单元用于用户学习与所述变电设备检修相关的教学内容；当所述系统处于练习模式时，所述设备检修单元用于用户在虚拟场景中对所述变电设备进行检修练习；当所述系统处于考试模式时，所述设备检修单元用于用户对所述变电设备的检修进行考试。

优选的，所述变电设备包括断路器、隔离开关、GIS设备和高压开关柜。

优选的，所述设备检修单元包括任务介绍模块、检修作业卡模块、检修工具选取模块和检修模块，所述任务介绍模块用于对所述变电设备检修教学内容的介绍；所述检修作业卡模块用于对所述变电设备检修科目的总览；所述检修工具选取模块用于选择检修所述变电设备所需要的工具；所述检修模块用于对所述变电设备进行仿真检修操作。

优选的，所述检修工具包括工器具、仪器、人物着装。

优选的，所述检修模块包括当前工具子模块、工具包子模块、操作步骤子模块、视角切换子模块、动画回放子模块、操作记录子模块、数据存储子模块、文档查询子模块、系统设置子模块和退出系统子模块。

优选的，所述系统设置子模块包括解说音量设置单元、背景音乐设置单元、视角渲染半径设置单元和恢复初始设置单元。

优选的，所述试题管理单元包括系统管理模块和培训考核模块，所述系统管理模块用于维护用户和系统权限分配；所述培训考核模块用于考试题目相关设置以及查询修改。

优选的，所述变电设备检修仿真培训系统采用高层体系结构的开发框架。

本发明的有益效果是 ：

（1）本发明通过采用仿真技术，为学员提供身临其境的培训场景，在形象化、规范化等方面具有明显优势，让枯燥乏味的培训变为生动有趣。

（2）本发明同时解决了变电设备检修大电流、高电压不安全的问题，提高了培训的安全性能。

（3）本发明不仅能够为维护人员和检修人员提供有效的培训方式，而且可以进行电力 系统的运行分析与研究，更具备可反复操作的特点，节约成本，节约场地。

（4）本发明可在降低现场培训风险同时，使培训工作摆脱天气、空间影响，提高变电设备检修培训效率、效果。

（5）本发明采用高层体系结构的开发框架，使该系统在可扩展性、互操作性、重用性上能够具备很好的适应性。

附图说明

图1 为本发明一种变电设备检修仿真培训系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种变电设备检修仿真培训系统，包括三维仿真子系统和后台管理子系统。三维仿真子系统包括用户管理单元、设备选取单元和设备检修单元。其中：

用户管理单元用于用户进行注册和登录，任何用户都必须经过注册后才能成为合法用户，合法用户在登录界面输入已经注册好的账号和姓名，就能登录三维仿真子系统。

设备选取单元用于选取所要检修的变电设备。在一个电力系统中，所涉及的变电设备有很多种类，每一种类的变电设备具有多种型号，而每一种型号的变电设备其检修的方法、重点和参数都有所不同，这就要求用户在登录系统后首先要选择即将要检修的变电设备的具体种类和型号。本实施例中，变电设备的种类有断路器、隔离开关、GIS设备和高压开关柜，每种变电设备有若干个不同的型号，选择不同种类、不同型号的变电设备，所呈现出来的内容也不同。变电设备的种类和型号可以根据实际的需要进行增加或删减。

设备检修单元包括任务介绍模块、检修作业卡模块、检修工具选取模块和检修模块，任务介绍模块用于对所选取变电设备检修内容的介绍；检修作业卡模块用于对所选取变电设备检修科目的总览；所述检修工具选取模块用于选择检修所选取变电设备所需要的工具。本实施例中，检修工具选取分为三部分，即工器具、仪器、人物着装，分别对应检修所选择的变电设备时需要的所有工器具、仪器、人物着装等。在操作过程中，点击鼠标右键同时拖动鼠标，即可从任意角度观看所选中工具的三维视图。为方便起见，系统内置的所有工器具、仪器和着装等都需要选取，才可进入检修模块。本实施例中，检修模块包括当前工具子模块、工具包子模块、操作步骤子模块、视角切换子模块、动画回放子模块、操作记录子模块、数据存储子模块、文档查询子模块、系统设置子模块和退出系统子模块，这些子模块在系统操作界面中是以菜单的方式呈现给用户。

