CN109215432A - 一种基于vr虚拟技术的电厂操作培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，该系统包括用于电厂操作培训的服务器端以及用于参培人员实际操作的客户端，所述的服务器端和客户端通过以太网连接；所述的服务器端包括：二维仿真平台：对电厂设备进行监控仿真；三维仿真平台：建立电厂设备模型并形成电厂虚拟场景，同时接收客户端参培人员实际操作数据形成操作反馈；所述的二维仿真平台通信连接三维仿真平台，所述的三维仿真平台连接至以太网。与现有技术相比，本发明能实现虚拟培训，在保证培训效果的前提下，极大节省了培训成本，同时扩展性强，能有效规避培训风险。

Description

一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统

技术领域

本发明涉及一种电厂操作培训系统，尤其是涉及一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统。

背景技术

随着国民经济快速稳定发展，工业和民用的用电需求不断加大，这促使发电机组逐渐向大容量大功率方向发展，随着百万兆瓦级的大型机组的投入运行，大量的新技术应用其中，火电站系统变得愈加复杂，因此对于火电站机组操作的要求也越来越高。

传统的设备技术资料检索主要是在需要时采用人工方式查阅，而这些资料一般是平面图纸和文字说明(以二维CAD为主)，表达方式比较抽象，内容枯燥无味，而且不同专业的员工对图纸和文字资料的理解可能会存在主观上的差异。这往往会导致技术人员把大量的精力投入到查找和理解资料上，从而造成时间上的浪费。同时理解一个设备的CAD图纸，需要一种将二维图纸转化为三维设备的空间思维，这需要技术人员具有很强的三维空间能力，给技术人员在对设备理解上增加了难度。

目前电厂并没有一种直观的形式体现设备的常见缺陷，相关技术人员对设备常见缺陷的了解只是依赖于经验的积累。这种依靠经验积累来判断缺陷的方式往往会由于技术人员的岗位流动而对电厂企业造成一定的风险和损失。目前电站设备的操作过程大多依据纸质的规章流程、验收标准等，一方面，这些以文字描述方式呈现出来的操作过程常常让技术人员难以理解，他们需要反复查看设备图纸等相关资料并详细了解现场设备才能掌握某个操作工艺的规程和标准；另一方面，这种方式不能直观呈现或预测操作的结果，技术人员只能通过自己的想象对被操作设备进行某种结果上的设想，而这种设想往往和他们的经验有关。因此在指定操作前期需要确定合理操作方案的时候，只能依靠经验丰富的资深技术人员来评判方案的合理性，如果火电站从未对某些设备进行过操作，方案的指定只能依靠其他设备的操作经验或者凭空想象进行，这样会大大增加设备操作过程中的潜在风险。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，该系统包括用于电厂操作培训的服务器端以及用于参培人员实际操作的客户端，所述的服务器端和客户端通过以太网连接；

所述的服务器端包括：

二维仿真平台：对电厂设备进行监控仿真；

三维仿真平台：建立电厂设备模型并形成电厂虚拟场景，同时接收客户端参培人员实际操作数据形成操作反馈；

所述的二维仿真平台通信连接三维仿真平台，所述的三维仿真平台连接至以太网。

所述的二维仿真平台和三维仿真平台之间设有三维平台数据库，所述的三维平台数据库通过数据库接口连接至二维仿真平台。

所述的三维仿真平台包括：

电厂设备模型建立模块：该模块建立电厂设备模型，包括三维模型、动作特性模型、电气特性模型和数据接口模型，所述的三维模型用于描述电厂仿真设备，所述的动作特性模型用于描述电厂设备动作，所述的电气特性模型用于描述设备异常状态，所述的数据接口模型提供电厂仿真设备和系统交互的数据接口；

电厂虚拟场景生成模块：该模块根据二维仿真平台指令，利用建立的电厂设备模型构建生成电厂虚拟场景。

所述的电厂设备模型建立模块采用3DS Max建立电厂设备模型，建立电厂设备模型时采用细节层次技术建立对应的电厂设备模型。

所述的电厂虚拟场景生成模块采用有向无环图组织电厂虚拟场景中的结点，所述的节点对应电厂仿真设备。

所述的客户端包括多台学员机，所述的学员机均连接至以太网。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)常规培训由于设备、场地、经费等硬件的限制，许多培训都无法进行，本系统提供了虚拟操作培训系统，职工可以方便的做各种培训内容，同时获得与真实培训一样的体会，在保证培训效果的前提下，极大节省了培训成本。

(2)真实运行操作的培训往往会带来各种危险，利用本电厂操作培训系统进行虚拟培训，职工在虚拟实验环境中可以放心地去做各种危险的培训实验，例如：虚拟的500KV开关操作教学培训系统，机组投产后无法进行实际操作培训，而通过本系统则可以实现身临其境的教学培训，同时能有效规避风险；

