一种基于多人协同的电气设备绝缘试验虚拟仿真系统的制作方法

本发明属于电气设备试验仿真教学技术领域，尤其涉及一种基于多人协同的电气设备绝缘试验虚拟仿真系统。

背景技术：

虚拟现实技术在仿真培训中应用越来越广，仿真培训系统中的数据资源也越来越多，一方面因仿真培训系统较高的重复利用率，能够满足大批学员同时开展培训，另一方面因缺乏指导及培训信息量巨大，导致学员对学习环境有着更大的认知负荷，降低了培训的效果。在电气设备仿真试验中，往往侧重于试验流程的教学和模拟，与实际的多人试验操作情况存在一定的差异性，本质上还属于传统的教学模式，并不能真实的反应试验的复杂性。如何通过有效的ai智能管理，让试验过程能够按照真实多变的情况进行模拟培训，达到真正的培训效果，是尚未解决的一大难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多人协同的电气设备绝缘试验虚拟仿真系统，以解决现有技术针对电气设备仿真试验中，往往侧重于试验流程的教学和模拟，与实际的多人试验操作情况存在一定的差异性，本质上还属于传统的教学模式等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种基于多人协同的电气设备绝缘试验虚拟仿真系统，它包括：

服务器功能模块：采用局域网模式建立tcp/udp数据传输协议和socket通信协议，保证数据的实时连接和响应；

ai管理模块：选择试验项目和试验人数，通过对试验项目和试验人数的管理，并对试验结果进行分析；

仿真培训模块：通过模拟电气设备试验的环境及试验过程，建立电气设备绝缘试验仿真培训及仿真考核，通过对试验准备、试验过程的操作、试验结果的模拟，让学员掌握电气设备绝缘试验的标准操作流程，并考核试验原理及试验操作的掌握程度；

数据安全模块：采用非对称加密的方式对数据之间的传递进行加密，减少因为数据干扰产生的数据延迟和数据错误。

所述服务器模块的服务器部署在本地，管理员用账号和密码进行远程访问；对服务器的数据库设置远程访问用户和密码，数据库访问使用sll验证机制和utf-8编码格式；客户端与服务器之间的数据通信的数据指令都必须使用校验位进行校验，同时数据传输过程中使用md5进行加密处理。

ai管理模块包括试验分析和多人协同；所述试验分析是根据建立的大数据数据库，录入试验数据，通过大数据试验分析，让试验人员检验试验是否成功；多人协同采用多人协同管理，面向试验人员，对试验人员进行角色及任务的划分、安排，模拟真实试验情况，分配不同人数的试验人员来完成对应的试验操作。

ai管理模块的实现方法包括：

（1）、确定试验人员个数为a人，对应为a个起始节点的图；

（2）、将试验流程分解为b个步骤，每个步骤设置对应的权重，记为b(1),b(2),b(3),...,b(n)；

（3）、通过图的深度优先遍历算法，从a个节点分别开始遍历，计算对应的权重，结果分别记为w(1),w(2),w(3),..,w(a)；

（4）、选取对应试验最优划分和分配结果。

所述仿真培训模块采用unity3d开发引擎实现，模型制作采用3dmax进行建设，制作标准采用qgdw1795-2013电网三维建模通用规则和qgdw11181电网三维模型的标准，具体包括：

（1）模型烘焙：模型的烘焙方式统一采用vary_lightingmap烘焙贴方式；vary_lightingmap烘焙设置时,贴图通道和物体uv坐标通道必须为3通道，烘焙时灯光的阴影方式为adv.raytraced高级光线跟踪阴影，背景色为白色，物件的贴图手动展开；

（2）模型绑定及动画：骨骼为cat、bip两类，单个物体骨骼数量不超过60个；动画帧率、帧数的控制，每秒30帧，一个动作控制在3秒内完成；导出动画，分为2个文件，先导出没有动作的模型和骨骼；调节好动画后导出只有骨骼的fbx文件；