本发明的变电设备检修仿真系统包括学习模式、练习模式和考试模式。在这三种模式下，任务介绍模块、检修作业卡模块和检修工具选取模块的功能和操作都是相同的。所不同的是，当系统处在不同的模式时，通过屏蔽检修模块中的部分子模块的功能，使得不同模式下检修模块的功能有所不同。当系统处于学习模式时，检修模块用于用户学习与所选择的变电设备检修相关的教学内容；当系统处于练习模式时，检修模块用于用户在虚拟场景中对所选择的变电设备进行检修练习；当系统处于考试模式时，检修模块用于用户对所选择的变电设备进行检修考试，用户可以根据需要选择相应的模式进入系统。

如果用户选择进入学习模式，为便于操作控制，此模式下，鼠标与键盘操作方式对应如下：

q-上移，w-前进，e-下移，a-坐移，s-后退，d-右移，左边Shift键-加速；

鼠标左键-选取操作，鼠标中键-视角拉近/拉远，鼠标右键-方向控制

在学习模式下，选择进入操作步骤子模块，将弹出检修所选取变电设备需要的所有步骤，鼠标点击其中任意一步骤的触发按钮后，视角将自动移动至指定操作位置，被操作物体则呈现红色闪烁状态。同时，系统页面右上角将提示操作当前步骤所需要的工器具。此时需要打开工具包菜单，参考系统页面右上角的工具提示，从工具包中选取对应的工器具，选取完成后在当前工具区域将显示所选择的工器具。然后用鼠标左键点击红色闪烁物体，表示用对应的 工器具对待检修部件进行检修处理。点击完成后，三维场景中将会显示对应的虚拟人物对待检修部件进行检修工作模拟。

检修过程中，系统页面右侧将弹出对应的知识点讲解。通过图文对应的形式，对虚拟人物检修进行分解式讲解，此时虚拟人物检修动画将暂停。点击知识点中的相应按钮，知识点窗口将收回，虚拟人物继续检修动作。待下一个知识点弹出时，重复此操作。默认情况下，知识点窗口以自动弹出的方式进行讲解。用户可切换为手动浏览知识点的模式。在该模式下，可通过鼠标按钮来切换知识点。同时，虚拟人物的动画将与知识点讲解断开连接，不受知识点讲解影 响。

视角切换是指将观察视角在第一人称视角和第三人称视角之间切换。在学习模式下，视角切换功能被屏蔽，只能以第三人称视角来观看检修过程。

动画回放功能可对当前选中步骤进行动画重复播放，此时无需再重新选择工器具。同时，知识点也随着动画播放逐一弹出讲解。

操作记录子模块中存储着仿真操作步骤及每一步骤的操作分数，以此来记录学员的操作过程及得分。在学习模式和练习模式下，操作记录内容相同。

数据存储子模块是将操作结果提交至后台评价管理系统。在学习模式和练习模式下，数据存储功能将失效。

文档查询子模块提供对设备检修、系统操作相关的帮助文档。

系统设置子模块是对系统参数进行设置。包括解说音量设置单元、背景音乐设置单元、视角渲染半径设置单元和恢复初始设置单元。其中，解说音量设置单元是指对人物讲解的声音进行调大和调小；背景音乐设置单元是指对背景声音进行调大和调小；而通过视角渲染半径设置单元，可将场景中大于设定值的设备进行隐藏处理，以此来提高仿真系统的运行速度；恢复初始设置单元则将上述三个参数设置为系统默认值。