(3)本系统建立的电厂虚拟场景可以根据随时生成新的设备进行虚拟，培训内容可以不断更新，使实践训练及时跟上设备升级改造和技术发展，扩展性强；

(4)本系统具有沉浸性和交互性，可以使职工在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到环境中去，这非常有利于职工的技能训练、安全防护训练、设备操作训练等各种职业技能的训练。而且由于虚拟的训练系统无任何危险，职工可以反复练习，直至熟练掌握操作技能为止；

(5)本系统培训后产生的各项数据可以为培训部门、厂领导提供及时可靠的培训考核数据，从而为后期的培训重点、难点提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统的整体结构框图；

图2为本发明三维仿真平台中的电厂设备模型的具体构成框图。

图中，1为二维仿真平台，2为数据库接口，3为三维平台数据库，4为三维仿真平台，5为以太网，6为学员机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，该系统包括用于电厂操作培训的服务器端以及用于参培人员实际操作的客户端，服务器端和客户端通过以太网5连接；

服务器端包括：

二维仿真平台1：对电厂设备进行监控仿真，具体地，二维仿真平台1实现电厂仿真、监控系统仿真和教员功能，通过二维仿真平台1对三维平台下达指令，并且接受三维平台的反馈；

三维仿真平台4：建立电厂设备模型并形成电厂虚拟场景，同时接收客户端参培人员实际操作数据形成操作反馈，具体地，三维仿真平台4通过对电厂设备模型的建立以及对电厂虚拟场景的生成，实现对现场设备的虚拟操作及操作人员的漫游，并且接收二维平台的指令，上传其操作结果；

二维仿真平台1通信连接三维仿真平台4，三维仿真平台4连接至以太网5。

二维仿真平台1和三维仿真平台4之间设有三维平台数据库3，三维平台数据库3通过数据库接口2连接至二维仿真平台1，三维平台数据库3按照电厂三维仿真要求把三维仿真平台4仿真所涉及到的信息，综合分析仿真平台的各种设备内在以及设备之间的数据联系建立数据库，以二维数据表的形式表示三维仿真平台4的元素数据层面的各种逻辑联系，以及三维仿真平台4和二维仿真平台1的逻辑联系。

上述二维仿真平台1主要为普通电厂监控室PC端，其主要是对电厂运行系统进行监控，并且通过在二维仿真平台1上操作来对三维仿真平台4下达指令，同时接受三维仿真平台4的反馈结果。

客户端包括多台学员机6，学员机6均连接至以太网5。

三维仿真平台4包括：

电厂设备模型建立模块：该模块建立电厂设备模型，包括三维模型、动作特性模型、电气特性模型和数据接口模型，三维模型用于描述电厂仿真设备，动作特性模型用于描述电厂设备动作，电气特性模型用于描述设备异常状态，数据接口模型提供电厂仿真设备和系统交互的数据接口，具体组成如图2所示，其中动作特性模型、电气特性模型和数据接口模型属于功能元素类模型；

电厂虚拟场景生成模块：该模块根据二维仿真平台1指令，利用建立的电厂设备模型构建生成电厂虚拟场景。

(1)电厂设备模型建立

电厂设备模型建立模块采用3DS Max建立电厂设备模型，建立电厂设备模型时采用细节层次技术建立对应的电厂设备模型。具体地：

三维模型类元素利用3Ds Max通过组合不同的子模型来创建新的模型，并且通过纹理和材质来增强其真实性。

动作特性类元素用于描述设备动作，如开关的开合、小车的推入拉出等，系统通过支持关键帧的模型来实现电厂设备的操作，在具体显示过程中，通过关键帧之间进行插值处理来显示操作效果。

电气特性类元素用于描述设备异常，系统在图元编辑器中，采用子模型交替显示、纹理替换和增加特效的方式来实现。子模型交替显示。设备故障，预先在同一位置设置几个尺寸相同的子模型，它们分别与不同的故障及正常状态，通过显示某个子模型并隐藏其它子模型的方法来模拟故障；系统对于地线锈蚀、设备脏污等故障，通过纹理替换来实现，以此降低显示成本；对于冒蒸汽、冒烟、爆炸等，系统通过粒子系统的特效功能来实现。

数据接口类元素提供仿真对象和系统交互的数据接口。本系统的数据接口指在Virtools环境下用于记录和描述模型的各种相关信息的二维数据表Array，用于随后的平台间信息交互。

