CN113673100A - 一种水电站三维可视化智能仿真系统及其培训方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿真技术领域，一种水电站三维可视化智能仿真系统包括现地三维系统、仿真监控系统、仿真管理系统；所述现地三维系统用于根据变电站实际设备和场景进行三维建模构建三维仿真模型模拟水电站场景；所述仿真监控系统用于源程序制作监控系统逻辑，并配置监控系统点表与仿真三维模型信号连接模拟水电站监控系统；所述仿真管理系统用于根据三维仿真模型和监控系统进行仿真训练、仿真考试、学员评定。本发明不同于传统的培训系统，其完全参照实际设备的接线及逻辑进行制作，能够反映设备间的相互关联，可以通过系统的仿真验证功能，对实施方案的合理性，设备操作的正确完备性，消缺方案的可行性等进行推导验证，服务于电厂安全生产。

Description

一种水电站三维可视化智能仿真系统及其培训方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体涉及一种水电站三维可视化智能仿真系统及其培训方法。

背景技术

目前，国内水电站三维仿真系统大多用于运行人员操作培训，没有建立系统的学员考评系统，更没有用于辅助水电站安全生产，达到验证级的仿真系统，而且用于运行操作培训的仿真系统存在以下弊端：

(1)系统主要偏向操作练习，没有将理论考试成绩、仿真实操考试成绩、上机时间等信息采集并对学员进行综合评价。

(2)系统未制作仿真设备继电器等内部结构三维模型，未按照水电站现场设备接线图模拟设备接线，不能完全反映设备在各种条件下的设备动作情况，导致操作设备引起的后果和监控信号与实际不符。

(3)仿真度不高，无法通过仿真系统的推导，验证特殊操作、设备消缺、定值修改、运行方式调整的可靠性，无法通过仿真系统指导水电站安全生产工作。

基于以上问题，开发了一套三维可视化智能仿真系统，不仅能够通过仿真培训提高人员技术水平，提高培训效率，还能够通过仿真系统的推导，提前对即将进行的工作进行仿真验证，进一步促进安全生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种水电站三维可视化智能仿真系统及其培训方法来克服现有技术的不足；

一方面：一种水电站三维可视化智能仿真系统，包括现地三维系统、仿真监控系统、仿真管理系统；所述现地三维系统用于根据变电站实际设备和场景进行三维建模构建三维仿真模型模拟水电站场景；所述仿真监控系统用于源程序制作监控系统逻辑，并配置监控系统点表与仿真三维模型信号连接模拟水电站监控系统；所述仿真管理系统用于根据三维仿真模型和监控系统进行仿真训练、仿真考试、学员评定；

所述仿真管理系统包括仿真操作系统、考试评价系统；所述仿真操作系统包括三维拆装系统、操作票仿真系统、运行仿真系统、事故仿真系统；所述三维拆装系统用于为需要提供拆装技巧与方法并根据拆装技巧与方法对零部件拆装模型进行拆装训练；所述操作票仿真系统用于对生成的操作票进行管理并根据操作票进行系统验证训练；所述运行仿真系统用于获取初始工况并根据初始工况进行仿真训练，所述事故仿真系统用于获取故障类型并根据故障类型进行故障仿真训练。

优选的，还包括教练员站、学员站、交换机、服务器；所述学员站分别交换机与服务器连接，所述服务器与教练员站连接；所述仿真监控系统和仿真操作系统在学员站和教练员站运行，所述考试评价系统在教练员站和学员站运行，所述现地三维系统在服务器中运行。

优选的，还包括VR仿真设备，所述学员站和教练员站均连接有VR仿真设备。

优选的，所述VR仿真设备包括身份识别器、定位器、头戴式设备、操作手柄；所述身份识别器用于获取用户身份信息进行身份验证，所述头戴式设备获取现地三维系统输出水电站场景，操控手柄用于模拟水电站场景中的工具，所述定位器用于获得头戴式设备和操控手柄的位置信息。

优选的，所述操作票仿真系统包括操作票生成模块、操作票统计模块、操作票验证模块，所述操作票生成模块用于根据官地写票规则生成电子操作票，所述操作票验证模块用于根据电子操作票内容进行仿真来验证操作票的完备性，所述操作票统计模块用于根据操作票规则进行分类整理。

