CN111951656B - 基于沙盘模拟与ar的电力网络安全实训教学系统及方法 - Google Patents

基于沙盘模拟与ar的电力网络安全实训教学系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统及方法，其中，实训场景建模与管理模块分别与沙盘模拟系统、实训场景模型库、实训教学管理模块、实训过程判定模块、网络安全信息配置模块和实训教学评价模块连接。实训管理教学模块分别与网络安全信息配置模块和实训教学评价模块连接。AR眼镜分别与沙盘模拟系统和网络安全攻防工具库连接。本发明提供了一种具象化的电力网络安全实训教学环境，极大的激发了电力专业人员的学习兴趣，提高了电力网络安全实训教学的趣味性和效果。

Description

基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统及方法
技术领域
本发明属于电力网络安全技术领域，具体涉及一种基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统及方法。
背景技术
电力系统作为我国关键基础设施，其网络安全已成为国家网络安全重要组成部分。随着我国智能电网、能源互联网战略的推进，电力网络安全问题越来越突出，其引起的安全问题也越来越深刻的影响电力系统的安全、稳定和经济运行。在人才培养方面，我国电力系统一直注重电力网络安全专业人员的培养，也建立了相应的网络攻防团队开展网络安全攻防竞赛和演练，但目前仍然无法满足电力网络安全人员日益增长的需求。
由于网络空间是国家安全重要的无形疆域，因此网络空间安全知识的理解一般采用抽象化的方法。电力网络安全与电力系统紧密关联，抽象化的方法对于理解电力网络安全的机制和原理具有一定的局限性。目前，高校、职业院校等开展了一些网络安全课程教学，其中实操训练主要基于虚拟化技术建立抽象的系统结构开展，其主要的技术能力缺陷表现在以下几个方面：(1)实训教学环境无法具象化电力网络安全架构，无法对电力网络安全攻防效果进行有效评估与展示，导致电力专业人员理解电力网络安全机制和原理较为困难；(2)实训教学趣味性较低，无法激发学习者兴趣，实操训练教学效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统及方法。
本发明所采用的技术方案为：
基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，包括：
沙盘模拟系统，用于展示按比例缩小的实训场景实物模型，并根据实训科目执行步骤判定结果，展示实训科目步骤执行效果；
AR眼镜，用于实训场景建模数据的采集，并提供面向所述沙盘模拟系统的电力网络安全增强现实的实训界面；
实训场景模型库，用于为实训场景建模提供电力设施图像模型及其匹配的电力设施逻辑组件信息，以及电力设施逻辑组件之间的连接关系；
实训场景建模与管理模块，基于采集的实训场景建模数据和所述实训场景模型库，生成实训场景逻辑拓扑图，并提供逻辑拓扑图编辑修改功能；实训场景逻辑拓扑图由实训场景中的电力设施逻辑组件及其连接关系组成；
实训教学管理模块，用于设置实训教学科目的模式、目标、内容和要求，存储和管理实训教学过程数据和实训教学评价数据；
实训过程判定模块，根据完成实训科目过程的每一个操作步骤，判定操作步骤的结果，并将判定结果发送给所述实训场景建模与管理模块；
网络安全信息配置模块，用于根据实训科目要求，对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置；
实训教学评价模块，用于根据实训科目执行过程数据，进行实训教学效果评价；
网络安全攻防工具库，提供实训科目执行过程中所需的网络安全攻防工具；
所述实训场景建模与管理模块分别与所述沙盘模拟系统、所述实训场景模型库、所述实训教学管理模块、所述实训过程判定模块、所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述实训管理教学模块分别与所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述AR眼镜分别与所述沙盘模拟系统和所述网络安全攻防工具库连接。
进一步地，所述实训科目步骤执行效果包括停电、电力设备故障和电力网络故障。
进一步地，所述沙盘模拟系统包含以下系统的按比例缩小的实物模型：发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统和配电自动化系统。
进一步地，所述实训场景模型库包括发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统、配电自动化系统中的电力设施图像、电力设施图像所匹配的逻辑组件信息，以及逻辑组件之间的连接关系。
进一步地，所述实训教学科目的模式包括包括训练模式、渗透模式和对抗模式；在训练模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者全部可见；在渗透模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者部分可见；在对抗模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于攻击方部分可见，对于防御方全部可见。
