CN115588333A - 一种断路器操作机构仿真培训系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种断路器操作机构仿真培训系统及方法，所述系统包括业务层模块，用于根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；应用层模块，与业务层模块相连接，用于根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理；本发明通过对断路器操作机构的外观结构进行三维建模，对其工作过程进行功能建模，通过仿真交互和三维培训仿真设计，实现了断路器操作机构的外观辨识、工作原理学习、正常操作维护等业务领域的全面培训，提升了培训效率和质量。

Description

一种断路器操作机构仿真培训系统及方法
技术领域
本发明涉及一种断路器操作机构仿真培训系统及方法，属于电力设备仿真培训技术领域。
背景技术
在电力系统中，高压断路器不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电源，在系统发生故障时还可通过继电保护装置控制进而切断过负荷电流和短路电流。高压断路器主要由操作机构、传动部分、开断部分、绝缘部分和基座组成，其中操作机构对高压断路器可靠动作具有决定性作用。据统计，绝大多数断路器故障是由断路器操作机构故障引起的。因此，掌握正确的断路器操作机构使用方法具有重要意义。
目前针对断路器操作机构的培训仍以理论讲解为主、实操培训和仿真模型培训为辅。现有培训手段方法单一、效率较低，无法对断路器操作机构的外观结构、功能原理、操作要领进行整体全面的培训，培训效果有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种断路器操作机构仿真培训系统及方法，对断路器操作机构的外观结构进行三维建模，对其工作过程进行功能建模，通过仿真交互和三维培训仿真设计，实现了断路器操作机构的外观辨识、工作原理学习、正常操作维护等业务领域的全面培训，提升了培训效率和质量。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种断路器操作机构仿真培训系统，包括：
业务层模块，用于根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；
应用层模块，与业务层模块相连接，用于根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理。
进一步的，所述业务层模块包括机构外观模块、机构原理模块、设备操作模块、和流程展示模块，其中：
所述机构外观模块用于根据预先获取的断路器操作机构的照片资料、规格说明、现场量测情况，借助三维建模工具建立操作机构三维模型；
所述机构原理模块用于根据断路器操作机构工作过程建立断路器操作机构功能模型，其中，所述断路器操作机构功能模型包括电源模型、远方就地切换模型、储能控制模型、分合闸模型、基础控件操作模型和异常设置模型；
所述设备操作模块用于对断路器操作机构所支持的操作进行归类整合，总结成相对独立的操作步骤；
所述流程展示模块用于将断路器操作机构相关的倒闸操作、运维过程提炼成一系列有先后关系的操作流程，并可对操作流程中的任一步骤增加个性化提示信息。
进一步的，所述应用层模块包括仿真培训模块、仿真练习模块、测评考核模块及培训管理模块，其中：
所述仿真培训模块包括对制作好的培训资源进行浏览学习；
所述仿真练习模块包括对断路器操作机构进行模拟操作，对学员的操作进行监督指导；
所述测评考核模块用于学员仿真考核及对仿真考核结果进行查看和管理；所述培训管理模块用于仿真系统中的培训资源管理、人员权限管理。
进一步的，还包括：平台服务模块，分别与应用层模块和业务层模块相连接，用于对应用层模块中的仿真培训过程提供数据库管理和人机交互，对业务层模块进行模型构建时提供模型计算以及提供必要的系统运行环境。
进一步的，所述平台服务层模块包括数据库管理模块、人机交互模块、模型计算模块、运行支撑模块，其中：
所述数据库管理模块用于存储培训过程中产生的操作记录数据和对培训人员信息进行管理；
所述人机交互模块用于处理培训过程中产生的交互信息；
所述模型计算模块用于计算给定输入条件下的模型状态变化过程；
所述运行支撑模块包括计算操作系统以及程序运行必要的支撑软件环境。
进一步的，还包括：硬件基础设施模块，分别与业务层模块、应用层模块以及平台服务模块相连接，用于为各模块提供网络通信、数据存储、模型计算、图形显示、系统运行中的任意一种或多种基础硬件资源。
进一步的，所述硬件基础设施模块包括网络模块、数据存储模块、显示模块以及主机模块，所述网络模块包括卡、交换机、路由器以及用于网络连接的配线，所述数据存储模块包括随机存取存储器RAM、只读存储器ROM以及硬盘中的任意一种过多种，所述显示模块包括显示器、数据传输配线，所述主机模块包括服务器。
第二方面，本发明提供一种断路器操作机构仿真培训方法，包括：
根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；
根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理。
进一步的，所述断路器操作机构三维模型的构建方法，包括：
步骤一：收集断路器操作机构照片资料和产品说明书；
步骤二：根据所收集的照片资料绘制操作机构所需的纹理特征；
步骤三：使用三维建模软件3DMax进行断路器操作机构原始模型制件；
步骤四：将步骤二制作好的纹理贴图粘贴到步骤三构建好的操作机构三维模型中，并进行材质着色；