优选的，所述操作票分类规则包括第一规则、第二规则、第三规则，其中，第一规则为根据操作票的完备性将电子操作票分为可行性操作票和不可行性操作票，第二规则为根据运行人员将可行性操作票分为教练员操作票和学员操作票，第三规则为根据设备类型分别对教练员操作票和学员操作票进行分类。

优选的，所述三维拆装系统包括拆装模式选择模块、拆装演示模块，所述拆装模式选择模块用于选择拆装方式，所述拆装方式包括单步拆装和整体拆装；所述拆装演示模块用于获取拆装知识与技巧，所述拆装知识与技巧通过文本、动画的方式显示。

优选的，所述现地建模系统还包括数据存储模块、数据处理模块、场景合成模块、拆装模型生成模块，所述数据存储模块用于预存三维建模数据，所述数据处理模块用于对三维建模数据进行降噪增强处理，所述场景合成模块用于根据三维建模数据合成水电站运行场景，所述拆装模型生成模块用于根据三维建模数据构建用于拆装培训的零部件拆装模型。

优选的，所三维建模数据通过设置在水电站的激光扫描设备获取，根据水电站图纸设置扫描点，通过布设在各个扫描点的激光扫描设备按照预设的扫描频率扫描变电站实际设备和场景，获取水电站变电站三维建模数据。

另一方面：一种三维可视化智能仿真系统的培训方法，包括以下步骤：

步骤S1:搭建现地建模系统、仿真监控系统、仿真操作系统、考试评价系统；

步骤S2:通过现地建模系统根据变电站实际设备和场景进行三维建模获取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景；

步骤S3:通过仿真操作系统调取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景进行仿真训练，通过仿真监控系统进行仿真训练进行监控，其中，所述仿真训练包括VR仿真训练、三维拆装训练、系统验证训练、事故仿真训练；

步骤S4:通过仿真评价系统进行仿真考试，获取仿真训练结果和仿真考试结果，根据仿真训练结果和仿真考试结果对学员的情况对学员进行评级。

本发明的有益效果为：本发明设计了一种水电站三维可视化智能仿真系统，构建了以水电站现地设备和场景为基础的三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景，构建了以水电站现场设备接线图、源程序为基础的仿真监控系统，实现了VR仿真训练、三维拆装训练、系统验证训练、事故仿真训练；仿真度高，可以通过仿真推导，验证操作票的完备性、设备消缺、运行方式调整的可靠性，不仅有利于对学员培训进行评定考核，还有利于提高可视化智能仿真系统指导水电站安全生产工。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的学员站与教练员站结构示意图；

图3为本发明的监控系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种水电站三维可视化智能仿真系统，包括现地三维系统、仿真监控系统、仿真管理系统；

所述现地三维系统用于根据变电站实际设备和场景进行三维建模构建三维仿真模型模拟水电站场景；所述仿真监控系统用于源程序制作监控系统逻辑，并配置监控系统点表与仿真三维模型信号连接模拟水电站监控系统；所述仿真管理系统用于根据三维仿真模型和监控系统进行仿真训练、仿真考试、学员评定；

所述仿真管理系统包括仿真操作系统、考试评价系统；所述仿真操作系统包括三维拆装系统、操作票仿真系统、运行仿真系统、事故仿真系统；所述三维拆装系统用于为需要提供拆装技巧与方法并根据拆装技巧与方法对零部件拆装模型进行拆装训练；所述操作票仿真系统用于对生成的操作票进行管理并根据操作票进行系统验证训练；所述运行仿真系统用于获取初始工况并根据初始工况进行仿真训练，所述事故仿真系统用于获取故障类型并根据故障类型进行故障仿真训练。

具体的，如图3所示，仿真监控系统包括各机组监视及控制画面、500kV开关监视及控制界面、厂用电监视及控制界面、工作闸门及泄洪闸门监视控制界面、公用系统监视及控制界面等组成，仿真监控系统的界面完全与官地电厂实际监控系统一致，所有监控后台逻辑以及数据采集处理功能与真实的监控系统完全一致，仿真监控系统动作开出后，现地三维系统各LCU开出继电器的亮灭动作信号与实际保持一致，监控系统信息与各现地LCU控制屏内数据保存一致，监控系统仿真监控系统与仿真三维设备之间的连接与现场一致，上位机报警界面及颜色配置也与现场实际一致，能进行监控系统的相关培训，包括监控操作、报警信息等。

