CN111831117A - 一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，通过在虚拟世界完成对电力系统高压试验人员的业务技能进行培训、考核，本发明解决了传统高压试验的培训受天气，试验场地，培训资源不集中，且对学员培训时的安全不好控制等技术问题，实现通过虚拟现实(VR)技术在室内完成高压电力设备试验培训，还能够通过大数据分析平台对学员在培训中出现的问题进行跟踪、分析，及时了解学员的学习难点，进行有针对性的培训。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法。
背景技术
电力系统中的高电压设备，其首要任务是安全可靠运行，任何故障或事故的发生，都会影响工农业生产的正常进行，甚至给国民经济造成重大的损失。所以，高电压设备必须在长年使用中保持高可靠性和安全性，因此对高压设备进行一系列的高压试验是至关重要的。
由于电气试验专业是一个相对比较特殊的专业，为了测试电力设备的一些性能和指标，往往需要对其施加较高的试验电压。因此，它对操作时的安全性和标准化有着非常严格的要求。另外，它还要求试验人员对被试品的内部结构和原理有充分的认识，才能根据试验要求正确选择试验方法、接线以及对试验结果的判断。在对电气试验专业的入职员工进行培训时，学员刚开始操作时很难达到标准化作业的要求，这将为操作的安全性埋下重大的安全隐患。因此如何快速培养高素质的高压设备试验技能人才成为供电企业日益关注的问题。
一直以来高压设备试验技能人才的成长是依赖于师带徒培训模式，并需要长期的实践积累。因此，培养一名高技能水平技能人才至少需要15年甚至20年的时间，且在这期间企业需提供大量的现场实践机会。由于各单位发展的不平衡，目前各供电企业储备的高压设备试验高技能人才十分稀少，高压设备试验的技能培训受限于工作环境、师傅的数量和实践的累积，因此高压设备试验现有的技能培训模式和方法无法满足企业发展的需要。
高压设备试验技能培训注重现场的实践，特别是高压设备试验技术需结合不同的试验设备、试验环境进行。但是，由于高压设备试验技术要求高、安全要求高、作业成本高、作业现场难以模拟等特殊性，高压设备试验的技能培训和考核并不能在实际的生产环境中进行。目前高压设备试验技能培训方式主要是通过理论学习、讲座、交流等方式进行。
在上述几种培训方式中，理论强化培训存在组织时间长、内容枯燥、形象性差等问题，培训效果不是十分明显；现场操作演示培训作业环境复杂，易受到天气、场地、设备等诸多因素的限制，学员实际动手操作机会较少，可供学员学习的作业方法有限，不利于大规模培训工作的开展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法。解决了现有现场操作演示培训作业环境复杂，易受到天气、场地、设备等诸多因素的限制，学员实际动手操作机会较少，可供学员学习的作业方法有限，不利于大规模培训工作的开展等问题。能够实现利用虚拟现实技术构建交互式三维高压设备试验作业环境和现场工况，将学员带入真实的工作现场中，体会在实践中学习的乐趣。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，包括以下步骤：
步骤S1：将虚拟现实设备连接至PC端；
步骤S2：将使用者端、模型库、大数据分析平台的所有资料内容输入至服务器中，服务器通过网络交换机与PC端连接；
步骤S3：使用者佩戴虚拟现实设备，虚拟现实设备载入相应的模块，使用者通过选择进入不同的模式，完成相应的模拟操作；
步骤S4:使用结束后，使用者的相关数据传输至大数据分析平台，可以对使用者的模拟操作情况进行智能分析，并给出分析结果。
特别地，所述虚拟现实设备包括头盔显示器、左手控制器、右手控制器，头盔显示器通过USB接口和/或DP接口连接PC端；所述左手控制器、右手控制器通过软件进行配对与头盔式显示器进行通信连接。
特别地，所述使用者端包括学员端和教师端，所述学员端包括在线学习、仿真实操、理论考核、个人中心模块；所述教师端包括课件管理、试题管理、试卷管理以及学员管理模块。
特别地，在步骤S2中，所述模型库包括试验场景库、高压电力设备模型库、试验仪器模型库、测试线模型库；上述采用激光扫描仪对试验场景、高压电力设备、试验仪器进行三维激光扫描后建模，在虚拟现实中还原真实的试验环境。
特别地，在步骤S4中，所述大数据分析平台是将学员模拟训练数据、考试过程及成绩上传大数据分析平台，对高压设备试验的数据进行分析，通过分析结果，掌握学员在练习和考试中容易出现错误的试验环节及不容易掌握的知识点，便于后续有针对性的讲解和培训。
特别地，所述步骤S3中，可供选择的模式包括学员学习及训练模式、学员模拟考试模式以及正式考试模式，所述学员学习及训练模式、学员模拟考试模式可在全天任何时间段进入；所述正式考试模式只有在教师端设置的时间段内才能进入。
特别地，所述步骤S3中，使用者通过选择所需的试验项目，进入与之相匹配的试验场景；并通过操作控制器，可选择进入模拟练习模块或模拟考试模块；模型库中可以任意调取所需进行高压电力试验的设备模型、试验仪器模型和测试线模型，使用者通过无线传输至头盔显示器，能够在线控制高压电力设备与试验仪器之间的连接操作，以及控制试验仪器的操作。
