CN108154772A - 基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括建立变电站协同仿真培训系统架构模型；基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。本发明基于混合异构层次化过程建模技术及基于Petri网共享子网合成技术的并发控制模型，实现了电力检修任务的层次化过程建模、分布式协同并发控制、异步消息延时控制，结合Unity3D虚拟现实引擎技术开发了变电站协同仿真培训系统，实现了多人协同开展配电倒闸检修操作的典型场景应用，破解了变电站多工种参与检修仿真训练的培训困境，对其他多人协作的作业场景开发具有一定的借鉴意义。

Description

基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，属于变电站协同仿真领域。

背景技术

随着电力行业的高速发展，电力系统中新设备、新技术的应用日趋广泛和复杂，对电力系统运行检修人员提出了更高的要求，而培训正是提高电力系统运行操作人员素质及保证电力系统安全、稳定运行的重要手段之一。由于电力系统的特殊性，很难在实际运行的系统和设备上对人员进行培训，因此，近年来，采用与实际电力系统运行状况相似的变电站仿真培训系统成为主要的解决办法。然而，目前国内电力行业变电站培训仿真系统主要采用Virtools、VRML等传统仿真工具实现的桌面式单人仿真操作方式，其真实感、临场感、表现力和交互性都有待改进，并且无法适用于两票三制培训、倒闸操作培训等大部分多工种协同交互的场景。

虚拟现实技术的高速发展及在工业领域的不断普及，使变电站运维检修作业培训技术从传统的实装培训、桌面仿真发展到以计算机仿真技术和虚拟现实技术结合的虚拟实操训练阶段。同时，由于变电站运维检修任务复杂度和要求的不断提高，特别是针对多个复杂电气设备及多工种人员参与的作业任务，变电站虚拟实操训练正逐渐向分布式网络协同化操作新模式转变，因此基于分布式网络的变电站协同虚拟仿真培训应运而生。变电站虚拟协同仿真培训系统，就是以计算机、分布式网络和虚拟现实软硬件等技术为基础，将分散在不同地点、运行于不同计算平台的虚拟现实变电检修工作场景通过网络连接在一起，共享一个逼真的虚拟变电站操作环境，使得多个变电检修人员在其中同时、同步的协作进行特定作业的训练任务。近年来，分布式虚拟现实网络环境下协同仿真问题受到了国内外研究者的广泛关注，并在操作过程建模、协同并发控制等不同领域的问题研究取得的很多成果，但对支持分布式网络环境下多人协同交互的变电站运维检修仿真系统研究有限。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括以下步骤，

建立变电站协同仿真培训系统架构模型；

基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。

变电站协同仿真培训系统架构模型包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层；

协作交互层：为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示；

表示驱动层：负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新；

业务控制层：负责管理任务场景，并对分布式环境下协同用户进行并发控制，同时模拟仿真计算。

协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块；虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户交互行为并进行数据转换。

表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块以及并发监听模块；变电站操作场景加载器：根据用户所处的位置、选择的任务场景，将电气设备资源按照一定的顺序和状态加载；电气设备资源库：将虚拟变电站中电气设备资源加载到本地客户端；协同对象管理模块：负责其他协同对象的动态地加入、行为状态更新以及退出；并发监听模块：建立客户端与服务端的网络通信，负责监听本地共享资源的变化并向服务端发送变更通知，同时接受服务端发送的共享资源变更通知，进行共享资源更新。

业务控制层包括场景任务管理模块、并发控制模块及仿真计算模块；场景任务管理模块：负责建立标准化作业任务场景；并发控制模块：当多个用户对同一共享资源对象操作而引起冲突时，由并发控制模块采用并发控制算法来解决一致性和同步问题；仿真计算模块：集成电力仿真计算模块，对客户端用户设备模拟操作数据进行模拟计算后更新电气设备数据，并触发结果数据同步到共享场景的客户端。