进一步地，所述网络安全信息配置模块的配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限。
基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学方法，包括如下步骤：
步骤1、通过AR眼镜采集沙盘模拟系统中实物模型的图像及位置数据；第一次使用时，执行步骤1，否则执行步骤4；
步骤2、AR眼镜采集的实物模型图像及位置数据发送给实训场景建模与管理模块；
步骤3、实训场景建模与管理模块从实训场景模型库中读取模型数据进行匹配，生成实训场景逻辑拓扑图，逻辑拓扑图可进一步进行编辑修正；
步骤4、实训教学管理模块发起实训科目，并将实训科目配置数据发送给实训场景建模与管理模块，其中，实训科目配置数据包括实训科目任务模式、目标、内容和要求；
步骤5、实训教学管理模块发送实训科目要求数据给网络安全信息配置模块，其中，实训科目要求数据包括电力设施脆弱性信息和访问权限信息；
步骤6、网络安全信息配置模块从实训场景建模与管理模块读取实训场景逻辑拓扑图数据，根据实训科目要求对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置，配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限；
步骤7、实训场景建模与管理模块将已配置的实物场景逻辑拓扑图和实训科目的内容、目标数据下发给AR眼镜；
步骤8、利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目；执行过程中，可通过AR眼镜从网络安全攻防工具库调用所需的网络安全攻防工具辅助完成实训科目；
步骤9、利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目的一个步骤，AR眼镜将执行步骤数据发送给实训场景建模与管理模块，实训场景建模与管理模块转发给实训过程判定模块进行结果判定；
步骤10、实训过程判定模块将实训步骤执行判定结果发送给实训场景建模与管理模块；
步骤11、实训场景建模与管理模块将实训步骤执行判定结果分别发送给沙盘模拟系统和AR眼镜；沙盘模拟系统根据实训步骤执行判定结果，在沙盘模型中显示相应的状态结果，包括停电、电力设施故障、电力网络故障；可根据步骤执行判定结果，通过AR眼镜开展实训科目下一步骤执行；
步骤12、重复执行步骤8至步骤11，直至实训科目所有步骤执行结束；
步骤13、实训场景建模与管理模块将实训过程数据发送给实训教学评价模块，其中，实训过程数据包括实训科目的内容和目标、实训科目任务每个步骤执行情况及结果；
步骤14、实训教学评价模块进行实训科目过程评价后将实训执行过程及评价数据发送给实训教学管理模块进行归档，实训科目结束。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明通过基于沙盘模拟和增强现实的实训场景建模，提供了具象化的电力网络安全实训教学环境，并可在沙盘模拟系统中展示电力网络攻防效果，有助于电力专业人员理解电力网络安全机制和原理，提高电力网络安全实训教学效果。
2)、学习者可通过AR眼镜与沙盘模拟系统进行实时互动操作，提高了电力网络安全实训教学的趣味性，极大的激发了电力专业人员的学习兴趣，提高了电力网络安全实训教学效率。
附图说明
图1为本发明的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统的组成模块框图；
图2为本发明的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统及方法作进一步地详细说明。
如图1所示，基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，包括：
沙盘模拟系统，用于展示按比例缩小的实训场景实物模型，并根据实训科目执行步骤判定结果，展示实训科目步骤执行效果；所述实训科目步骤执行效果包括停电、电力设备故障和电力网络故障；
AR眼镜，用于实训场景建模数据的采集，并(为学习者)提供面向所述沙盘模拟系统的电力网络安全增强现实的实训界面；
实训场景模型库，用于为实训场景建模提供电力设施图像模型及其匹配的电力设施逻辑组件信息，以及电力设施逻辑组件之间的连接关系；
实训场景建模与管理模块，基于采集的实训场景建模数据和所述实训场景模型库，生成实训场景逻辑拓扑图，并提供逻辑拓扑图编辑修改功能；实训场景逻辑拓扑图由实训场景中的电力设施逻辑组件及其连接关系组成；
实训教学管理模块，用于设置实训教学科目的模式、目标、内容和要求，存储和管理实训教学过程数据和实训教学评价数据；
实训过程判定模块，根据(学习者)完成实训科目过程的每一个操作步骤，判定操作步骤的结果，并将判定结果发送给所述实训场景建模与管理模块；
网络安全信息配置模块，用于根据实训科目要求，对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置；
实训教学评价模块，用于根据实训科目执行过程数据，进行实训教学效果评价；
网络安全攻防工具库，(为学习者)提供实训科目执行过程中所需的网络安全攻防工具。
