CN116206503A - 一种基于vr技术的变电站仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VR技术的变电站仿真系统，包括变电站仿真实训系统，所述变电站仿真实训系统中包括处理器、传输单元，所述传输单元用于变电站仿真实训系统更新以及数据的传输，本发明涉及变电站维护培训技术领域。该基于VR技术的变电站仿真系统，通过设置处理器，使得整个变电站仿真实训系统能够稳定运行，同时能够对系统资源进行更新，使得变电站仿真培训系统能够不断的学习，扩充培训范围、扩大风险点以及事故类型，使得对变电站运维人员的培训能够更加充分，运用虚拟现实技术，为变电站的运营培训工作提供一种逼真、安全、交互的培训方式，不受空间地点限制，可以进行全套系统的培训，占地面积和成本均相对较低。

Description

一种基于VR技术的变电站仿真系统

技术领域

本发明涉及变电站维护培训技术领域，具体为一种基于VR技术的变电站仿真系统。

背景技术

电力是现代社会的重要组成部分，支撑着文化和工业的发展。缺电对经济和社会影响很大。电力公用事业公司负责向用户发电、输电和分配电力。为了确保电力的持续供应，电力公用事业公司必须有有效的运行和维护程序。

变电站是电网运行中不可或缺的一环，变电站需要进行充分和及时的检查维护。变电站的维护涉及高风险任务，带电线路维护的事故可能是致命的。为了降低风险，避免对设备和人员造成损害，重要的是要有一支训练有素、技能精湛的运维队伍，才能在危险的环境中安全高效地执行任务，但是现有的训练，一般都是进行实物模拟训练，但是全套的变电站模拟装置，设备较多成本高，且体积大占地面积大，同时培训过程中也可能出现事故。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于VR技术的变电站仿真系统，解决了现有的变电站维修训练，一般都是进行实物模拟训练，但是全套的变电站模拟装置，设备较多成本高，且体积大占地面积大，同时培训过程中也可能出现事故的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于VR技术的变电站仿真系统，包括变电站仿真实训系统，所述变电站仿真实训系统中包括处理器、传输单元，所述传输单元用于变电站仿真实训系统更新以及数据的传输，所述变电站仿真实训系统中还包括数据库单元、培训单元，所述数据库单元用于储存仿真变电站数据以及相关数据，所述传输单元中包括资源服务器模块、下载模块、传输模块，所述资源服务器模块的信号输出端与下载模块的信号接收端连接，所述下载模块的信号输出端与传输模块的信号接收端连接。

优选的，所述传输单元中包括信号增强模块、输入输出隔离保护，所述传输模块的信号输出端与信号增强模块的信号接收端连接，所述信号增强模块的信号输出端与输入输出隔离保护的信号接收端连接。

优选的，所述数据库单元中包括接收模块、变电站模块、工器具模块，所述接收端模块的信号输出端与变电站模块的信号接收端连接，所述变电站模块的信号输出端与工器具模块的信号接收端连接，所述数据库单元中还包括电力设备模块、位置模块、专家知识库模块，所述工器具模块的信号输出端与电力设备模块的信号接收端连接。

优选的，所述电力设备模块的信号输出端与位置模块的信号接收端连接，所述位置模块的信号输出端与专家知识库模块的信号接收端连接。

优选的，所述培训单元中包括书面培训模块、技能培训模块、规范培训模块，所述书面培训模块的信号输出端与技能培训模块的信号接收端连接，所述技能培训模块的信号输出端与规范培训模块的信号接收端连接，所述培训单元中还包括三维培训模块、操作演示模块、模拟实操模块。

优选的，所述规范培训模块的信号输出端与三维培训模块的信号接收端连接，所述三维培训模块的信号输出端与操作演示模块的信号接收端连接，所述操作演示模块的信号输出端与模拟实操模块的信号接收端连接。

优选的，所述变电站仿真实训系统中还包括考核单元，所述考核单元中包括理论考核模块、变电站漫游考核模块、规范考核模块、设备拆装考核模块、成绩汇总模块、错误分析模块，所述理论考核模块的信号输出端与变电站漫游考核模块，所述变电站漫游考核模块的信号输出端与规范考核模块的信号接收端连接。

优选的，所述规范考核模块的信号输出端与设备拆装考核模块的信号接收端连接，所述设备拆装考核模块的信号输出端与成绩汇总模块的信号接收端连接，所述成绩汇总模块的信号输出端与错误分析模块的信号接收端连接。

