CN117649793A - 一种基于vr技术的变电站设备教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VR技术的变电站设备教学系统，包括：设备建模模块、场景构建模块、教员模块和模拟操作模块；设备建模模块与场景构建模块连接，设备建模模块用于生成变电站中的设备虚拟模型；场景构建模块还分别与教员模块和模拟操作模块连接，场景构建模块用于基于设备虚拟模型构建可交互虚拟场景；教员模块还与模拟操作模块连接，教员模块用于基于设备虚拟模型进行操作教学；模拟操作模块用于向学员提供模拟操作平台，让学员在可交互虚拟场景中对设备虚拟模型进行模拟操作。本发明能够模拟真实的环境和操作过程，学员可以远离实际设备的风险，有效解决传统变电站设备培训教学中存在的安全、成本和教学资源有限等问题。
Description
技术领域
本发明属于电力行业教学技术领域，具体涉及一种基于VR技术的变电站设备教学系统。
背景技术
当今社会，经济的快速发展，必然依赖于工业和商业的稳定，其中工业则是经济发展的重中之重，而工业的稳定发展，需要依赖于稳定的电力系统。
随着电网规模的不断扩大和自动化技术水平的不断提高，对变电运行人员的技术素质和工作能力提出了越来越高的要求。近年来，电网相继投入了大量的变电站集中控制系统和变电站综合自动化系统，但缺乏足够合格的运行及维护人员，在某种程度上给电网的长期安全、稳定运行留下了隐患。因此，对运行及维护人员进行培训，成了重中之重。
然而，传统的变电站设备培训教学通常依赖实物设备进行，学员需要亲自接触实际的变电站设备来学习其使用和操作方法。这种传统的培训方法存在一些问题，首先，由于变电站设备通常是高压、高风险的，操作过程中存在安全隐患。学员可能面临电击、烧伤等风险，而实物设备的不可控因素增加了事故发生的概率。其次，变电站设备的维护和维修成本较高，因为频繁使用和操作可能导致设备磨损和损坏。此外，实物设备的教学资源有限，学员仅能依赖于教材和教师的讲解来学习。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种基于VR技术的变电站设备教学系统，能够模拟真实的环境，在虚拟环境中，学员可以进行模拟操作、故障排查等训练，增强实践能力和操作技能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于VR技术的变电站设备教学系统，包括：设备建模模块、场景构建模块、教员模块和模拟操作模块；
所述设备建模模块与所述场景构建模块连接，所述设备建模模块用于生成变电站中的设备虚拟模型；
所述场景构建模块还分别与所述教员模块和所述模拟操作模块连接，所述场景构建模块用于基于所述设备虚拟模型构建可交互虚拟场景；
所述教员模块还与所述模拟操作模块连接，所述教员模块用于基于所述设备虚拟模型进行操作教学；
所述模拟操作模块用于向学员提供模拟操作平台，让学员在所述可交互虚拟场景中对所述设备虚拟模型进行模拟操作。
优选的，所述设备建模模块包括：模型构建单元、设备动作生成单元、第一处理单元和第一通讯单元；
所述模型构建单元与所述第一处理单元连接，所述模型构建单元用于生成设备3D模型；
所述设备动作生成单元与所述第一处理单元连接，所述设备动作生成单元用于基于真实设备的动作过程生成设备动作动画；
所述第一处理单元还与所述第一通讯单元连接，所述第一处理单元用于整合所述设备3D模型和所述设备动作动画，并赋予所述设备3D模型相应的物理属性，得到所述设备虚拟模型；
所述第一通讯单元还与所述场景构建模块连接，所述第一通讯单元用于将所述设备虚拟模型发送至所述场景构建模块中。
优选的，生成所述设备3D模型的方法包括：采用激光三维扫描方式对设备进行3D建模。
优选的，所述场景构建模块包括：场景搭建单元、联动特性生成单元、事件生成单元、第二处理单元和第二通讯单元；
所述场景搭建单元分别与所述设备建模模块和所述第二处理单元连接，用于基于所述设备虚拟模型搭建变电站虚拟环境；
所述联动特性生成单元与所述第二处理单元连接，所述联动特性生成单元用于生成相互连接的不同设备间的联动特性；
所述事件生成单元与所述第二处理单元连接，所述事件生成单元用于生成设备事件；
所述第二处理单元还与所述第二通讯单元连接，所述第二处理单元用于将所述联动特性设置在所述变电站虚拟环境中，并基于所述设备事件控制所述设备虚拟模型动作；
所述第二通讯单元还与所述教员模块和所述模拟操作模块连接，所述第二通讯单元用于将设置完成的所述变电站虚拟环境发送至所述教员模块和所述模拟操作模块中。
优选的，所述联动特性为：某一设备出现特定动作事件时，与其相连接的设备因所述特定动作事件产生的联动动作情况。
优选的，所述教员模块包括：课程选择单元、教学监控单元和教学评估单元；
所述课程选择单元与所述场景构建模块连接，所述课程选择单元用于为教员提供培训课程，同时还控制所述事件生成单元；
所述教学监控单元还分别与所述教学评估单元和所述模拟操作模块连接，所述教学监控单元用于记录学员的模拟操作过程数据，生成学员操作记录；
所述教学评估单元用于基于所述学员操作记录，对学员学习情况进行评估打分。