三维模型类元素采用3DS Max建模，依据实际采集的图片资料和数据尺寸按照一定的比例建立各种仿真对象的模型，设置各种模型的贴图、材质、位置、动画，文件以*.Max格式保存。利用Virtools自带的插件从3DS Max中导出设备并把三维模型保存为*.NMO格式文件(Virtools环境中的三维模型文件格式)，以便在Virtools环境中利用BB编写脚本程序，从而赋予三维模型动作特性和电气特性。同时模型可以导出物体、角色、动作等，并定制导出物各种属性，如几何体选项、材质和纹理选项、动作选项、体型转换方式等。电厂设备利用导出插件导出后的文件导入virtools环境的三维模型，系统通过拖曳BB编写脚本来描述三维模型类元素的动作特性类元素、电气特性类元素和数据接口类元素，完成动作特性模型和电气特性模型建模，文件保存为*.CMO格式，通过修改变为*.NM O格式文件，完成模型建立，按照一定标准对模型分类编号并放入模型库，为后续开发作好准备工作。

系统建立的功能类元素在VT内以脚本(*.nms格式文件)、VT对象(*.CM O格式文件)和Array(VT环境下二维数据表)等形式存在。由三维模型库元素和功能对象库元素生成各种三维仿真平台4对象(*.nmo格式文件)。

电厂仿真培训平台集中了多种电气设备，三维场景中的面片数将超过500万，场景中采用粒子系统方法模拟看火、爆炸、烟雾等特殊效果和雨雪等气候条件，粒子总数超过了15万个。设备仿真、三维漫游和实时交互要求达到15-25帧/秒的速率。对于微机平台来说，场景复杂度远远超出了系统的处理能力。因此系统采用细节层次(LOD)模型在不降低图片质量的前提下提高绘制速度。如果视点离物体越远，就使用低LOD来表示模型；视点离物体越近，就使用高LOD来表示模型。系统通过选择恰当的LOD模型方法，从而加速图形显示，同时减小细节损失。

(2)电厂虚拟场景生成

电厂虚拟场景生成模块采用有向无环图组织电厂虚拟场景中的结点，节点对应电厂仿真设备。

具体地，假设一个基本场景树包括一个父结点和若干子结点，每个子结点又可以带有多个自己的子结点。同时每个子结点自动继承了父结点的所有属性，并且可以带有自己的属性。

系统根据电厂布局图纸，在3DS Max中按照1:1000的比例建立三维场景模型并用导出插件导出场景保存为场景模型(*.NMO格式文件)，同时建立场景父结点模型。根据电厂设备布局安装图纸，建立各种电力设备和场景的空间约束关系，通过在Virtools环境中建立二维数据表格Array记录各种设备的坐标信息，描述各种设备和场景父结点的空间约束关系。然后通过前面确立的设备和场景的空间约束关系在Virtools环境中编写脚本，并按照各种设备的空间位置坐标信息所示的数据动态载入各种类型的设备，同时按照电厂中各种设备的空间约束信息摆放好各种设备，激活各种设备功能特性如电气特性和动作特性，为后续交互做好准备。

上述三维平台数据库3的构建主要包括：

(1)数据库总体架构

本系统采用分布式多层体系结构实现数据库的搭建。系统多层体系结构将数据处理任务分布在几个不同的系统中完成。系统在实现过程中采用三层结构的应用程序总体架构。

数据层：系统通过连接不同的数据源提取原始数据，并对这些数据进行分析处理，抽取需要交换的数据信息。

交换层：数据映射统一格式表示并进行数据编码。

应用层：系统通过应用程序实现数据库应用程序需求，并通过交换层返回相关执行结果。

(2)数据库数据分类

系统对支撑仿真培训系统的运行，实现其功能的各类数据作了归类整理，把仿真平台的数据分为如下几类：基本信息数据，设备异常信息数据，设备操作信息数据和系统信息数据。

基本信息数据：记录三维仿真平台4的所有设备基础信息，如名称、编号、电压等级、设备类型、三维坐标信息等等。包括设备表、电压等级表、一次设备类型表、二次设备类型表、辅机设备类型表等。

设备异常信息数据：用于描述各种电力设备的异常。针对电厂操作的相关特点，系统数据库设计按照国家电网颁布的电厂操作规程，结合电厂运行经验，确定各种设备巡视点，通过编程在三维仿真平台4实现异常信息可视化。

设备操作信息数据：用于描述各种电力设备的操作。电厂的设备操作数据结构有其自身的特点，系统采用由多个设备构成的间隔为单位，这个间隔内的所有设备操作都由这个间隔的操作箱或操作柜控制。系统通过建立设备操作信息数据库结构信息数据表，列举三维仿真平台4涉及的所有仿真设备的常见操作。