基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统的过程为，

标准化作业流程的混合异构层次化过程建模；

基于Petri共享子网的并发控制模型。

标准化作业流程的混合异构层次化过程建模包括，

任务层建模；

作业层建模；

设备原子动作层建模。

任务层模型：通过定义主体电气设备，从电气连接关系分析角度出发，表述主体电气设备间的电气连接约束关系和倒闸操作流程控制信息；

作业层模型：描述以主体电气设备的某一工作状态或作业结果为目标的动态操作行为及其顺序约束关系；

设备层模型：对作业过程所包含的具有操作响应逻辑的电气设备和工器具的具体动作行为和控制逻辑进行描述。

本发明所达到的有益效果：本发明将虚拟现实、协同交互等技术集成到变电检修仿真培训系统中，实现了多人协同开展配电倒闸检修操作的典型场景应用，破解了变电站多工种参与检修仿真训练的培训困境，对其他多人协作的作业场景开发具有一定的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为变电站协同仿真培训系统架构模型图；

图3为电力虚拟仿真操作过程分层模型图；

图4为电缆更换作业等效电气图；

图5为作业层状态变迁算法流程图；

图6为作业过程Petri网模型图；

图7为Petri网共享子网PN1结构图；

图8为Petri网共享子网PN2结构图；

图9为异步消息并发控制模型图；

图10变电站协同仿真系统响应时间对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括以下步骤：

步骤1，建立变电站协同仿真培训系统架构模型。

作为一个针对变电站多人协同的仿真培训系统，在设计思想上应该包括：1、构建变电站虚拟电气设备资源模型，实现物理特征、电气特性的模拟，实现电气设备的操作演示及电气状态变化；2、实现标准化变电检修作业过程的建模，通过建立操作流程、操作行为及虚拟电气设备元件和响应状态之间的逻辑关系模型，为用户提供虚拟仿真环境中，按照实际作业流程及电气设备的动作行为和状态变化约束条件下的完整仿真操作；3、实现多人共享虚拟环境下协同感知的一致性；4、实现同一共享作业场景环境下的协同仿真，分布在不同地点的检修人员利用虚拟现实终端设备根据任务调度和分配进行协作交互。

基于上述设计思想，变电站多人协同仿真培训系统按照CSCW的系统层次可以包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层，如图2所示。

协作交互层：该层位于最上层，为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示。

协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块。虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，是将电气设备、其他协同用户等对象加载形成的虚拟变电站各项任务场景集合，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性，包括设备温度、线路带电信息、开关状态等；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户的语音、动作等交互行为并进行数据转换。

表示驱动层：该层基于专业虚拟现实3D引擎打造的虚拟现实终端功能驱动的核心部分，它部署在每个用户的客户端，负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新。

表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块以及并发监听模块。变电站操作场景加载器：根据用户所处的位置、选择的任务场景，将电气设备资源按照一定的顺序和状态加载；电气设备资源库：将虚拟变电站中电气设备资源加载到本地客户端；协同对象管理模块：负责其他协同对象的动态地加入、行为状态更新以及退出；并发监听模块：建立客户端与服务端的网络通信，负责监听本地共享资源的变化并向服务端发送变更通知，同时接受服务端发送的共享资源变更通知，进行共享资源更新，从而保障协同用户间共享资源的一致性。

业务控制层：负责管理任务场景，并对分布式环境下协同用户进行并发控制，同时模拟仿真计算。

业务控制层包括场景任务管理模块、并发控制模块及仿真计算模块。场景任务管理模块：负责建立按照变电站检修运维两票三制、倒闸操作等电气设备间的约束关系构造标准化作业任务场景；并发控制模块：当多个用户对同一共享资源对象操作而引起冲突时，由并发控制模块采用并发控制算法来解决一致性和同步问题；仿真计算模块：集成在线监测系统、SCADA系统、Matlab潮流计算等电力仿真计算模块，对客户端用户设备模拟操作数据进行模拟计算后更新电气设备数据，并触发结果数据同步到共享场景的客户端进行电气设备状态的更新操作。

步骤2，基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。

变电站协同仿真培训系统主要用于解决复杂变电检修作业的仿真问题。这里的复杂作业是指设备结构复杂、过程复杂、多角色参与，需要采用多层次建模方法才能完成的连续-离散事件的混合，具有明显的混合异构层次化模型的特点。变电站协同仿真培训系统应基于面向对象的连续-离散事件混合系统建模、仿真方法，应用协同虚拟环境技术(CVE)的思想，解决对象建模、行为并发控制、数据的一致性同步等方面的问题：混合异构层次化过程建模、分布式协同并发控制以及分布式网络同步延迟控制。