步骤五：借助3DMax软件模型导出功能，将制作好的三维模型导出fbx模型备用；
步骤六：根据仿真功能需求，编辑操作机构电源分合、信号亮灭、运动控制等脚本数据；
步骤七：在Unity3d软件中导入步骤五生成的fbx模型，挂载步骤六编辑完成的脚本；
步骤八：完成断路器操作机构三维模型制作。
进一步的，所述照片资料包括操作机构自身材质的颜色、细节、光照、粗糙度信息中的任意一种或多种；所述产品说明书包括操作机构本体、传动机构、提升机构的几何尺寸信息、材质信息、运动参数信息中的任意一种或多种。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种断路器操作机构仿真培训系统及方法，通过对断路器操作机构的外观结构进行三维建模，对其工作过程进行功能建模，通过仿真交互和三维培训仿真设计，实现了断路器操作机构的外观辨识、工作原理学习、正常操作维护等业务领域的全面培训，提升了培训效率和质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的断路器操作机构仿真培训系统架构示意图；
图2是本发明实施例提供的断路器操作机构三维建模流程图；
图3是本发明实施例提供的断路器操作机构功能模型架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例介绍一种断路器操作机构仿真培训系统，包括：
业务层模块，用于根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；所述业务层模块包括机构外观模块、机构原理模块、设备操作模块、和流程展示模块，其中：
所述机构外观模块用于根据预先获取的断路器操作机构的照片资料、规格说明、现场量测情况，借助三维建模工具建立操作机构三维模型；
所述机构原理模块用于根据断路器操作机构工作过程建立断路器操作机构功能模型，其中，所述断路器操作机构功能模型包括电源模型、远方就地切换模型、储能控制模型、分合闸模型、基础控件操作模型和异常设置模型；
所述设备操作模块用于对断路器操作机构所支持的操作进行归类整合，总结成相对独立的操作步骤；
所述流程展示模块用于将断路器操作机构相关的倒闸操作、运维过程提炼成一系列有先后关系的操作流程，并可对操作流程中的任一步骤增加个性化提示信息；
应用层模块，与业务层模块相连接，用于根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理；所述应用层模块包括仿真培训模块、仿真练习模块、测评考核模块及培训管理模块，其中：
所述仿真培训模块包括对制作好的培训资源进行浏览学习；
所述仿真练习模块包括对断路器操作机构进行模拟操作，对学员的操作进行监督指导；
所述测评考核模块用于学员仿真考核及对仿真考核结果进行查看和管理；所述培训管理模块用于仿真系统中的培训资源管理、人员权限管理。
平台服务模块，分别与应用层模块和业务层模块相连接，用于对应用层模块中的仿真培训过程提供数据库管理和人机交互，对业务层模块进行模型构建时提供模型计算以及提供必要的系统运行环境；所述平台服务层模块包括数据库管理模块、人机交互模块、模型计算模块、运行支撑模块，其中：
所述数据库管理模块用于存储培训过程中产生的操作记录数据和对培训人员信息进行管理；
所述人机交互模块用于处理培训过程中产生的交互信息；
所述模型计算模块用于计算给定输入条件下的模型状态变化过程；
所述运行支撑模块包括计算操作系统以及程序运行必要的支撑软件环境。
硬件基础设施模块，分别与业务层模块、应用层模块以及平台服务模块相连接，用于为各模块提供网络通信、数据存储、模型计算、图形显示、系统运行中的任意一种或多种基础硬件资源；所述硬件基础设施模块包括网络模块、数据存储模块、显示模块以及主机模块，所述网络模块包括卡、交换机、路由器以及用于网络连接的配线，所述数据存储模块包括随机存取存储器RAM、只读存储器ROM以及硬盘中的任意一种过多种，所述显示模块包括显示器、数据传输配线，所述主机模块包括服务器。
实施例2
本实施例提供一种断路器操作机构仿真培训方法，包括：
根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；
根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理。
断路器操作机构是学员在使用本培训系统中交互的主要对象，本发明采用数字孪生技术和三维建模技术相结合，构建全场景、多状态、交互式断路器操作机构三维模型，支持场景巡视、设备操作、信息提示、流程模拟等功能。三维建模构建过程如流程图2所示：
步骤一：收集断路器操作机构照片资料和产品说明书。照片资料中包含了操作机构自身材质的颜色、细节、光照、粗糙度信息。产品说明书中包含了操作机构本体、传动机构、提升机构的几何尺寸信息、材质信息、运动参数信息等。
步骤二：根据所收集的照片资料绘制操作机构所需的纹理特征。
步骤三：使用三维建模软件3DMax进行断路器操作机构原始模型制件。
步骤四：将步骤二制作好的纹理贴图粘贴到步骤三构建好的操作机构三维模型中，并进行材质着色。
步骤五：借助3DMax软件模型导出功能，将制作好的三维模型导出fbx模型备用。
步骤六：根据仿真功能需求，编辑操作机构电源分合、信号亮灭、运动控制等脚本数据。
步骤七：在Unity3d软件中导入步骤五生成的fbx模型，挂载步骤六编辑完成的脚本。
步骤八：完成断路器操作机构三维模型制作。
断路器操作机构原理模块是通过建立断路器操作机构功能模型来实现其功能的。建立断路器操作机构功能模型是本发明的重点内容之一。本发明中所考虑的操作机构功能模型涉及要素如下表1所示：