优选的，所述模拟操作模块包括：外显单元、穿戴式动作捕捉单元、第三处理单元和惩罚单元；
所述外显单元分别与所述第二通讯单元和所述第三处理单元连接，所述外显装置用于接收所述变电站虚拟环境，并基于所述变电站虚拟环境生成相应的可交互虚拟模型；
所述穿戴式动作捕捉单元还与所述第三处理单元、所述惩罚单元和所述教学监控单元连接，所述穿戴式动作捕捉单元用于捕捉学员的所述模拟操作，并生成所述模拟操作过程数据；
所述惩罚单元还与所述第三处理单元连接，所述惩罚单元用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并将所述判断结果传输至所述第三处理单元；
所述第三处理单元用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将所述模型改变指令传输至所述外显单元；
所述第三处理单元还用于基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能够模拟真实的环境和操作过程，通过头戴式显示设备和交互式控制器，学员可以远离实际设备的风险，将现实世界转化为虚拟环境，可以有效解决传统变电站设备培训教学中存在的安全、成本和教学资源有限等问题。在虚拟环境中，学员可以进行模拟操作、故障排查等训练，增强实践能力和操作技能。同时，虚拟现实教学系统能够提供丰富的教学资源，例如设备操作指南、故障案例等，供学员随时查阅和学习；此外，虚拟现实技术还支持多人协同学习，学员可以与其他学员进行互动和团队合作，共同解决各类问题；由于虚拟现实技术可以根据学员的表现实时采集和分析数据，教师可以及时了解学员的学习进度和效果，并提供个性化的指导和建议。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在本实施例中，如图1所示，一种基于VR技术的变电站设备教学系统，包括：设备建模模块、场景构建模块、教员模块和模拟操作模块。
设备建模模块与场景构建模块连接，设备建模模块用于生成变电站中的设备虚拟模型。
设备建模模块包括：模型构建单元、设备动作生成单元、第一处理单元和第一通讯单元；模型构建单元与第一处理单元连接，模型构建单元用于生成设备3D模型；设备动作生成单元与第一处理单元连接，设备动作生成单元用于基于真实设备的动作过程生成设备动作动画；第一处理单元还与第一通讯单元连接，第一处理单元用于整合设备3D模型和设备动作动画，并赋予设备3D模型相应的物理属性，得到设备虚拟模型；第一通讯单元还与场景构建模块连接，第一通讯单元用于将设备虚拟模型发送至场景构建模块中。
生成设备3D模型的方法包括：采用激光三维扫描方式对设备进行3D建模。本实施例中，为保证电气设备三维模型的精细建模，投入了具有SLAM(实时定位与制图)技术的便携式激光雷达采集设备，采集变电站中全部电气设备的点云数据，制作电气设备模型，并将模型数据和现状照片数据输入至虚幻5引擎中，得到具备高清纹理的设备虚拟模型。
场景构建模块还分别与教员模块和模拟操作模块连接，场景构建模块用于基于设备虚拟模型构建可交互虚拟场景。
场景构建模块包括：场景搭建单元、联动特性生成单元、事件生成单元、第二处理单元和第二通讯单元；场景搭建单元分别与设备建模模块和第二处理单元连接，用于基于设备虚拟模型搭建变电站虚拟环境；联动特性生成单元与第二处理单元连接，联动特性生成单元用于生成相互连接的不同设备间的联动特性，联动特性为：某一设备出现特定动作事件时，与其相连接的设备因特定动作事件产生的联动动作情况，例如，当变压器内部出现故障时，继电保护装置会立刻动作，实现断路器跳闸，这种情况就为变压器与继电保护的联动特性；事件生成单元与第二处理单元连接，事件生成单元用于生成设备事件；第二处理单元还与第二通讯单元连接，第二处理单元用于将联动特性设置在变电站虚拟环境中，并基于设备事件控制设备虚拟模型动作；第二通讯单元还与教员模块和模拟操作模块连接，第二通讯单元用于将设置完成的变电站虚拟环境发送至教员模块和模拟操作模块中。
教员模块还与模拟操作模块连接，教员模块用于基于设备虚拟模型进行操作教学。
教员模块包括：课程选择单元、教学监控单元和教学评估单元；课程选择单元与场景构建模块连接，课程选择单元用于为教员提供培训课程，同时还控制事件生成单元；教学监控单元还分别与教学评估单元和模拟操作模块连接，教学监控单元用于记录学员的模拟操作过程数据，生成学员操作记录；教学评估单元用于基于学员操作记录对学员学习情况进行评估打分。
模拟操作模块用于向学员提供模拟操作平台，让学员在可交互虚拟场景中对设备虚拟模型进行模拟操作。