所述实训场景建模与管理模块分别与所述沙盘模拟系统、所述实训场景模型库、所述实训教学管理模块、所述实训过程判定模块、所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述实训管理教学模块分别与所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述AR眼镜分别与所述沙盘模拟系统和所述网络安全攻防工具库连接。
具体地，所述沙盘模拟系统包含以下系统的按比例缩小的实物模型：发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统和配电自动化系统。
所述实训场景模型库包括发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统、配电自动化系统中的电力设施图像、电力设施图像所匹配的逻辑组件信息，以及逻辑组件之间的连接关系。
所述实训教学科目的模式包括包括训练模式、渗透模式和对抗模式；在训练模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者全部可见；在渗透模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者部分可见；在对抗模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于攻击方部分可见，对于防御方全部可见。
所述网络安全信息配置模块的配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限。
如图2所示，基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学方法，包括如下步骤：
步骤1、通过AR眼镜采集沙盘模拟系统中实物模型的图像及位置数据；第一次使用时，执行步骤1，否则执行步骤4；
步骤2、AR眼镜采集的实物模型图像及位置数据发送给实训场景建模与管理模块；
步骤3、实训场景建模与管理模块从实训场景模型库中读取模型数据进行匹配，生成实训场景逻辑拓扑图，(管理员)可进一步对逻辑拓扑图进行编辑修正；
步骤4、实训教学管理模块发起实训科目，并将实训科目配置数据发送给实训场景建模与管理模块，其中，实训科目配置数据包括实训科目任务模式、目标、内容和要求；
步骤5、实训教学管理模块发送实训科目要求数据给网络安全信息配置模块，其中，实训科目要求数据包括电力设施脆弱性信息和访问权限信息；
步骤6、网络安全信息配置模块从实训场景建模与管理模块读取实训场景逻辑拓扑图数据，根据实训科目要求对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置，配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限；
步骤7、实训场景建模与管理模块将已配置的实物场景逻辑拓扑图和实训科目的内容、目标数据下发给AR眼镜；
步骤8、(学习者)利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目；执行过程中，(学习者)可通过AR眼镜从网络安全攻防工具库调用所需的网络安全攻防工具辅助完成实训科目；
步骤9、(学习者)利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目的一个步骤，AR眼镜将执行步骤数据发送给实训场景建模与管理模块，实训场景建模与管理模块转发给实训过程判定模块进行结果判定；
步骤10、实训过程判定模块将实训步骤执行判定结果发送给实训场景建模与管理模块；
步骤11、实训场景建模与管理模块将实训步骤执行判定结果分别发送给沙盘模拟系统和AR眼镜；沙盘模拟系统根据实训步骤执行判定结果，在沙盘模型中显示相应的状态结果，包括停电、电力设施故障、电力网络故障；可根据步骤执行判定结果，通过AR眼镜开展实训科目下一步骤执行；
步骤12、重复执行步骤8至步骤11，直至实训科目所有步骤执行结束；
步骤13、实训场景建模与管理模块将实训过程数据发送给实训教学评价模块，其中，实训过程数据包括实训科目的内容和目标、实训科目任务每个步骤执行情况及结果；
步骤14、实训教学评价模块进行实训科目过程评价后将实训执行过程及评价数据发送给实训教学管理模块进行归档，实训科目结束。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，包括：
沙盘模拟系统，用于展示按比例缩小的实训场景实物模型，并根据实训科目执行步骤判定结果，展示实训科目步骤执行效果；
AR眼镜，用于实训场景建模数据的采集，并提供面向所述沙盘模拟系统的电力网络安全增强现实的实训界面；
实训场景模型库，用于为实训场景建模提供电力设施图像模型及其匹配的电力设施逻辑组件信息，以及电力设施逻辑组件之间的连接关系；
实训场景建模与管理模块，基于采集的实训场景建模数据和所述实训场景模型库，生成实训场景逻辑拓扑图，并提供逻辑拓扑图编辑修改功能；实训场景逻辑拓扑图由实训场景中的电力设施逻辑组件及其连接关系组成；
实训教学管理模块，用于设置实训教学科目的模式、目标、内容和要求，存储和管理实训教学过程数据和实训教学评价数据；