系统实现过程如下：

1)标准化作业流程的混合异构层次化过程建模。

虚拟现实电力仿真培训系统作为一个以操作过程为核心的仿真系统，操作过程模型是实现系统仿真操作功能的核心，其定义和描述方式决定了系统的可用性、可扩展性及可维护性。实际作业过程是按照安全规程、作业规范和电气操作规程规定的顺序和方法对电气设备、试验仪表仪器和工器具等对象所完成的一系列作业活动或操作行为的有序组合。本质上是通过建立操作流程、操作行为及虚拟操作元件和响应状态之间的逻辑关系模型，控制用户的仿真操作行为及其与仿真操作对象间的操作响应逻辑，使用户能够在虚拟现实仿真环境中按照实际作业流程及设备的动作行为和状态变化约束条件下完整、正确地执行仿真操作。

参考机械加工工艺过程和现有的虚拟维修仿真任务层次分解方法，将混合异构层次化建模方法(Hybrid Heterogeneous Hierarchical Modeling)引入变电站仿真作业过程模型的建模过程，包括任务层建模、作业层建模和设备原子动作层建模；变电站虚拟仿真操作过程模型抽象出三个层次：任务层模型(任务电气操作行为模型)、作业层模型(作业过程模型)和设备层模型(设备动作原子事务行为模型)，从而构建过程模型框架，如图3所示。

在具体实现时，采用面向对象的方法建模，是建立层次化、模块化框架的有效途径，仿真模型中的对象都可以表达为：对象＝<属性+行为>+关系接口。

任务层模型：通过定义主体电气设备，从电气连接关系分析角度出发，表述主体电气设备间(即作业过程间)的电气连接约束关系和倒闸操作流程控制信息。主体电气设备的具体操作过程通过作业模型反映实施细节和操作流程。

任务层建模方法：

作业过程必定会包含电气设备运行状态(运行-热备用-冷备用-检修)的转换和操作(合、解环)变化，而作业过程应严格遵循电气设备见的倒闸操作顺序。任务层模型就是根据作业的目标状态，利用一系列的操作逻辑函数来描述一个顺序控制逻辑约束下的过程控制。

其中，操作逻辑函数根据电气设备的运行状态及可操作性与否设置为“1”或“0”，利用与、或、非等逻辑操作来定义任务层模型。

例如操作逻辑函数F(QF)＝QSW*QSL，表示当QSW和QSL都在闭合状态时，QF才能被操作(断路器QF，隔离开关QSW当前状态为1，线路侧隔离开关QSL当前状态为1)。

以配电网停电更换电缆任务操作过程为建模实例说明各个层次的过程构建方法。如图4所示，描述了电缆更换任务的主体电气设备等效电气接线图，其中A表示1#箱开的断路器、B表示1#箱开电缆O侧的接地开关、C表示2#环网柜支路负荷开关、D表示2#环网柜支路接地开关、E表示3#柱上断路器、H表示3#柱上断路器母线侧隔离开关、K表示3#柱上断路器线路侧隔离开关、O表示待更换的电缆线路。

为达到目标电气状态，对主体电气设备执行的电气操作行为顺序应该为：3#柱上联络开关->1#箱开->2#环网柜->1#箱开->电缆线路O。

操作前主体电气设备的初始状态为：A＝1，C＝1，E＝0。执行完操作步骤1#箱开后，各设备状态为A＝0，C＝0，E＝1，B＝1，D＝1，O＝0。为实现O＝1的最终电气状态，可知电缆O的操作逻辑函数表示当1#箱开的断路器和2#环网柜支路负荷开关处于断开状态，1#箱开电缆O侧的接地开关和2#环网柜支路接地开关处于闭合状态时，电缆线路O允许实施操作行为。

作业层模型：描述以主体电气设备的某一工作状态或作业结果为目标的动态操作行为及其顺序约束关系。

作业层建模方法：

作业层模型针对主体电气设备的作业目标，描述了实现作业目标所实施的现场操作行为和执行流程，作业过程中的任意操作行为都是针对主体电气设备及其操作工器具进行的。作业层模型可归纳为作业目标和作业内容信息，其中作业目标是作业执行完毕后主体电气设备的某个期望状态，作业内容则包含操作可行条件、操作行为和顺序关系。根据上述特征，基于简单的Petri网构建作业层模型。

