CN110738881A - 变电运行仿真实训系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变电运行仿真实训系统及方法，所述系统包括教师PC电脑、半沉浸式液晶拼接大屏幕、学员PC电脑、学员VR一体机以及运行在上述设备上的仿真系统，所述仿真系统包括学习单元以及评价单元；教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学；教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员在观看的学员VR一体机实现电力设备模型和360度全景图片的观察和联动，实现互动教学；多个学员在多人VR系统中进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。

Description

变电运行仿真实训系统及方法
技术领域
本发明涉及教学系统开发技术领域，特别是一种针对变电运行的仿真实训系统及方法。
背景技术
在教学过程中，针对枯燥而且难以用语言表述的学习内容，通常采用设计实训装置来协助进行教学。对于电力系统的知识以及各种现场操作的内容以及规范等，更是难以采用语言描述来让学员们理解，学员学习起来非常困难，学习效果较差。为此学校设置了配合教学使用的变电运行仿真教学软件，但是就目前现有的变电运行仿真教学软件来说，存在的诸多缺陷：1)没有分阶段学习，一开始就让学员学习难度比较大的倒闸操作、设备巡视、事故处理等知识，导致学员对仿真软件上手入门困难；2)大多是枯燥的单人任务练习，学习过程比较枯燥、学员之间不能相互互动，导致学员学习兴趣不高；3)存在3D画面比较模糊、设备动画不够真实等问题，且只能通过PC电脑画面展示和交互，展示设备比较单一，不能让学员获得电力设备操作的真实手感和反馈；4)存在学习过程没有详细记录文本，教师考核不方便等问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种变电运行仿真实训系统及方法，能够解决现有仿真教学软件存在的入门困难、无法进行团队实训以及考核不便的问题，从而提高学员的学习兴趣，使学员能够更加深入的掌握变电运行知识。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
变电运行仿真实训系统，包括教师PC电脑、半沉浸式液晶拼接大屏幕、学员PC电脑、学员VR一体机以及运行在上述设备上的仿真系统，所述仿真系统包括学习单元以及评价单元；教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学；教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员在观看的学员VR一体机实现电力设备模型和360度全景图片的观察和联动，实现互动教学；多个学员在多人VR系统中进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。
上述变电运行仿真实训系统，所述学习单元包括变电运行微课教学模块、变电运行单项知识点学习模块、变电运行综合考核模块以及变电运行团队协作模块。
上述变电运行仿真实训系统，所述学习单元中设置有基于虚拟现实倒闸操作教学柜的倒闸操作训练；学员在虚拟现实倒闸操作教学柜中操作，该操作模拟真实电力设备发出开关操作信号，操作信号通过网络传递到教师PC电脑，教师PC电脑对操作信号和虚拟画面的仿真逻辑进行计算，将仿真结果图像输出到半沉浸式液晶拼接大屏幕上进行展示；虚拟现实倒闸操作教学柜根据当前操作票，动态模拟倒闸操作过程中的隔离开关操作箱、断路器汇控柜、保护屏压板、保护屏空开，在具有真实手感的虚拟现实倒闸操作教学柜上动手操作，在半沉浸式液晶拼接大屏幕上观看由虚拟仿真模块模拟的隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果。
上述变电运行仿真实训系统，所述虚拟现实倒闸操作教学柜的具体教学方法为：
A1.在教师PC电脑上的仿真系统中，选定某一个要进行倒闸操作训练的典型操作票，点击“同步到虚拟现实倒闸操作教学柜”按钮，通过网络，将要在仿真系统上操作的虚拟设备信息同步到虚拟现实倒闸操作教学柜；