具体的，在进行运行仿真训练时，仿真系统将提供用于不同培训目的的初始工况，教练员可以根据培训需要设置、修改或删除初始工况，全厂所有的阀门、开关、把手、压板、按钮、闭锁钥匙、程序钥匙、标识牌等均能够在仿真系统进行操作，操作遵循设备程序闭锁、工器具的使用、机械闭锁等的限制，操作后能够正确引起相应设备状态变化，仿真监控系统能够正确发信；在事故仿真训练时，事故、故障可以由非正常操作自然引发，也可以由教练员设置。仿真机对事故、故障的仿真能够实时、准确地反映真实的事故、故障现象。发生事故、故障时，仿真机仿真的动、静态特性与仿真对象在事故、故障时的动、静态特性一致或相像，与运行经验和工程分析相符合。如仿真对象的事故和故障可以通过运行人员的操作得以消除，如处理不当，引起事故、故障扩大的效果与仿真对象的真实现象一致。

值得说明的，如图2所示，还包括教练员站、学员站、交换机、服务器；所述学员站分别交换机与服务器连接，所述服务器与教练员站连接；所述仿真监控系统和仿真操作系统在学员站和教练员站运行，所述考试评价系统在教练员站和学员站运行，所述现地三维系统在服务器中运行。

当然，在实际的使用中，系统还能够实现对官地电厂4台机组的水轮发电机、调速系统、励磁系统、保护装置、测温装置、厂用电系统、油水气系统、公用系统等建立设备履历数据库并存储于服务器中，通过调用设备履历数据库，将每个设备的设备参数、检修记录、缺陷记录等信息显示在仿真场景中，并能够通过远程访问并修改服务器设备履历，根据用户权限在三维系统上对设备履历进行增加、删除、修改等操作。

值得说明的，还包括VR仿真设备，所述学员站和教练员站均连接有VR仿真设备。

值得说明的，所述VR仿真设备包括身份识别器、定位器、头戴式设备、操作手柄；所述身份识别器用于获取用户身份信息进行身份验证，所述头戴式设备获取现地三维系统输出水电站场景，操控手柄用于模拟水电站场景中的工具，所述定位器用于获得头戴式设备和操控手柄的位置信息。

具体的，通过身份识别器能够自动识别用户身份并将身份信息以及VR仿真训练时长一同记录到该用户数据中，为考核学员的平时成绩提供数据基础，同时，还能够验证用户身份，避免其他没有权限的人员随意操作，导致VR仿真设备故障，影响学员的仿真培训工作，通过定位器、头戴式设备、操作手柄的配合，实现了VR仿真培训，通过VR技术构造虚拟现实环境为基础，大大提高了水电站场景的真实感、沉浸感和可交互性，可以让学员身临其境地置身于官地电厂生产现场虚拟现实环境之中，在这种环境中，学员不仅可以进行全厂设备漫游，还可以对各种开关、阀门、把手、按钮等进行虚拟操作，获得身临其境的体验

值得说明的，所述操作票仿真系统包括操作票生成模块、操作票统计模块、操作票验证模块，所述操作票生成模块用于根据官地写票规则生成电子操作票，所述操作票验证模块用于根据电子操作票内容进行仿真来验证操作票的完备性，所述操作票统计模块用于根据操作票规则进行分类整理。