表1操作机构功能模型涉及要素
Figure BDA0003860874010000081
Figure BDA0003860874010000091
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种断路器操作机构仿真培训系统，通过对断路器操作机构的外观结构进行三维建模，对其工作过程进行功能建模，通过仿真交互和三维培训仿真设计，实现了断路器操作机构的外观辨识、工作原理学习、正常操作维护等业务领域的全面培训，提升了培训效率和质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，包括：
业务层模块，用于根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；
应用层模块，与业务层模块相连接，用于根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理。
2.根据权利要求1所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，所述业务层模块包括机构外观模块、机构原理模块、设备操作模块、和流程展示模块，其中：
所述机构外观模块用于根据预先获取的断路器操作机构的照片资料、规格说明、现场量测情况，借助三维建模工具建立操作机构三维模型；
所述机构原理模块用于根据断路器操作机构工作过程建立断路器操作机构功能模型，其中，所述断路器操作机构功能模型包括电源模型、远方就地切换模型、储能控制模型、分合闸模型、基础控件操作模型和异常设置模型；
所述设备操作模块用于对断路器操作机构所支持的操作进行归类整合，总结成相对独立的操作步骤；
所述流程展示模块用于将断路器操作机构相关的倒闸操作、运维过程提炼成一系列有先后关系的操作流程，并可对操作流程中的任一步骤增加个性化提示信息。
3.根据权利要求1所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，所述应用层模块包括仿真培训模块、仿真练习模块、测评考核模块及培训管理模块，其中：
所述仿真培训模块包括对制作好的培训资源进行浏览学习；
所述仿真练习模块包括对断路器操作机构进行模拟操作，对学员的操作进行监督指导；
所述测评考核模块用于学员仿真考核及对仿真考核结果进行查看和管理；所述培训管理模块用于仿真系统中的培训资源管理、人员权限管理。
4.根据权利要求1所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，还包括：平台服务模块，分别与应用层模块和业务层模块相连接，用于对应用层模块中的仿真培训过程提供数据库管理和人机交互，对业务层模块进行模型构建时提供模型计算以及提供必要的系统运行环境。
5.根据权利要求4所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，所述平台服务层模块包括数据库管理模块、人机交互模块、模型计算模块、运行支撑模块，其中：
所述数据库管理模块用于存储培训过程中产生的操作记录数据和对培训人员信息进行管理；
所述人机交互模块用于处理培训过程中产生的交互信息；
所述模型计算模块用于计算给定输入条件下的模型状态变化过程；
所述运行支撑模块包括计算操作系统以及程序运行必要的支撑软件环境。
6.根据权利要求1所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，还包括：硬件基础设施模块，分别与业务层模块、应用层模块以及平台服务模块相连接，用于为各模块提供网络通信、数据存储、模型计算、图形显示、系统运行中的任意一种或多种基础硬件资源。
7.根据权利要求6所述的断路器操作机构仿真培训系统，其特征在于，所述硬件基础设施模块包括网络模块、数据存储模块、显示模块以及主机模块，所述网络模块包括卡、交换机、路由器以及用于网络连接的配线，所述数据存储模块包括随机存取存储器RAM、只读存储器ROM以及硬盘中的任意一种过多种，所述显示模块包括显示器、数据传输配线，所述主机模块包括服务器。
8.一种断路器操作机构仿真培训方法，其特征在于，包括：
根据数字孪生技术和三维建模技术构建断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型；
根据所述断路器操作机构三维模型和断路器操作机构功能模型制作断路器操作机构仿真培训案例以及对培训资源进行管理。
9.根据权利要求8所述的断路器操作机构仿真培训方法，其特征在于，所述断路器操作机构三维模型的构建方法，包括：
步骤一：收集断路器操作机构照片资料和产品说明书；
步骤二：根据所收集的照片资料绘制操作机构所需的纹理特征；
步骤三：使用三维建模软件3DMax进行断路器操作机构原始模型制件；
步骤四：将步骤二制作好的纹理贴图粘贴到步骤三构建好的操作机构三维模型中，并进行材质着色；
步骤五：借助3DMax软件模型导出功能，将制作好的三维模型导出fbx模型备用；
步骤六：根据仿真功能需求，编辑操作机构电源分合、信号亮灭、运动控制等脚本数据；
步骤七：在Unity3d软件中导入步骤五生成的fbx模型，挂载步骤六编辑完成的脚本；
步骤八：完成断路器操作机构三维模型制作。
10.根据权利要求9所述的断路器操作机构仿真培训方法，其特征在于，所述照片资料包括操作机构自身材质的颜色、细节、光照、粗糙度信息中的任意一种或多种；所述产品说明书包括操作机构本体、传动机构、提升机构的几何尺寸信息、材质信息、运动参数信息中的任意一种或多种。
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