定义1：设PN＝(P，T，F，M₀)是一个普通的Petri网系统，其中P表示库所，T表示变迁，F表示变迁指向库所或库所指向变迁的流关系，M₀表示Petri网的初始标识。

定义2：设M₁＝CU+M₀是Petri网中初始标识和可达标识之间的关系，其中：M₀表示Petri网的初始标识，M₁表示Petri网的可达标识，C为Petri网的关联矩阵，U表示变迁序列向量。

根据定义2公式，从初始条件M₀开始，根据U变迁序列的取值，即操作行为事件的不同，对变迁事件的发生权进行推理判断。若变迁在当前标识条件下具有发生权，则对应执行操作具备许可权，否则变迁不允许发生，具体步骤如图5所示。

针对图4任务中作业1“闭合3#联络开关的隔离刀闸和断路器，进行倒闸操作”为例进行建模示例，构造作业Petri网如图6所示，描述作业过程的Petri网模型的库所和变迁定义如表1和表2所示。

表1库所定义表

表2变迁定义表

变迁标号	变迁定义
		t1	核对双重编号
t2	设置安全围栏
		t3	绝缘操作杆自检
t4	闭合刀闸H
		t5	闭合刀闸K
t6	闭合开关
		t7	拆除警示牌
t8	拆除安全围栏

基于图5的推理方案，首先构造下面所示图4作业1过程EN网的关联矩阵。

由图6所知，初始状态库所P2、P5、P7、P9为1，可得初始标识M₀＝[010010101000]。此时，如果用户实施操作行为“闭合刀闸H”，即t4，用变迁序列矩阵u＝[00010000]-1表示，根据图5所示算法，可发现M(满足t4发生的条件标识)、M₀对比后P3、P4对应条件不满足，当前操作不予发生。

设备层模型：对作业过程所包含的具有操作响应逻辑的电气设备和工器具的具体动作行为和控制逻辑进行描述，是操作行为描述的最小单元。将设备层模型定义为原子级事务模型，在设备层模型执行过程中不可被共享虚拟空间的其他人打断。

设备层建模方法：

设备原子动作指的是电气设备和工器具的可动零部件根据设备控制系统和机械闭锁，而使其动作遵循的操作响应关系。而电气设备和工器具的动作行为是由有限的状态组成的一个集合，动作行为决定元件的当前状态和输入，输入的结果导致电气设备和工器具状态的变化。因此，设备层模型可以利用有限状态机来表示。

以上文作业1中对应的设备为例进行设备层建模示例，例如安全围栏状态的变化可如表3所示。

表3安全围栏状态转移表

2)基于Petri共享子网的并发控制模型。

由图6所知，所有的变电站仿真作业都可以通过Petri网进行建模，即使多人协作的作业场景也不例外。

定义3：设PN_i＝(P_i，T_i，F_i，M_0i)(i＝1，2)是两个Petri网系统，满足下列条件：

P＝P₁∪P₂

P₁∩P₂＝φ

T＝T₁∪T₂

T₁∩T₂＝φ

F＝F₁∪F₂

则PN₁、PN₂是PN的共享子网。

由定义3可知，虚拟变电站协同仿真作业中，参与协作的多人分别执行作业的一个子网，同时多个子网共同构成整个作业，在同一时刻个人的操作统一遵循合成Petri网的状态变迁算法。

图7、图8表示图6中Petri网模型的两个共享子网，PN₁、PN₂可分别表示同一协作场景中的两个检修人员的作业模型，两个检修人员通过协作执行PN网络中的某一部分，合并完成作业PN。

因为同一作业场景下多个人员在接受作业任务的指示下，可同时访问同一个电气设备进行操作，为了实现对同一设备及操作的并发控制，可通过在各分布式终端系统维护一个合并Petri网副本，并与服务端合并Petri网进行一致性维护，可以有效实现分布式虚拟现实环境下的并发控制，同时大大减少由于网络造成的同步延迟问题，具体策略如图9所示。

由图可知，本地客户端和中心服务器都维护一套统一的合并Petri网络状态数据，所有的用户在进行操作前首先访问本地Petri网络进行变迁使能判断，如果条件使能，将同步执行作业操作并将变迁状态消息发送给中心服务器进行更新，而发起操作者的行为、语言、输入等交互数据将采用异步消息的形式进行发送。分布在各地的终端设备通过并发控制监听器监听服务端Petri网络的变化，一旦触发就立刻下载更新，大大降低了分布式虚拟现实环境下因时间延迟造成的资源访问冲突问题，实现了分布式变电站协同作业资源的并发控制。