有益效果

本发明提供了一种基于VR技术的变电站仿真系统。与现有技术相比具备以下有益效果：

(1)、该基于VR技术的变电站仿真系统，通过设置处理器，使得整个变电站仿真实训系统能够稳定运行，同时能够对系统资源进行更新，使得变电站仿真培训系统能够不断的学习，扩充培训范围、扩大风险点以及事故类型，使得对变电站运维人员的培训能够更加充分，运用虚拟现实技术，为变电站的运营培训工作提供一种逼真、安全、交互的培训方式，不受空间地点限制，可以进行全套系统的培训，占地面积和成本均相对较低。

(2)、该基于VR技术的变电站仿真系统，通过设置传输单元使得变电站仿真实训系统在对运维人员进行培训的过程中，信号传输稳定，不会被其他信号干扰，导致VR内容出现卡顿或丢失的情况出现。

(3)、该基于VR技术的变电站仿真系统，通过设置数据库单元，使得变电站仿真实训系统能够将变电站运维过程中需要用到的各种知识进行存储，使得在对运维人员进行培训的时候，培训效果更好，不会出现缺少相关设备数据的情况，导致培训效果变差的情况出现。

(4)、该基于VR技术的变电站仿真系统，通过设置培训单元、考核单元，能让用户更高效地掌握变电站知识、变电站设备巡视，同时更保证了用户在培训过程中的安全性，同时能够及时掌握用户的学习情况，在通过考核之后再安排上岗，有效降低了实际运维过程中的事故率。

附图说明

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为本发明传输单元的系统示意图；

图3为本发明数据库单元的系统示意图；

图4为本发明培训单元的系统示意图；

图5为本发明考核单元的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供两种技术方案：

实施例一

(1)变电站三维虛拟现实系统实现

首先，整理前期收集的设计变电站产生的CAD图纸，包括:各厂方设备三视图、土建工程图、电气主接线图、设备安装图、照明箱照明器布置图、建筑立面图、联合楼断面图等文件和参考图纸。并到现场实地考察，采集相片素材张。

(2)数据制作

为了将采集整理的素材转换成软件平台可以识别使用的文件，需要对素材进行再加工成可以使用的格式，或者用作生成其他数据文件的参考。

1)建模是将获取的资料信息转化成三维数据。是一项基础性高强度工作，模型质量的好坏直接影响最终项目作为参照的价值，质量因素包括多边形数量，网格拓扑结构等方面。场景设备模型的建立，由设备厂商、设计规划部门提供的CAD设计图纸，是有矢量线段构成的模型三视图，通过AutoCAD的整理，去除标识、文字等建模不需要的部分，再用拼合工具合成到一起，导入到3dsMax中，放在单独的层，按照3dsMax中的三个视图，分别旋转到相应的方向，然后冻结，避免误操作，作为建模参考，设置3dsMax的基本单位为米。运用polygon低分辨率建模技术，从立方体、球体、圆柱体等基本元素开始，辅以挤压、切削、放样、布尔等建模工具分别构建出房屋、设备的外形特征。再按照事先设计的多边形预算，通过运用塌陷、焊接、删除不可见面等优化手段，手工精简优化多边形数量。同时要保持整洁的多边形网格拓扑结构，运用光滑组修正法线方向，运用纹理坐标

工具为模型指定纹理坐标，通过透视视角检查问题并修改。

再使用3dsMax的文件拼合功能整合到一起，按照CAD电气设备平面图标注的方位，通过位移、旋转。使模型的空间关系与图纸设备一一对齐。对于相同的模型，比如:窗户、同一型号的灯等，使用实例复制功能复制。

纹理制作。实地考查、拍摄的相片，一部分作为建模参考，一部分经过Photoshop无缝、锐化处理，做成纹理数据。一方面保留了最大的细节真实度，而且也大大节约纹理绘制时间。通过纹理坐标吸附在多边形模型上面，用来表现物体的细节和表面属性。对于一些精度不足的建筑物纹理，可以使用专业的建筑纹理库。光照纹理生成:首先为模型指定独立的纹理坐标，将坐标展平，确保不会互相重叠，然后设定灯光和高级渲染器参数，使用渲染到纹理功能，将光照信息保存进纹理。所有的纹理都要经过重新采样，设置分辨率为2次方，最大分辨率为512X512，最小分辨率为32X32。普通纹理使用JPEG格式储存，带Alpha通道的纹理使用PNG格式储存，使用最优压缩画质设置。