系统信息数据：三维仿真平台4的运行的一些系统辅助信息。系统将设备发生的异常及发生时间和处理时间建立数据列表，同时根据不同登录人员设置系统用户，授予不同的访问权限。

(3)二维平台与三维平台间交互

采用SQL Server 2000作为数据库管理工具。系统仿真所需要的基础数据和仿真数据都以数据表格的形式存储在SQL数据库中，由于三维仿真平台4开发环境Virtools不能直接调用SQL数据库，所以系统需要把SQL数据库数据映射到Virtools开发环境下的Array。SQL数据库数据通过ODBC数据库驱动程序安装到Virtools Server。Virtools Server内嵌组件库中存有大量封装好的组件来支持数据的操纵，系统可以通过在Virtools中编写脚本Virtools可以访问安装在Virtools Server上的数据库，同时把这些结果复制到作品文件中的Array中。

系统中Array充当程序文件和数据库之间的接口的作用。在本地的程序中对Array进行调用，可以执行SQL的语法，可以删除数据库表格中的数据，可以新增数据至数据库中，同时也可以更新数据库数据。从而实现三维仿真平台4与二维仿真平台1之间数据的实时交互。

本发明基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统具体构建过程为：

(1)整理用户对电厂虚拟操作培训系统的需求。

(2)采集用于虚拟巡视的电厂设备信息。主要包括汽轮机、断路器、隔离开关、避雷器等现场设备各个角度的全景照和主设备上各个巡视点的局部特写照片。并收集设备异常、事故时的现场照片。

(3)采集用于开发界面的电厂设备信息。通过现场拍照方式记录电厂监控微机上所显示的主接线，光字牌等信息；通过录像、拍照、画图等方式记录保护控制室内所有保护屏柜的布置图和每一屏柜上的具体装置，为系统开发界面提供依据。

(4)采集用于记录设备数据的电厂设备信息，包括所有设备的相关参数、配电容量、保护整定以及设备运行状态等信息。

(5)采集用于虚拟操作的电厂操作案例，例如110KV开关柜操作等。

(6)开发用户界面模块，人员巡视模块和设备数据模块，并进行相应的界面调试。同时根据现场采集的数据开发仿真系统界面，按照实物的照片、录像等通过3DS MAX建立三维仿真模型，通过Virtools生成虚拟场景。开发仿真系统的设备巡视与操作功能，通过计算机输入输出实现人机交互。

(7)利用SQL Server 2000建立分布式多层体系结构的实时数据库，系统的三维仿真平台4和二维仿真平台1以数据库数据为桥梁通过ODBC数据库驱动程序实现数据共享和交互。教员通过在二维仿真平台1进行操作来对三维平台下达指令，学员通过学员机6登录三维仿真平台4进行虚拟操作培训，接受二维平台的指令，执行相关操作，并且通过数据库将操作结果反馈给二维平台。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (6)

1.一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，该系统包括用于电厂操作培训的服务器端以及用于参培人员实际操作的客户端，所述的服务器端和客户端通过以太网(5)连接；

所述的服务器端包括：

二维仿真平台(1)：对电厂设备进行监控仿真；

三维仿真平台(4)：建立电厂设备模型并形成电厂虚拟场景，同时接收客户端参培人员实际操作数据形成操作反馈；

所述的二维仿真平台(1)通信连接三维仿真平台(4)，所述的三维仿真平台(4)连接至以太网(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，所述的二维仿真平台(1)和三维仿真平台(4)之间设有三维平台数据库(3)，所述的三维平台数据库(3)通过数据库接口(2)连接至二维仿真平台(1)。

3.根据权利要求1所述的一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，所述的三维仿真平台(4)包括：

电厂设备模型建立模块：该模块建立电厂设备模型，包括三维模型、动作特性模型、电气特性模型和数据接口模型，所述的三维模型用于描述电厂仿真设备，所述的动作特性模型用于描述电厂设备动作，所述的电气特性模型用于描述设备异常状态，所述的数据接口模型提供电厂仿真设备和系统交互的数据接口；

电厂虚拟场景生成模块：该模块根据二维仿真平台(1)指令，利用建立的电厂设备模型构建生成电厂虚拟场景。

4.根据权利要求3所述的一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，所述的电厂设备模型建立模块采用3DS Max建立电厂设备模型，建立电厂设备模型时采用细节层次技术建立对应的电厂设备模型。

5.根据权利要求3所述的一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，所述的电厂虚拟场景生成模块采用有向无环图组织电厂虚拟场景中的结点，所述的节点对应电厂仿真设备。

6.根据权利要求1所述的一种基于VR虚拟技术的电厂操作培训系统，其特征在于，所述的客户端包括多台学员机(6)，所述的学员机(6)均连接至以太网(5)。