如果用户选择进入练习模式，此模式下，鼠标与键盘操作方式对应如下：

q-视角位置切换，w-前进， a-左移，s-后退，d-右移，左边Shift键-加速，左边Ctrl键-蹲下/站立切换，空格键-跳跃；

鼠标左键-选取操作，鼠标中键-视角拉近/拉远，鼠标右键-方向控制

在练习模式下，任务介绍、检修作业卡、检修工具选取等子模块的功能和操作与学习模式相同。

在练习模式下，操作步骤将从第一步开始执行，直到操作至最后一步为止顺序完成所有检修内容。

在练习模式下的检修操作，首先通过控制虚拟人物到达当前步骤指定的操作地点，此时系统页面右上角将提示进入指定区域，同时将显示当前步骤操作所需要的工器具，打开工具包，根据提示选取对应的工器具对闪烁物体进行操作。选好工器具并点击闪烁操作物体后，虚拟人物开始对设备进行检修处理。该步骤检修完成后，以相同的操作方式进入下一步骤的检修操作。当选取了错误的操作工具对物体进行操作时，系统将会弹出错误的操作提示，此时，系统将会在操作记录中对应的步骤上扣除一分。学员可通过操作记录查看自己的最终仿真操作得分。

在练习模式下，视角切换功能将开启，可进行第一人称视角与第三人称视角切换。

在练习模式下，动画回放功能被屏蔽。此外，其他的操作方式与学习模式下的操作方式相同。

如果用户选择进入考试模式，则首先下载试卷，试卷下载成功后即可进行考试操作。考试模式与练习模式的操作方式相同，以主动式操控方式，通过鼠标和键盘来控制虚拟人物进行检修作业。在考试模式下，操作步骤 将从第一步开始执行，直到操作至最后一步为止顺序完成所有检修内容。

当虚拟人物操作时，操作结束后页面右端将弹出考试题目，题目以单选、多选为主，学员对题目进行作答并提交。操作完成后，可在操作记录中查看个人的仿真操作得分与试卷答题得分。

在考试模式下，数据存储功能开启。当完成所有步骤操作及所有题目答题后，将数据进行存储，此时，将把操作记录和成绩提交至后台评价管理系统，以此作为每个学员考试结果的存储。同时，考试结果将不在学员端本地存储。

后台管理子系统存储于服务器上，包括评价管理单元和试题管理单元，评价管理单元用于存储用户操作记录和考核结果；试题管理单元用于编辑、存储考试试题。其中，试题管理单元只给管理员使用，学员没有访问使用权限。试题管理单元包括系统管理和培训考核两部分，系统管理部分用于对用户信息、权限以及系统日志进行管理维护，包括用户管理、角色管理以及日志管理，可以添加系统用户信息，可以进行的操作有检索、新增、修改或删除、批量删除系统用户信息，同时可以为用户分配系统权限。

培训考核部分用于对考试题目进行相关设置以及查询修改。为方便培训课程的安排，提高培训的针对性，系统可对培训的内容和考核的内容进行配置，根据不同层次、不同培训阶段的受训人员选择不同难度的培训和考核的内容。培训考核包括题库管理、考试项目、项目基础、步骤管理和成绩查询等功能。其中，题库管理中包括了系统中的所有试题内容，其类型主要是单选客观题。在组建考试试卷时，试卷中的所有试题均可以从题库中抽取。可以进行的操作有查询、新增、修改以及删除等；考试项目用于对项目中的步骤与考试题目的对应关系进行管理，可以根据项目以及步骤添加设置试题答案以及对应分数，考试题目从题库中抽取；项目基础用于对与其相关的数据进行新增、修改/删除和检索操作；步骤管理用于为项目添加不同的步骤，每个步骤最多可以选择5道题目，题目从题库中获取，并可以新增、删除/批量删除步骤数据；成绩查询用于对已经完成考试的学员成绩进行查询。

作为新一代的先进分布仿真标准，高层体系结构(HLA：High LevelArchitecture) 是一个开放的、面向对象的体系结构。它定义了仿真应用程序之间的编程接口(API)，RTI(Run Time Infrastructure)是提供这些 API 的支持系统。 它的最显著特点就是将应用层的仿真操作与底层通讯支撑功能分离开来。同时，可实现应用系统的即插即用，并针对不同的用户需求和不同的应用目的，实现快速、灵活的组合和重配置，保证了系统范围内的互操作和可重用。