特别地，所述步骤S4中，大数据分析采用高维随机矩阵的极限谱分布理论方法。
特别地，所述试卷管理模块内包括理论考试题库数据以及仿真实操课件数据；在正式考试模式下，理论考试题库数据中的考题级别按难度比例分为初级、中级及高级进行组卷，由教师端自主选择试题难度比例。
本发明的有益效果是：
1、通过本发明的应用，极大的缩短了高技能水平技术人才的培养时间；
2、解决了现场操作演示培训作业环境复杂，易受到天气、场地、设备等诸多因素的限制，利用虚拟现实技术构建交互式三维高压设备试验作业环境和现场工况，将学员带入真实的工作现场中，体会在实践中学习的乐趣。
3、大数据分析平台能提供大量的试验数据辅助决策信息，并提升培训人员对设备状态的研判能力，提高试验效率和对设备状态的防控能力。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和前述的权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2为试验场景扫描后的点云图；
图3为图2还原后的场景效果图；
图4为高压电力设备(变压器)扫描后的点云图；
图5为图4还原后的场景效果图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，包括以下步骤：
步骤S1：将虚拟现实设备连接至PC端；
本实施例中的虚拟现实设备采用的是HTC vive系列设备，包括有头盔显示器、左手控制器、右手控制器，头盔显示器通过USB接口和/或DP接口连接PC端；左手控制器、右手控制器通过软件进行配对与头盔式显示器进行通信连接。
步骤S2：将使用者端、模型库、大数据分析平台的所有资料内容输入至服务器中，服务器通过网络交换机与PC端连接；
本实施例中，使用者端包括学员端和教师端，学员端包括在线学习、仿真实操、理论考核、个人中心模块；针对学员端，在线学习模块包括高压电力设备试验作业指导书、电力系统相关高压电力设备试验规程、标准、高压电力设备试验原理及方法等技术资料；仿真实操模块包括模拟训练子模块、正式考试子模块；理论考核模块也包括模拟训练子模块、正式考试子模块；个人中心模块包括学员信息、模拟训练信息、考试成绩等子模块；
学员信息在后台管理系统中录入，可以包括学号、姓名、性别、班级、单位名称、年龄、职称、所学专业等基础信息；模拟训练信息包括学习内容、模拟训练内容、学习及模拟训练时长等信息；考试成绩包括学员入学后，所有关于高压电力设备试验内容的考试成绩；
教师端包括课件管理、试题管理、试卷管理以及学员管理模块。其中，课件管理模块包括的内容如下表所示
表1
模型库包括试验场景库、高压电力设备模型库、试验仪器模型库、测试线模型库；上述模型库的建立是采用激光扫描仪分别对试验场景、高压电力设备、试验仪器进行三维激光扫描后建模，从而在虚拟现实中还原真实的试验环境。
图2为试验场景扫描后的点云图，图3为图2还原后的场景效果图。图4为高压电力设备(变压器)扫描后的点云图，图5为图4还原后的场景效果图；
试卷管理模块内包括理论考试题库数据以及仿真实操课件数据；在正式考试模式下，理论考试题库数据中的考题级别按难度比例分为初级、中级及高级进行组卷，由教师端自主选择试题难度比例。
步骤S3：使用者佩戴虚拟现实设备，虚拟现实设备载入相应的模块，使用者通过选择进入不同的模式，完成相应的模拟操作；
本实施例中，可供选择的模式包括学员学习及训练模式、学员模拟考试模式以及正式考试模式，所述学员学习及训练模式、学员模拟考试模式可在全天任何时间段进入；所述正式考试模式只有在教师端设置的时间段内才能进入。
在学员学习及训练模式下，学员在PC端通过输入学号及自行设置的密码，进入培训系统后，通过在线学习模块，以视频、文档、PPT等形式学习相关技术资料。学员配带头盔显示器、左右手各执一个控制器，通过三维仿真试验模块进入试验课件进行课件模拟练习及考试。借助头盔显示器查看试验情况，左、右控制器进行设备仪器操作。
使用时，学员通过选择所需的试验项目，进入与之相匹配的试验场景；并通过操作控制器，可选择进入模拟练习模块或模拟考试模拟；模型库中可以任意调取所需进行高压电力试验的设备模型、试验仪器模型和测试线模型，使用者通过无线传输至头盔显示器，能够在线控制高压电力设备与试验仪器之间的连接操作，以及控制试验仪器的操作。学员模拟考试完毕后，可进入个人中心查询本次模拟考试成绩；
在正式考试模式下，考试分为理论考试、仿真实操考试；本实施例中，学员通过系统功能进入理论考试模块后，系统按照组卷策略在试卷管理模块中调取100道考题；学员通过操作系统功能进入仿真实操考试模块后，系统获取教师端在试题管理模块中设置的实操考试课件；考试课件出现后，在教师端设定时间段自动计时，考试时间1小时，时间到后系统停止学员操作，并自动计算学员考试得分；学员考试完毕后，可进入个人中心查询本次考试成绩；