2)将模型数据导入Quest3D，数据的内容包括模型、动画帧、数学运算模型及运算结果，数据及数据之间以父子的关系组织在一起。模型有空间属性、网格属性和表面属性等子属性。空间属性表示模型之间相互的空间关系，如位置、角度、大小，以世界空间的矩阵来表示，矩阵又有三维的矢量组成，每一个分量可以在程序中被重新赋值，非常有利于空间变换动画的制作。网格属性表示模型的顶点、拓扑结构及纹理坐标，通过建模软件包制作导入，以三维矢量储存，无法在Quest3D中修改。表面属性表示模型的颜色、材质、纹理数据。其中纹理以图形格式保存，在Quest3D中，可以查看、修改纹理的分辨率，mipmap等级，是否使用现代显卡支持的纹理压缩功能。纹理通过顶点上的纹理坐标数据依附在模型表面，通过HLSL语法编辑的Shader代码与材质、光照相互作用、实时运算操作生成最终的栅格化像素颜色，模拟各种现实世界物质表面的效果。所有的矢量、标量数据属性都是开放式的，可以被动态的引用、参与运算，修改、添加、删除，做到了真正的开放灵活。

3)Quest3D支持Shader编程语言HLSL，可以加载Fx文件格式，并自带有HLSL编辑器，既可以方便编辑修改，还能将修改好的源代码存成Fx文件，通过引用链接提供给其他材质使用。利用可编程Shader的特性，一方面使材质属性文件可以独立与程序存放，有利于光照模型和材质属性的改良优化，另一方面为以后增强视觉效果提供方便。

在Quest3D中主要用到以下几种材质:

<1>对网格密度高的小物体模拟:使用实时光照模型，如木质设备、水泥构件等面数小，数量多的模型，先塌陷成一个模型再应用材质。使用了一只主光模拟主照明，还使用了一只辅光模拟环境照明。混合操作为:实时光照顶点颜色X基本纹理。

<2>对于粗糙的亚光表面模拟:诸如墙、地面、植物、等大面积平整物体，网格较宽，无法通过顶点提供足够的光照信息，使用建模软件的高级渲染器功能生成光照贴图照明，再混合基本纹理。混合操作为:基本纹理X光照纹理。

<3>光泽表面或金属表面模拟:比如瓷砖、金属，有尖锐的高光和反射。高光纹理和反射纹理通过程序坐标贴覆到模型上，程序坐标按照视角向量和法线向量在程序中实时运算所得。两种材质表面所不同之处在于光泽表面用的是只包含高光信息的高光纹理，而金属表面用的是包含周围环境信息的反射纹理。混合操作为:基本纹理X光照纹理+高光纹理或者反射纹理。

4)将Shader用到各个设备模型上后，已经让设备有了真实的光影效果。但是发现设备材质与环境之间还有-些不协调的地方。有些材质比现实中的亮，而有些又比现实中的暗，比如室内的灯光看起来太暗，一些金属材质的物体因为应用了反射又显得过亮。室外应该是大晴天，看起来却像是阴天。对Shader一个一个的调整既复杂又慢，而且不能解决材质间相互影响的问题，这就要用到Shader的另一个用法，就是后期处理特效。光晕特效就是其中的一种光晕(Bloom)屏幕特效，是一种用来模拟自然界光源辉光(glow)和晕圈(Halo)的技术。在观看计算机图形、胶片和印刷品时，到达眼睛的光强度是有限的，因此，辨别光源强度的唯一方法是通过它们周围的辉光和晕圈。通过迷惑观察者，让他们感觉到非常明亮的光源。光晕的实现，这些辉光是由于光线在大气或我们的眼睛中散射而引起的这些辉光再生了光源强度的视觉效应，利用现行的可编程硬件，只需要很少的消耗就能实现。在项目中有很多发光源，如灯光，仪器上的指示灯，使用光晕特效，一方面可以让用户更容易区分发光体，另一方面也大大提高了场景的真实感。具体实现步骤如下:

首先，复制后台帧缓存到纹理，然后指定一个亮度阀值，将低于阀值的像素替换成黑色，留下的就是光源的信息，然后进行一个两步图像卷积运算，将光源的点向外涂抹为模糊的、大面积的辉光。最后通过屏幕对齐相机，将纹理对齐屏幕，使用加混合模式，把辉光应用回屏幕的顶部。除了拷贝帧缓存使用的是Quest3D的专有通道，最后应用混合使用固定流水线的Alpha运算，中间的步骤都用HLSL完成。

利用固定渲染线的帧缓冲混合功能，将江化的光照信息用加模式混合到待渲染的帧缓冲。应用了光晕特效后，场景的整体效果变亮，细节看得更清楚，室内的灯子效果也变得更加明显。

最后输出到屏幕。

(3)资源整合及添加交互

外部数据导入之后，还要将它们整合起来，才能够正确的显示模型、添加动画和交互。通过逻辑功能通道(channel)的添加、连接，将模型和纹理转化为生动多样的虚拟现实环境。

一种基于VR技术的变电接收端电连接号增强模块的信号输出端与输入输出隔离保护的信号接收端电连接，数据库单元中包括接收模块、变电站模块、工器具模块，所述接收端模块的信号输出端与变电站模块的信号接收端电连接，所述变电站模块的信号输出端与工器具模块的信号接收端电连接，所述数据库单元中还包括电力设备模块、位置模块、专家知识库模块，所述工器具模块的信号输出端与电力设备模块的信号接收端电连接，电力设备模块的信号输出端与位置模块的信号接收端电连接，所述位置模块的信号输出端与专家知识库模块的信号接收端电连接。

使用时，通过资源服务器模块对变电站仿真实训系统所用到的信息资源进行定期更新，使得变电站仿真实训系统中的各种软件始终保持在最新状态，不会出现插件版本过低影响VR培训的情况出现，通过下载模块对变电站仿真实训系统所用到的各种软件、插件、信息进行下载更新，通过传输模块对变电站仿真实训系统运行时的各种信号进行传输，通过信号增强模块以及输入输出隔离保护对变电站仿真实训系统运行时传输的各种信号进行增强以及隔离保护，防止信号受到干扰，导致VR画面出现失真、模糊、丢失的情况出现，通过接收模块对各种基础数据进行接收存储，通过变电站模块将变电站建模后的各种三维数据信息进行存储，通过工器具模块对变电站运维过程中需要用到的各种工器具信息进行存储，通过电力设备模块对变电站中的各种电力设备信息进行存储，通过位置模块对VR系统中用户当前所处位置进行定位，同时模拟出平面地图，供用户学习时参考，通过专家知识库模块对变电站运维过程中的各种常见、不常见的情况进行存储，以供用户学习使用。

实施例二

本实施例区别于实施例一的技术方案包括：培训单元中包括书面培训模块、技能培训模块、规范培训模块，所述书面培训模块的信号输出端与技能培训模块的信号接收端电连接，所述技能培训模块的信号输出端与规范培训模块的信号接收端电连接，所述培训单元中还包括三维培训模块、操作演示模块、模拟实操模块，规范培训模块的信号输出端与三维培训模块的信号接收端电连接，所述三维培训模块的信号输出端与操作演示模块的信号接收端电连接，所述操作演示模块的信号输出端与模拟实操模块的信号接收端电连接，变电站仿真实训系统中还包括考核单元，所述考核单元中包括理论考核模块、变电站漫游考核模块、规范考核模块、设备拆装考核模块、成绩汇总模块、错误分析模块，所述理论考核模块的信号输出端与变电站漫游考核模块，所述变电站漫游考核模块的信号输出端与规范考核模块的信号接收端电连接，规范考核模块的信号输出端与设备拆装考核模块的信号接收端电连接，所述设备拆装考核模块的信号输出端与成绩汇总模块的信号接收端电连接，所述成绩汇总模块的信号输出端与错误分析模块的信号接收端电连接。