系统实现及评测：

根据虚拟现实变电站协同仿真培训系统，实现了面向特高压变电站仿真培训场景的典型应用，用户利用虚拟现实交互终端设备登录培训系统后，选择任务操作场景进行仿真操作。以变电站倒闸操作培训为例，虚拟变电站完成设备对象加载后，用户处于对应的虚拟场景中，并按照倒闸操作工作票流程进行操作培训。

作为一个标准化的瘦客户端网络服务模型，用户响应时间是衡量多用户共享虚拟环境并发控制机制性能的重要指标，对用户虚拟现实交互体验及操作的准确性尤为重要。用户响应时间指的是用户的操作结果反映到本地和远程界面上所需的时间。具体来讲，用户响应时间可分为本地响应时间和通告时间。本地响应时间是用户的操作结果反映到本地界面所需的时间，通告时间指所有其他参与协同工作的用户响应该用户的操作而改变共享对象，并在不同的客户端表现所需要的时间。

在实际评测过程中，在一天中不同的时间点开展了6次测试，如下图10所示，系统本地响应时间和局域网环境下通告时间误差基本都保持在0.01秒上下，而本地响应时间与异构网络环境下的响应时间误差扩大到0.03秒左右，根据目前VR终端设备90fps刷新率来看，分布式网络环境下的协同响应存在一定的失帧情况，但仍然处在可接受范围内。

本发明针对传统变电仿真培训系统中存在的沉浸感差、无法满足多人协同交互的问题，构建基于分布式协同虚拟环境技术的虚拟现实变电站协同仿真培训系统，将虚拟现实、协同交互等技术集成到变电检修仿真培训系统中，提出了基于混合异构层次化建模技术的作业过程建模技术及基于Petri网共享子网合成技术的并发控制模型，详细介绍了电力检修任务的层次化过程建模、分布式协同并发控制、异步消息延时控制策略等关键技术，并结合Unity3D虚拟现实引擎技术开发了变电站协同仿真培训系统，实现了多人协同开展配电倒闸检修操作的典型场景应用，破解了变电站多工种参与检修仿真训练的培训困境，对其他多人协作的电力作业场景开发具有一定的借鉴意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：包括以下步骤，

建立变电站协同仿真培训系统架构模型；

基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：变电站协同仿真培训系统架构模型包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层；

协作交互层：为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示；

表示驱动层：负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新；

业务控制层：负责管理任务场景，并对分布式环境下协同用户进行并发控制，同时模拟仿真计算。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块；虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户交互行为并进行数据转换。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块以及并发监听模块；变电站操作场景加载器：根据用户所处的位置、选择的任务场景，将电气设备资源按照一定的顺序和状态加载；电气设备资源库：将虚拟变电站中电气设备资源加载到本地客户端；协同对象管理模块：负责其他协同对象的动态地加入、行为状态更新以及退出；并发监听模块：建立客户端与服务端的网络通信，负责监听本地共享资源的变化并向服务端发送变更通知，同时接受服务端发送的共享资源变更通知，进行共享资源更新。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：业务控制层包括场景任务管理模块、并发控制模块及仿真计算模块；场景任务管理模块：负责建立标准化作业任务场景；并发控制模块：当多个用户对同一共享资源对象操作而引起冲突时，由并发控制模块采用并发控制算法来解决一致性和同步问题；仿真计算模块：集成电力仿真计算模块，对客户端用户设备模拟操作数据进行模拟计算后更新电气设备数据，并触发结果数据同步到共享场景的客户端。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统的过程为，

标准化作业流程的混合异构层次化过程建模；

基于Petri共享子网的并发控制模型。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：标准化作业流程的混合异构层次化过程建模包括，

任务层建模；

作业层建模；

设备原子动作层建模。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：任务层模型：通过定义主体电气设备，从电气连接关系分析角度出发，表述主体电气设备间的电气连接约束关系和倒闸操作流程控制信息；

作业层模型：描述以主体电气设备的某一工作状态或作业结果为目标的动态操作行为及其顺序约束关系；

设备层模型：对作业过程所包含的具有操作响应逻辑的电气设备和工器具的具体动作行为和控制逻辑进行描述。