步骤S4:使用结束后，使用者的相关数据传输至大数据分析平台，可以对使用者的模拟操作情况进行智能分析，并给出分析结果。
具体而言，大数据分析平台是将学员模拟训练数据、考试过程及成绩上传大数据分析平台，对高压设备试验的数据进行分析，通过分析结果，掌握学员在练习和考试中容易出现错误的试验环节及不容易掌握的知识点，便于后续有针对性的讲解和培训。
本实施例中，大数据分析采用高维随机矩阵的极限谱分布理论方法。
综上所述，本发明正是基于电力企业人才发展的需求，引入先进的仿真技术和培训手段，开拓高压设备试验技能人才培养的新模式。利用虚拟现实技术构建交互式三维高压设备试验作业环境和现场工况，将学员带入真实的工作现场中，体会在实践中学习的乐趣。同时，仿真及多媒体技术的综合应用可以形象直观地反映试验过程和各个技术细节，很好地解决传统培训模式中培训内容与学习对象、现场状况脱离导致的培训效果不佳的问题；虚拟环境可以模拟各种高压设备试验环境，解决现实工作中需等待工作机会进行培训的问题；专业化的课程设计使零散的知识点系统组建起来，解决学习过程中培训资料不足，学习内容没有针对性的问题；通过形象系统学习和自己实践操作真实的试验过程，养成良好的安全行为习惯，有助于学员更好更快的掌握标准化的操作流程，达到事半功倍的效果。大数据分析平台能提供大量的试验数据辅助决策信息，并提升培训人员对设备状态的研判能力，提高试验效率和对设备状态的防控能力。而且具有能够实施远程培训、维护简单、易于升级等优点，可以大大节约培训成本，实现灵活、生动、快速的培训模式，对于提高电网的建设水平、维护水平能力具有重要意义。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将虚拟现实设备连接至PC端；
步骤S2：将使用者端、模型库、大数据分析平台的所有资料内容输入至服务器中，服务器通过网络交换机与PC端连接；
步骤S3：使用者佩戴虚拟现实设备，虚拟现实设备载入相应的模块，使用者通过选择进入不同的模式，完成相应的模拟操作；
步骤S4:使用结束后，使用者的相关数据传输至大数据分析平台，可以对使用者的模拟操作情况进行智能分析，并给出分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述虚拟现实设备包括头盔显示器、左手控制器、右手控制器，头盔显示器通过USB接口和/或DP接口连接PC端；所述左手控制器、右手控制器通过软件进行配对与头盔式显示器进行通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述使用者端包括学员端和教师端，所述学员端包括在线学习、仿真实操、理论考核、个人中心模块；所述教师端包括课件管理、试题管理、试卷管理以及学员管理模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：在步骤S2中，所述模型库包括试验场景库、高压电力设备模型库、试验仪器模型库、测试线模型库；上述采用激光扫描仪对试验场景、高压电力设备、试验仪器进行三维激光扫描后建模，在虚拟现实中还原真实的试验环境。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：在步骤S4中，所述大数据分析平台是将学员模拟训练数据、考试过程及成绩上传大数据分析平台，对高压设备试验的数据进行分析，通过分析结果，掌握学员在练习和考试中容易出现错误的试验环节及不容易掌握的知识点，便于后续有针对性的讲解和培训。
6.根据权利要求3所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述步骤S3中，可供选择的模式包括学员学习及训练模式、学员模拟考试模式以及正式考试模式，所述学员学习及训练模式、学员模拟考试模式可在全天任何时间段进入；所述正式考试模式只有在教师端设置的时间段内才能进入。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述步骤S3中，使用者通过选择所需的试验项目，进入与之相匹配的试验场景；并通过操作控制器，可选择进入模拟练习模块或模拟考试模块；模型库中可以任意调取所需进行高压电力试验的设备模型、试验仪器模型和测试线模型，使用者通过无线传输至头盔显示器，能够在线控制高压电力设备与试验仪器之间的连接操作，以及控制试验仪器的操作。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述步骤S4中，大数据分析采用高维随机矩阵的极限谱分布理论方法。
9.根据权利要求6所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训方法，其特征在于：所述试卷管理模块内包括理论考试题库数据以及仿真实操课件数据；在正式考试模式下，理论考试题库数据中的考题级别按难度比例分为初级、中级及高级进行组卷，由教师端自主选择试题难度比例。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201027 |