A2.虚拟现实倒闸操作教学柜接收到步骤A1中的同步信息后，调用液晶屏显示管理模块程序，将要操作的虚拟设备编号在虚拟现实倒闸操作教学柜相应设备部件的LED上显示出来；同时，开启相应设备部件的状态信息数据采集卡；
A3.在教师PC电脑上的仿真系统中，按照倒闸操作规程进行操作，当需要操作虚拟现实倒闸操作教学柜中的设备部件时，学员观察设备部件上的LED显示屏上的设备编号，操作虚拟现实倒闸操作教学柜上相应的设备部件；虚拟现实倒闸操作教学柜上的中控程序，将学员的操作信号通过网络发送到教师PC电脑上；
A4.教师PC电脑上的仿真系统接收到步骤A3中学员的操作信号后，解析操作信号数据，调用仿真模块，将隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果通过仿真系统展示出来，显示在沉浸式液晶拼接大屏幕上。
上述变电运行仿真实训系统，所述评价单元中设置有财富搜集机制和考核机制，仿真系统记录学员的每一个操作，并给予相应的成就值和等级评分，通过班级排行榜、战队排行榜、实战班组排行榜、名人堂排行榜来实现互相激励；教师可在仿真系统中查看学员平时成绩、问答成绩、倒闸操作成绩、事故处理成绩。
一种变电运行仿真实训系统的实训方法，包括教学操作和互动操作，所述教学操作过程中，教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学；所述互动操作该过程中，教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员观看的学员VR一体机实现360度全景观察和联动，实现互动教学。
上述变电运行仿真实训系统的实训方法，所述互动操作该过程中，多个学员在各自的学员VR一体机上进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明采用多种教学设备协同融合进行教学，充分发挥每个硬件平台的优势，解决了现有仿真教学软件存在的入门困难、无法进行团队实训以及考核不便的问题，提高了变电运行教学效果。本发明采用3D高清虚拟仿真引擎和4K高清仿真素材资源来制作仿真软件，制作出来的仿真软件画面清晰美观，动画符合设备实际动作规律，给学员美好的学习体验，大大提高了学习兴趣。学习单元中通过设置的逐层升级的教学模块，帮助学员建立了变电站的知识框架，使教学过程变得层层深入，使学员能够更加深入的掌握变电运行知识。
附图说明
图1为本发明中所述变电运行仿真微课教学的系统架构图；
图2为本发明中所述变电运行仿真多人倒闸操作的系统架构图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种变电运行仿真实训系统，包括教师PC电脑、半沉浸式液晶拼接大屏幕、学员PC电脑、学员VR一体机以及运行在上述设备上的仿真系统，能够实现教学操作和互动操作，其架构图如图1所示。
教师PC电脑和半沉浸式液晶拼接大屏幕配合实现沉浸式的教学，其框架如图1所示。具体操作时，教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，即可完成授课。
教师PC电脑、半沉浸式液晶拼接大屏幕和学员VR一体机实现教学互动，其框架如图1所示。具体操作时，教师在教师PC电脑中对学员在半沉浸式液晶拼接大屏幕上观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员观看的学员VR一体机实现360度全景观察和联动，实现互动教学，极大地提高了教学效果。
半沉浸式液晶拼接大屏幕和多个学员VR一体机实现协同学习，其框架如图2所示。具体操作时，多个学员在各自的学员VR一体机上进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。
仿真系统包括学习单元以及评价单元。学习单元包括变电运行微课教学模块、变电运行单项知识点学习模块、变电运行综合考核模块以及变电运行团队协作模块，四个模块采用循序渐进的学习方式，帮助学员建立变电站知识点框架，降低了变电运行仿真软件的学习难度。