使用时，通过书面培训模块对用户的书面技能进行培训，如一些重要参数、运行状态等，通过技能培训模块对用户的实地操作技能进行培训，如遇到某一情况时应该怎么操作，通过规范培训模块对用户的实地操作进行培训，使得用户知道出现相关情况后正确的做法是什么，不会出现错误操作导致安全事故的发生，通过三维培训模块让用户上VR系统进行培训，通过操作演示模块给用户演示应对各种情况的正确做法，通过模拟实操模块，让用户在VR系统内自行操作如何应对各种情况，各种设备的安全运转，是变电站正常运行的先决条件。变电站培训，首先是要让学员熟悉变电站的各种关键设备，不仅是让学员认识各种设备，还需要对主要设备在原理上和结构上掌握。变电站的关键设备有许多，分为一次设备和二次设备，主要包括变压器、断路器、隔离开关、电压互感器和电流互感器等。以变压器为例，根据工作原理不同又有不同的种类，有自冷式变压器、风冷式变压器、油浸式变压器和干式站用变压器等等。对这些主要设备的学习，是培训工作的重要内容。培训系统将提供变电站主要设备的学习功能，让学员能够辨识这些设备。培训的内容不仅包括设备正常运行情况下人员的生产活动，如设备操作、设备巡视、设备工作原理学习，还包括设备异常及故障情况下的生产活动，包括设备故障的设置、诊断和事故处理。结合虚拟现实的交互和动画技术，设备学习除了静态的可视化展示，还可以通过动画和交互技术，向学员展示设备的工作原理和工作过程，通过理论考核模块对用户的理论知识掌握情况进行考核，通过变电站漫游考核模块根据典型的变电站设计规范，构造虚拟变电站场景，真实地展现变电站场景。虚拟变电站中包括各种主要设备和接线、接地装置、避雷装置和建筑物，结合虚拟设备的状态说明，让学员通过在逼真、规范的环境中漫游和巡视，迅速掌握变电站运行和巡视知识，同时更保证了学员培训过程中的安全性，通过规范考核模块对学员的操作是否规范进行考核，通过设备拆装考核模块对学员的实操能力进行考核，通过成绩汇总模块对每个学员每场考核的成绩进行汇总，通过错误分析模块对每个学员错误的地方进行分析，同时进行错误操作结果展示，加强印象。

同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于VR技术的变电站仿真系统，包括变电站仿真实训系统，其特征在于：所述变电站仿真实训系统中包括处理器、传输单元，所述传输单元用于变电站仿真实训系统更新以及数据的传输，所述变电站仿真实训系统中还包括数据库单元、培训单元，所述数据库单元用于储存仿真变电站数据以及相关数据，所述传输单元中包括资源服务器模块、下载模块、传输模块，所述资源服务器模块的信号输出端与下载模块的信号接收端连接，所述下载模块的信号输出端与传输模块的信号接收端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述传输单元中包括信号增强模块、输入输出隔离保护，所述传输模块的信号输出端与信号增强模块的信号接收端连接，所述信号增强模块的信号输出端与输入输出隔离保护的信号接收端连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述数据库单元中包括接收模块、变电站模块、工器具模块，所述接收端模块的信号输出端与变电站模块的信号接收端连接，所述变电站模块的信号输出端与工器具模块的信号接收端连接，所述数据库单元中还包括电力设备模块、位置模块、专家知识库模块，所述工器具模块的信号输出端与电力设备模块的信号接收端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述电力设备模块的信号输出端与位置模块的信号接收端连接，所述位置模块的信号输出端与专家知识库模块的信号接收端连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述培训单元中包括书面培训模块、技能培训模块、规范培训模块，所述书面培训模块的信号输出端与技能培训模块的信号接收端连接，所述技能培训模块的信号输出端与规范培训模块的信号接收端连接，所述培训单元中还包括三维培训模块、操作演示模块、模拟实操模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述规范培训模块的信号输出端与三维培训模块的信号接收端连接，所述三维培训模块的信号输出端与操作演示模块的信号接收端连接，所述操作演示模块的信号输出端与模拟实操模块的信号接收端连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述变电站仿真实训系统中还包括考核单元，所述考核单元中包括理论考核模块、变电站漫游考核模块、规范考核模块、设备拆装考核模块、成绩汇总模块、错误分析模块，所述理论考核模块的信号输出端与变电站漫游考核模块，所述变电站漫游考核模块的信号输出端与规范考核模块的信号接收端连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于VR技术的变电站仿真系统，其特征在于：所述规范考核模块的信号输出端与设备拆装考核模块的信号接收端连接，所述设备拆装考核模块的信号输出端与成绩汇总模块的信号接收端连接，所述成绩汇总模块的信号输出端与错误分析模块的信号接收端连接。

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