而基于HLA 的虚拟环境框架是一个支持快速开发的可复用的软件框架，它采用面向对象软件设计模式和编码技术，对分布式仿真需要的RTI功能接口进行面向对象的封装，使之成为一个比 RTI 更高级的，实时性良好的分布式计算环境。同时，应该以可移植和开放的方式支持尽量多的虚拟现实设备接口，提供虚拟环境生成的高层API，以简化虚拟现实系统开发的复杂性。其功能集中地表现在三个方面:

1) 虚拟场景的结构与组织管理，即对不同功能、不同性质的仿真实体进行分类并统一组织与管理，提供关于各种对象创建、删除、定位等服务;

2) 仿真对象的分布式交互与调度，即支持HLA 的各种时间管理策略，提供回调与事件通知机制，使整个系统范围内的对象按给定的时序和消息传递关系进行工作;支持对象属性与交互的订购与发布;

3) 集成沉浸式人机交互设备和接口，并利用事件驱动和回调函数机制与场景对象组织、仿真对象管理功能集成。

在虚拟环境框架中集成了 HLA/RTI 作为分布式仿真支撑工具，集成了虚拟场景生成和绘制工具作为渲染引擎，集成了沉浸式交互设备作为人机接口，按照软件模块的分层结构，可以划分为数据服务和交互层、虚拟环境和仿真管理层和用户界面层三个层次，用户对数据的访问请求，通过界面层提供的用户界面输入，经过环境和仿真层中的各种服务转换为对数据服务层的访问请求(或HLA交互请求)，数据服务或HLA服务处理请求后，将结果通过中间层，返回给界面层输出。

本发明采用高层体系结构（HLA）作为三维仿真平台的开发框架，它具备标准化，通用性、重用性好，具备开放的体系结构,易于扩展等优点。

Claims (9)

1.一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，包括三维仿真子系统和后台管理子系统，所述三维仿真子系统包括用户管理单元、设备选取单元和设备检修单元，所述用户管理单元用于用户进行注册和登录；所述设备选取单元用于选取要检修的变电设备；所述设备检修单元用于用户对所述变电设备的检修进行学习、练习和考试；所述三维仿真子系统存储于服务器上，用户通过浏览器对所述三维仿真子系统进行操作；所述后台管理子系统存储于服务器上，包括评价管理单元和试题管理单元，所述评价管理单元用于存储用户操作记录和考核结果；所述试题管理单元用于编辑、存储考试试题。

2.根据权利要求1所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述系统包括学习模式、练习模式和考试模式，当所述系统处于学习模式时，所述设备检修单元用于用户学习与所述变电设备检修相关的教学内容；当所述系统处于练习模式时，所述设备检修单元用于用户在虚拟场景中对所述变电设备进行检修练习；当所述系统处于考试模式时，所述设备检修单元用于用户对所述变电设备的检修进行考试。

3.根据权利要求1所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述变电设备包括断路器、隔离开关、GIS设备和高压开关柜。

4.根据权利要求1所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述设备检修单元包括任务介绍模块、检修作业卡模块、检修工具选取模块和检修模块，所述任务介绍模块用于对所述变电设备检修教学内容的介绍；所述检修作业卡模块用于对所述变电设备检修科目的总览；所述检修工具选取模块用于选择检修所述变电设备所需要的工具；所述检修模块用于对所述变电设备进行仿真检修操作。

5.根据权利要求4所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述检修工具包括工器具、仪器、人物着装。

6.根据权利要求4所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述检修模块包括当前工具子模块、工具包子模块、操作步骤子模块、视角切换子模块、动画回放子模块、操作记录子模块、数据存储子模块、文档查询子模块、系统设置子模块和退出系统子模块。

7.根据权利要求5所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述系统设置子模块包括解说音量设置单元、背景音乐设置单元、视角渲染半径设置单元和恢复初始设置单元。

8.根据权利要求1所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述试题管理单元包括系统管理模块和培训考核模块，所述系统管理模块用于维护用户和系统权限分配；所述培训考核模块用于考试题目相关设置以及查询修改。

9.根据权利要求1所述的一种变电设备检修仿真培训系统，其特征在于，所述变电设备检修仿真培训系统采用高层体系结构的开发框架。