变电运行微课教学模块实现分段分小节学习：学员通过此模块，系统学习变电站一次设备、二次设备知识；变电运行单项知识点学习模块分知识点单项练习：学员通过奖励任务、问答系统、知识点学习等模块，自学、自练；变电运行综合考核模块：通过值班巡视、倒闸操作、设备异常和事故处理等模块，进行综合练习和考核；变电运行团队协作模块：多人分组，模拟一周变电站值班，包含值班巡视、倒闸操作、设备运行维护、异常事故处理、变电站消防系统、安全防范系统、通风系统、智能机器人巡检系统。
学习单元中设置有基于虚拟现实倒闸操作教学柜的倒闸操作训练。学员在虚拟现实倒闸操作教学柜中操作，此操作可模拟真实电力设备发出开关操作信号，操作信号通过网络传递到教师PC电脑，教师PC电脑对操作信号和虚拟画面的仿真逻辑进行计算，将仿真结果图像输出到半沉浸式液晶拼接大屏幕上进行展示；从而实现了将不方便用实物模拟的电力设备，采用设备操作用实物模拟、设备工作原理和动画等用虚拟仿真图像模拟两者结合的方式，最大限度提高倒闸操作教学模拟的逼真度和体验感。
虚拟现实倒闸操作教学柜根据当前操作票，动态模拟倒闸操作过程中的隔离开关操作箱、断路器汇控柜、保护屏压板、保护屏空开，在具有真实手感的虚拟现实倒闸操作教学柜上动手操作，在半沉浸式液晶拼接大屏幕上观看由虚拟仿真模块模拟的隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果。
虚拟现实倒闸操作的具体方法为。
A1.在教师PC电脑上的仿真系统中，选定某一个要进行倒闸操作训练的典型操作票，点击“同步到虚拟现实倒闸操作教学柜”按钮，通过网络，将要在仿真系统上操作的虚拟设备信息同步到虚拟现实倒闸操作教学柜；
A2.虚拟现实倒闸操作教学柜接收到步骤A1中的同步信息后，调用液晶屏显示管理模块程序，将要操作的虚拟设备编号在虚拟现实倒闸操作教学柜相应设备部件的LED上显示出来；同时，开启相应设备部件的状态信息数据采集卡；
A3.在教师PC电脑上的仿真系统中，按照倒闸操作规程进行操作，当需要操作虚拟现实倒闸操作教学柜中的设备部件时，学员观察设备部件上的LED显示屏上的设备编号，操作虚拟现实倒闸操作教学柜上相应的设备部件；虚拟现实倒闸操作教学柜上的中控程序，将学员的操作信号(包含设备部件的合、分信号和设备编号)通过网络发送到教师PC电脑上；
A4.教师PC电脑上的仿真系统接收到步骤A3中学员的操作信号后，解析操作信号数据，调用仿真模块，将隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果通过仿真系统展示出来，显示在沉浸式液晶拼接大屏幕上。
本发明的实训系统中，多个学员VR一体机可组合形成多人VR系统，可基于虚拟现实倒闸操作教学柜实现互动操作，由此构成的架构图如图2所示。
评价单元中设置有财富搜集机制和考核机制，财富搜集机制可采用设置学员成就值、奖牌、人物角色、小精灵等方式实现，学员通过完成每一项任务获得财富，从而建立个人成就值；仿真系统记录学员的每一个操作，并给予相应等级评分，通过班级排行榜、战队排行榜、实战班组排行榜、名人堂排行榜来实现互相激励；教师可在仿真系统中查看学员平时成绩、问答成绩、倒闸操作成绩、事故处理成绩。
本发明中仿真系统评价单元的财富搜集机制中，虚拟财富包含虚拟角色、小精灵、经验值、会员等级、勋章等元素，当学员在仿真系统中完成一个任务练习，系统会根据任务的难易程度，给学员奖励虚拟角色、小精灵、经验值、勋章等虚拟财富。当学员的经验值达到一定的数值后，会员等级会有相应的变化。
考核机制中，设有问答模块和知识点模块，学员在仿真系统中进行变电站巡视时，会遇到系统随机生成的小动物模型，学员点击该模型后，会随机生成一个问题或知识点，学员进行相应的答案选择操作后，仿真系统会根据学员选择的答案正确与否，自动给学员结算经验值等虚拟财富，同时，教师可以在成绩管理模块中，看到各个学员提交的问答模块和知识点模块的成绩。
排行榜激励机制中，包含班级排行榜、战队排行榜、实战班组排行榜、名人堂排行榜等功能。其中，班级排行榜：学员在仿真系统中进行平时训练和考核时，系统给予学员经验值等虚拟财富的奖励，以每个学员的经验值为排名标准，在同一个班的同学中进行排名；战队排行榜：同一个班中的学员，在仿真系统平时学习中可以组成战队，完成战队任务后，系统会给予战队的每个成员经验值等虚拟财富的奖励，以战队中所有学员的经验值之和为排名标准，在同一个班的战队中进行排名；实战班组排行榜：同一个班中的学员，在仿真系统考核环节中可以组成实战班组，完成实战班组任务后，系统会给予实战班组的每个成员经验值等虚拟财富的奖励，以实战班组中所有学员的经验值之和为排名标准，在同一个班的实战班组中进行排名；名人堂排行榜：一个班级完成仿真系统的全部学习和考核后，由上课教师在仿真系统中，将该班级学习成绩特别优秀的学员，推荐到名人堂，被推荐到名人堂的学员，就可以参与到不同年级、不同班级的完成该仿真系统学习的优秀学员的排名。