具体的，教练员站及学员站均支持运行人员进行仿真操作后通过操作票生成模块按照官地电厂运行人员写票规则自动生成可以使用的电子操作票，主要操作票内容包括：开关、压板、阀门、按钮、把手、刀闸、断路器、接地刀闸、接地线、标识牌、机械闭锁、程序闭锁、开关位置任意一种或多种设备的操作以及对应的设备状态检查结果、操作票完备性、生成操作票的人员信息。另外，由于本发明的仿真监控系统逻辑，现地设备内部继电器、信号回路、电源回路、内部逻辑、开出回路均按照现场图纸制作，具有极高的仿真度，能够支持仿真验证。首先，可以在设备进行小型改造前对设计方案与改造后可能造成的效果进行验证，例如监控系统新增某一开度运行下的报警信息，可以在操作票生产模块生成对应的操作票，在操作票验证模块进行模拟、调试无误后再在实际设备上进行改造。其次，在遇到特殊操作时对操作票正确完备性进行验证，例如模拟机组在检修态进行安控联跳GCB试验，第一次遇到该操作，首先生成安控联跳GCB试验的操作票，然后根据该操作票进行模拟操作，由于系统具备完整的安控跳闸动作回路及设备保护功能，操作票有误则无法在仿真系统完整执行下去，同时还可以利用系统对该操作存在的危险点进行分析，防止误操作的发生。最后，遇到突发故障时对特殊的故障处理办法进行验证，故障的出现往往有各种意想不到的原因，一些特殊的处理方法是否会造成正常运行设备的停运，会产生哪些报警信号、带来哪些后果，是没有办法直接在运行设备上尝试的，这时就可以通过操作票验证模块进行验证，查明消缺办法对其他设备的影响，如果验证不能通过，则该操作票为不可行性操作票。因此通过仿真验证，能够很大程度的保证设备改造及系统完善的合理性，保证设备操作的正确完备性，保证消缺方案的可行性。

值得说明的，所述操作票分类规则包括第一规则、第二规则、第三规则，其中，第一规则为根据操作票的完备性将电子操作票分为可行性操作票和不可行性操作票，第二规则为根据运行人员将可行性操作票分为教练员操作票和学员操作票，第三规则为根据设备类型分别对教练员操作票和学员操作票进行分类。方便后续查看以及对不可行性操作票进行调整。

值得说明的，所述三维拆装系统包括拆装模式选择模块、拆装演示模块，所述拆装模式选择模块用于选择拆装方式，所述拆装方式包括单步拆装和整体拆装；所述拆装演示模块用于获取拆装知识与技巧，所述拆装知识与技巧通过文本、动画的方式显示。

具体的，通过三维拆装系统能够实现设备三维拆装，可以单步拆装，也可以整个流程拆装，演示模式能够对拆装过程进行讲解和动画演示，检修人员拆装时能够按照相关拆装知识和技巧自由对元器件进行拆装，拆装过程有动画演示，各零部件的三维模型逼真，提供直观形象的设备拆装体验。设备拆装能够让运行人员了解设备结构，能够让检修人员掌握设备拆装工作工艺、流程、注意事项。

值得说明的，所述现地建模系统还包括数据存储模块、数据处理模块、场景合成模块、拆装模型生成模块，所述数据存储模块用于预存三维建模数据，所述数据处理模块用于对三维建模数据进行降噪增强处理，所述场景合成模块用于根据三维建模数据合成水电站运行场景，所述拆装模型生成模块用于根据三维建模数据构建用于拆装培训的零部件拆装模型。

值得说明的，所三维建模数据通过设置在水电站的激光扫描设备获取，根据水电站图纸设置扫描点，通过布设在各个扫描点的激光扫描设备按照预设的扫描频率扫描变电站实际设备和场景，获取水电站变电站三维建模数据。

一种三维可视化智能仿真系统的培训方法，适用于权利要求1-8所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，包括以下步骤：

步骤S1:搭建现地建模系统、仿真监控系统、仿真操作系统、考试评价系统；

步骤S2:通过现地建模系统根据变电站实际设备和场景进行三维建模获取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景；

步骤S3:通过仿真操作系统调取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景进行仿真训练，通过仿真监控系统进行仿真训练进行监控，其中，所述仿真训练包括VR仿真训练、三维拆装训练、系统验证训练、事故仿真训练；

步骤S4:通过仿真评价系统进行仿真考试，获取仿真训练结果和仿真考试结果，根据仿真训练结果和仿真考试结果对学员的情况对学员进行评级。

Claims (10)

1.一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，包括现地三维系统、仿真监控系统、仿真管理系统；所述现地三维系统用于根据变电站实际设备和场景进行三维建模构建三维仿真模型模拟水电站场景；所述仿真监控系统用于源程序制作监控系统逻辑，并配置监控系统点表与仿真三维模型信号连接模拟水电站监控系统；所述仿真管理系统用于根据三维仿真模型和监控系统进行仿真训练、仿真考试、学员评定；