实训过程判定模块，根据完成实训科目过程的每一个操作步骤，判定操作步骤的结果，并将判定结果发送给所述实训场景建模与管理模块；
网络安全信息配置模块，用于根据实训科目要求，对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置；
实训教学评价模块，用于根据实训科目执行过程数据，进行实训教学效果评价；
网络安全攻防工具库，提供实训科目执行过程中所需的网络安全攻防工具；
所述实训场景建模与管理模块分别与所述沙盘模拟系统、所述实训场景模型库、所述实训教学管理模块、所述实训过程判定模块、所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述实训管理教学模块分别与所述网络安全信息配置模块和所述实训教学评价模块连接；所述AR眼镜分别与所述沙盘模拟系统和所述网络安全攻防工具库连接；
基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学方法，包括如下步骤：
步骤1、通过AR眼镜采集沙盘模拟系统中实物模型的图像及位置数据；第一次使用时，执行步骤1，否则执行步骤4；
步骤2、AR眼镜采集的实物模型图像及位置数据发送给实训场景建模与管理模块；
步骤3、实训场景建模与管理模块从实训场景模型库中读取模型数据进行匹配，生成实训场景逻辑拓扑图，逻辑拓扑图可进一步进行编辑修正；
步骤4、实训教学管理模块发起实训科目，并将实训科目配置数据发送给实训场景建模与管理模块，其中，实训科目配置数据包括实训科目任务模式、目标、内容和要求；
步骤5、实训教学管理模块发送实训科目要求数据给网络安全信息配置模块，其中，实训科目要求数据包括电力设施脆弱性信息和访问权限信息；
步骤6、网络安全信息配置模块从实训场景建模与管理模块读取实训场景逻辑拓扑图数据，根据实训科目要求对实训场景逻辑拓扑图中的电力设施逻辑组件进行配置，配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限；
步骤7、实训场景建模与管理模块将已配置的实物场景逻辑拓扑图和实训科目的内容、目标数据下发给AR眼镜；
步骤8、利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目；执行过程中，可通过AR眼镜从网络安全攻防工具库调用所需的网络安全攻防工具辅助完成实训科目；
步骤9、利用AR眼镜面向沙盘模型执行实训科目的一个步骤，AR眼镜将执行步骤数据发送给实训场景建模与管理模块，实训场景建模与管理模块转发给实训过程判定模块进行结果判定；
步骤10、实训过程判定模块将实训步骤执行判定结果发送给实训场景建模与管理模块；
步骤11、实训场景建模与管理模块将实训步骤执行判定结果分别发送给沙盘模拟系统和AR眼镜；沙盘模拟系统根据实训步骤执行判定结果，在沙盘模型中显示相应的状态结果，包括停电、电力设施故障、电力网络故障；可根据步骤执行判定结果，通过AR眼镜开展实训科目下一步骤执行；
步骤12、重复执行步骤8至步骤11，直至实训科目所有步骤执行结束；
步骤13、实训场景建模与管理模块将实训过程数据发送给实训教学评价模块，其中，实训过程数据包括实训科目的内容和目标、实训科目任务每个步骤执行情况及结果；
步骤14、实训教学评价模块进行实训科目过程评价后将实训执行过程及评价数据发送给实训教学管理模块进行归档，实训科目结束。
2.根据权利要求1所述的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，所述实训科目步骤执行效果包括停电、电力设备故障和电力网络故障。
3.根据权利要求1所述的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，所述沙盘模拟系统包含以下系统的按比例缩小的实物模型：发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统和配电自动化系统。
4.根据权利要求3所述的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，所述实训场景模型库包括发电厂电气系统、变电站自动化系统、输电线路状态监测系统、配电自动化系统中的电力设施图像、电力设施图像所匹配的逻辑组件信息，以及逻辑组件之间的连接关系。
5.根据权利要求1所述的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，所述实训教学科目的模式包括训练模式、渗透模式和对抗模式；在训练模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者全部可见；在渗透模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于学习者部分可见；在对抗模式中，实训场景建模与管理模块的逻辑拓扑图对于攻击方部分可见，对于防御方全部可见。
6.根据权利要求1所述的基于沙盘模拟与AR的电力网络安全实训教学系统，其特征在于，所述网络安全信息配置模块的配置内容包括电力设施脆弱性和访问权限。
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