模拟操作模块包括：外显单元、穿戴式动作捕捉单元、第三处理单元和惩罚单元；外显单元分别与第二通讯单元和第三处理单元连接，外显装置用于接收变电站虚拟环境，并基于变电站虚拟环境生成相应的可交互虚拟模型；穿戴式动作捕捉单元还与第三处理单元、惩罚单元和教学监控单元连接，穿戴式动作捕捉单元用于捕捉学员的模拟操作，并生成模拟操作过程数据；惩罚单元还与第三处理单元连接，惩罚单元用于接收模拟操作过程数据，并基于模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并将判断结果传输至第三处理单元；第三处理单元用于接收模拟操作过程数据，并基于模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将模型改变指令传输至外显单元；第三处理单元还用于基于判断结果发出惩罚指令，并将惩罚指令传输至穿戴式动作捕捉单元。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，包括：设备建模模块、场景构建模块、教员模块和模拟操作模块；
所述设备建模模块与所述场景构建模块连接，所述设备建模模块用于生成变电站中的设备虚拟模型；
所述场景构建模块还分别与所述教员模块和所述模拟操作模块连接，所述场景构建模块用于基于所述设备虚拟模型构建可交互虚拟场景；
所述教员模块还与所述模拟操作模块连接，所述教员模块用于基于所述设备虚拟模型进行操作教学；
所述模拟操作模块用于向学员提供模拟操作平台，让学员在所述可交互虚拟场景中对所述设备虚拟模型进行模拟操作。
2.根据权利要求1所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，所述设备建模模块包括：模型构建单元、设备动作生成单元、第一处理单元和第一通讯单元；
所述模型构建单元与所述第一处理单元连接，所述模型构建单元用于生成设备3D模型；
所述设备动作生成单元与所述第一处理单元连接，所述设备动作生成单元用于基于真实设备的动作过程生成设备动作动画；
所述第一处理单元还与所述第一通讯单元连接，所述第一处理单元用于整合所述设备3D模型和所述设备动作动画，并赋予所述设备3D模型相应的物理属性，得到所述设备虚拟模型；
所述第一通讯单元还与所述场景构建模块连接，所述第一通讯单元用于将所述设备虚拟模型发送至所述场景构建模块中。
3.根据权利要求2所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，生成所述设备3D模型的方法包括：采用激光三维扫描方式对设备进行3D建模。
4.根据权利要求1所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，所述场景构建模块包括：场景搭建单元、联动特性生成单元、事件生成单元、第二处理单元和第二通讯单元；
所述场景搭建单元分别与所述设备建模模块和所述第二处理单元连接，用于基于所述设备虚拟模型搭建变电站虚拟环境；
所述联动特性生成单元与所述第二处理单元连接，所述联动特性生成单元用于生成相互连接的不同设备间的联动特性；
所述事件生成单元与所述第二处理单元连接，所述事件生成单元用于生成设备事件；
所述第二处理单元还与所述第二通讯单元连接，所述第二处理单元用于将所述联动特性设置在所述变电站虚拟环境中，并基于所述设备事件控制所述设备虚拟模型动作；
所述第二通讯单元还与所述教员模块和所述模拟操作模块连接，所述第二通讯单元用于将设置完成的所述变电站虚拟环境发送至所述教员模块和所述模拟操作模块中。
5.根据权利要求4所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，所述联动特性为：某一设备出现特定动作事件时，与其相连接的设备因所述特定动作事件产生的联动动作情况。
6.根据权利要求4所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，所述教员模块包括：课程选择单元、教学监控单元和教学评估单元；
所述课程选择单元与所述场景构建模块连接，所述课程选择单元用于为教员提供培训课程，同时还控制所述事件生成单元；
所述教学监控单元还分别与所述教学评估单元和所述模拟操作模块连接，所述教学监控单元用于记录学员的模拟操作过程数据，生成学员操作记录；
所述教学评估单元用于基于所述学员操作记录，对学员学习情况进行评估打分。
7.根据权利要求6所述一种基于VR技术的变电站设备教学系统，其特征在于，所述模拟操作模块包括：外显单元、穿戴式动作捕捉单元、第三处理单元和惩罚单元；
所述外显单元分别与所述第二通讯单元和所述第三处理单元连接，所述外显装置用于接收所述变电站虚拟环境，并基于所述变电站虚拟环境生成相应的可交互虚拟模型；
所述穿戴式动作捕捉单元还与所述第三处理单元、所述惩罚单元和所述教学监控单元连接，所述穿戴式动作捕捉单元用于捕捉学员的所述模拟操作，并生成所述模拟操作过程数据；
所述惩罚单元还与所述第三处理单元连接，所述惩罚单元用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并将所述判断结果传输至所述第三处理单元；
所述第三处理单元用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将所述模型改变指令传输至所述外显单元；
所述第三处理单元还用于基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉单元。
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