所述仿真管理系统包括仿真操作系统、考试评价系统；所述仿真操作系统包括三维拆装系统、操作票仿真系统、运行仿真系统、事故仿真系统；所述三维拆装系统用于为需要提供拆装技巧与方法并根据拆装技巧与方法对零部件拆装模型进行拆装训练；所述操作票仿真系统用于对生成的操作票进行管理并根据操作票进行系统验证训练；所述运行仿真系统用于获取初始工况并根据初始工况进行仿真训练，所述事故仿真系统用于获取故障类型并根据故障类型进行故障仿真训练。

2.根据权利要求1所述，一种三维可视化智能仿真系统，包括教练员站、学员站、交换机、服务器；所述学员站分别交换机与服务器连接，所述服务器与教练员站连接；所述仿真监控系统和仿真操作系统在学员站和教练员站运行，所述考试评价系统在教练员站和学员站运行，所述现地三维系统在服务器中运行。

3.根据权利要求2所述，一种水电站三维可视化智能仿真系统，还包括VR仿真设备，所述学员站和教练员站均连接有VR仿真设备。

4.根据权利要求3所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所述VR仿真设备包括身份识别器、定位器、头戴式设备、操作手柄；所述身份识别器用于获取用户身份信息进行身份验证，所述头戴式设备获取现地三维系统输出水电站场景，操控手柄用于模拟水电站场景中的工具，所述定位器用于获得头戴式设备和操控手柄的位置信息。

5.根据权利要求1所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所述操作票仿真系统包括操作票生成模块、操作票统计模块、操作票验证模块，所述操作票生成模块用于根据官地写票规则生成电子操作票，所述操作票验证模块用于根据电子操作票内容进行仿真来验证操作票的完备性，所述操作票统计模块用于根据操作票规则进行分类整理。

6.根据权利要求5所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所述操作票分类规则包括第一规则、第二规则、第三规则，其中，第一规则为根据操作票的完备性将电子操作票分为可行性操作票和不可行性操作票，第二规则为根据运行人员将可行性操作票分为教练员操作票和学员操作票，第三规则为根据设备类型分别对教练员操作票和学员操作票进行分类。

7.根据权利要求1所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所述三维拆装系统包括拆装模式选择模块、拆装演示模块，所述拆装模式选择模块用于选择拆装方式，所述拆装方式包括单步拆装和整体拆装；所述拆装演示模块用于获取拆装知识与技巧，所述拆装知识与技巧通过文本、动画的方式显示。

8.根据权利要求1所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所述现地建模系统还包括数据存储模块、数据处理模块、场景合成模块、拆装模型生成模块，所述数据存储模块用于预存三维建模数据，所述数据处理模块用于对三维建模数据进行降噪增强处理，所述场景合成模块用于根据三维建模数据合成水电站运行场景，所述拆装模型生成模块用于根据三维建模数据构建用于拆装培训的零部件拆装模型。

9.根据权利要求8所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，其特征在于，所三维建模数据通过设置在水电站的激光扫描设备获取，根据水电站图纸设置扫描点，通过布设在各个扫描点的激光扫描设备按照预设的扫描频率扫描变电站实际设备和场景，获取水电站三维建模数据。

10.一种三维可视化智能仿真系统的培训方法，其特征在于，适用于权利要求1-8所述的一种水电站三维可视化智能仿真系统，包括以下步骤：

步骤S1:搭建现地建模系统、仿真监控系统、仿真操作系统、考试评价系统；

步骤S2:通过现地建模系统根据变电站实际设备和场景进行三维建模获取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景；

步骤S3:通过仿真操作系统调取三维仿真模型、零部件拆装模型和仿真场景进行仿真训练，通过仿真监控系统进行仿真训练进行监控，其中，所述仿真训练包括VR仿真训练、三维拆装训练、系统验证训练、事故仿真训练；

步骤S4:通过仿真评价系统进行仿真考试，获取仿真训练结果和仿真考试结果，根据仿真训练结果和仿真考试结果对学员的情况对学员进行评级。

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