一种基于上述变电运行仿真实训系统的实训方法，主要包括教学操作和互动操作。
在教学操作过程中，教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学。具体实现方法为：教师在教师PC电脑中的仿真系统中，选择要演示和教学讲解的电力设备模型，完成选择后，仿真系统调用资源数据库，完成相应的电力设备模型3D模型、动作动画、语音讲解、现场360度全景图片等仿真资源的加载；半沉浸式液晶拼接大屏幕系统程序接收到教师PC电脑传送的渲染命令，调用图像拼接显示程序，进行相应的电力设备模型和动画的渲染、360度全景图片的播放。
在互动操作过程中，教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员在观看的学员VR一体机上实现电力设备模型和360度全景图片的观察和联动，实现互动教学。具体实现方法包括以下步骤。
S1.教师在教师PC电脑中的仿真系统中，选择要演示和教学讲解的电力设备模型，完成选择后，仿真系统调用资源数据库，完成相应的电力设备模型3D模型、动作动画、语音讲解、现场360度全景图片等仿真资源的加载；同时，电力设备模型的选择操作命令通过网络消息同步到学员VR一体机中.
S2.教师在教师PC电脑中的仿真系统中，进行电力设备3D模型教学模式和现场360度全景图片教学模式两个教学模式的切换，在3D模型教学模式的交互程序中，指定当前学员的观看视角(前、后、左、右、左前、右前、左后、右后等八个方向)；在360度全景图片教学模式的交互程序中，进行上一张、下一张360度全景图片切换。以上操作命令，通过网络消息，同步到学员VR一体机程序中。
S3.学员VR一体机程序接收到S1和S2中的网络消息，调用VR一体机仿真程序，进行相应的电力设备模型和动画的渲染、360度全景图片的播放。
互动操作过程中，多个学员在多人VR系统中各自的学员VR一体机上进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。具体包括以下步骤。
Y1.学员在多人VR系统中，完成背包电脑、VR头盔的佩戴操作后，进入到完全沉浸式的虚拟现实环境中。学员通过左手柄完成行走操作、通过右手柄与虚拟现实环境中的电力设备的3D模型进行交互。
Y2.学员通过左手柄完成行走操作后，仿真系统会将处于多人VR系统中每个学员的位置进行同步，学员通过自己佩戴的VR头盔中的画面，看到一个红色的方块，该方块代表多人VR系统中其他人所在的位置，不能靠近该红色的方块，否则会和其他人发生碰撞。
Y3.学员通过右手柄完成3D模型的交互操作后，仿真系统会将每一步操作步骤在多人VR系统中进行网络同步，这样每个佩戴VR头盔的学员，都能看到多人VR系统内其他人的每个动作，实现多人网络协同操作同步和协作。
在进行团队协作过程中，引入多人联网协作模式的变电站倒闸操作学习，在该学习环节，学员可以分监护人、操作人员等角色，分别扮演电力倒闸操作实际作业的各个角色，进行多人网络协同操作练习，这会大大增强学员的学习兴趣，最大程度模拟实际的作业情景。具体实现方法如下。
X1.学员在倒闸操作仿真训练系统的登陆界面，进行角色选择(监护人、操作员、其他人三者选一)、学员名填写、房间选择(房间一～房间二十五中选一)等操作。
X2.完成X1操作后，进入仿真系统，每个学员会操作一个3D虚拟角色。
监护人角色可以进行走、跑、跳跃等基础操作和观察操作员操作、操作票唱票、按警铃等高级操作。操作员角色可以进行走、跑、跳跃等基础操作和虚拟电气设备开关等交互操作、操作票复诵、设置和拆除围栏、拆挂地线、拆挂标识牌等高级操作。其他人角色可以进行走、跑、跳跃等基础操作和虚按警铃等高级操作。
X3.监护人角色、操作员角色、其他人角色等人员进行基础操作和高级操作时，仿真系统会将每一步操作步骤在同一个房间内进行网络同步，这样每个学员都能看到同一房间内其他人的每个动作，实现多人网络协同操作同步和协作。

Claims (7)

1.变电运行仿真实训系统，其特征在于：包括教师PC电脑、半沉浸式液晶拼接大屏幕、学员PC电脑、学员VR一体机以及运行在上述设备上的仿真系统，所述仿真系统包括学习单元以及评价单元；教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学；教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员在观看的学员VR一体机实现电力设备模型和360度全景图片的观察和联动，实现互动教学；多个学员在多人VR系统中进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。
2.根据权利要求1所述的变电运行仿真实训系统，其特征在于：所述学习单元包括变电运行微课教学模块、变电运行单项知识点学习模块、变电运行综合考核模块以及变电运行团队协作模块。
3.根据权利要求1所述的变电运行仿真实训系统，其特征在于：所述学习单元中设置有基于虚拟现实倒闸操作教学柜的倒闸操作训练；学员在虚拟现实倒闸操作教学柜中操作，该操作模拟真实电力设备发出开关操作信号，操作信号通过网络传递到教师PC电脑，教师PC电脑对操作信号和虚拟画面的仿真逻辑进行计算，将仿真结果图像输出到半沉浸式液晶拼接大屏幕上进行展示；虚拟现实倒闸操作教学柜根据当前操作票，动态模拟倒闸操作过程中的隔离开关操作箱、断路器汇控柜、保护屏压板、保护屏空开，在具有真实手感的虚拟现实倒闸操作教学柜上动手操作，在半沉浸式液晶拼接大屏幕上观看由虚拟仿真模块模拟的隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果。
4.根据权利要求3所述的变电运行仿真实训系统，其特征在于：所述虚拟现实倒闸操作教学柜的具体教学方法为：
A1.在教师PC电脑上的仿真系统中，选定某一个要进行倒闸操作训练的典型操作票，点击“同步到虚拟现实倒闸操作教学柜”按钮，通过网络，将要在仿真系统上操作的虚拟设备信息同步到虚拟现实倒闸操作教学柜；
A2.虚拟现实倒闸操作教学柜接收到步骤A1中的同步信息后，调用液晶屏显示管理模块程序，将要操作的虚拟设备编号在虚拟现实倒闸操作教学柜相应设备部件的LED上显示出来；同时，开启相应设备部件的状态信息数据采集卡；
A3.在教师PC电脑上的仿真系统中，按照倒闸操作规程进行操作，当需要操作虚拟现实倒闸操作教学柜中的设备部件时，学员观察设备部件上的LED显示屏上的设备编号，操作虚拟现实倒闸操作教学柜上相应的设备部件；虚拟现实倒闸操作教学柜上的中控程序，将学员的操作信号通过网络发送到教师PC电脑上；
A4.教师PC电脑上的仿真系统接收到步骤A3中学员的操作信号后，解析操作信号数据，调用仿真模块，将隔离开关的合分闸动画、空开的合分动画、保护屏压板的投退操作结果通过仿真系统展示出来，显示在沉浸式液晶拼接大屏幕上。
5.根据权利要求1所述的变电运行仿真实训系统，其特征在于：所述评价单元中设置有财富搜集机制和考核机制，仿真系统记录学员的每一个操作，并给予相应的成就值和等级评分，通过班级排行榜、战队排行榜、实战班组排行榜、名人堂排行榜来实现互相激励；教师可在仿真系统中查看学员平时成绩、问答成绩、倒闸操作成绩、事故处理成绩。
6.一种如权利要求1至5所述的变电运行仿真实训系统的实训方法，其特征在于，包括教学操作和互动操作，所述教学操作过程中，教师在教师PC电脑操作，对电力设备的三维模型进行拆解和工作原理实现动画讲解，学员观看半沉浸式液晶拼接大屏幕，实现沉浸式的教学；所述互动操作该过程中，教师在教师PC电脑中对学员观看电力设备的观察视角和全景图播放进行指挥，学员观看的学员VR一体机实现360度全景观察和联动，实现互动教学。
7.根据权利要求6所述的变电运行仿真实训系统的实训方法，所述互动操作该过程中，多个学员在各自的学员VR一体机上进行多人联网协同操作练习，通过远程桌面画面同步，将学员的操作视觉投射到半沉浸式液晶拼接大屏幕中，实现练习和教学的协同学习。
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