（3）模型导出：

将烘焙材质改为标准材质球，通道为1，自发光100%；

所有物体名、材质球名和贴图名保持一致；

合并顶点，清除场景，删除没有用的一切物件；

清材质球，删除无用的材质球；

导出fbx，导出fbx后，再重新导入max中查看一遍fbx的动画是否正确。

非对称加密的方法为：（1）信息加密是公钥加密，私钥解密，确保信息的安全性；（2）数字签名是私钥加密公钥解密，确保数字签名的归属性；（3）登录认证私钥加密，公钥解密。

所述仿真培训模块是基于虚拟现实技术、光学动捕和人机互动技术建立电气设备绝缘试验环幕互动仿真培训系统完成试验项目的实操培训；虚拟现实技术是模拟电气设备试验的环境及试验过程，包括：包括场景模型建设、三维模型处理和试验操作流程模拟整合；

（1）场景模型建设：变电站环境模型制作，包括变电站的试验设备、周边建筑和地形绿化模型制作；

（2）试验设备制作：建模内容包含变压器试验设备、避雷器试验设备、互感器试验设备、断路器试验设备和化学试验设备模型制作；

（3）类型仪器工具制作：建模内容包括试验流程：变压器变比测试、变压器感应耐压试验和局部放电试验、变压器绝缘电阻测试、变压器连同套管介质损耗测试、变压器绕组变形试验、变压器有载分接开关测试、变压器直流电阻测试；断路器机械特性测试、断路器导电回路电阻测试；互感器介质损耗试验、互感器绝缘电阻试验；氧化锌避雷器直流参考电压及泄漏电流测试；现场取油样、现场气体取样、现场气体化验、现场气体化验、现场气体化验需要用到的所有仪器工具制作；

（4）工具室制作：根据流程选取相应的仪器工具，将这些仪器工具整合在一个工具室；

（5）流程动画制作：包括每个试验流程所有的交互步骤的人物、仪器和工具等动画制作。

本发明有益效果：

本发明通过ai管理，将虚拟仿真技术与人工智能技术相结合，提出的电气设备多人协同仿真试验具有生动性、交互性的特点，而ai智能管理的加入，不仅能够在学员培训学习过程中提供有效的教学服务，帮助学员快速适应虚拟仿真环境并掌握专业技能，还可以模拟多种实际试验情况，完成单人或者多人协同操作，智能分配任务，完全模拟真实试验角色工作，并对试验情况进行分析总结；解决了现有技术针对电气设备仿真试验中，往往侧重于试验流程的教学和模拟，与实际的多人试验操作情况存在一定的差异性，本质上还属于传统的教学模式等技术问题。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为ai管理功能示意图；

图3为ai管理多人协同试验流程示意图；

图4为非对称加密原理图；

图5为非对称加密处理算法示意图。

具体实施方式

一种基于多人协同的电气设备绝缘试验虚拟仿真系统：

服务器功能模块：采用局域网模式建立tcp/udp数据传输协议和socket通信协议，保证数据的实时连接和响应；

ai管理模块：选择试验项目和试验人数，通过对试验项目和试验人数的管理，并对试验结果进行分析；

仿真培训模块：通过模拟电气设备试验的环境及试验过程，建立电气设备绝缘试验仿真培训及仿真考核，通过对试验准备、试验过程的操作、试验结果的模拟，让学员掌握电气设备绝缘试验的标准操作流程，并利用仿真考核考察学员对试验原理及试验操作的掌握程度；

数据安全模块：采用非对称加密的方式对数据之间的传递进行加密，减少因为数据干扰产生的数据延迟和数据错误。

服务器功能模块：

建立局域网络环境，服务器部署在本地。

服务器操作系统

windowsserver是microsoftwindowsserversystem(wss)的核心，windows的服务器操作系统。

服务器登录

设置管理员远程访问用账号和密码；

数据库访问

针对数据库设置专门的远程访问用户和密码，数据库访问使用sll验证机制和utf-8编码格式，确保数据库的安全性；

客户端与服务器之间的数据通信的数据指令都必须使用校验位进行校验，同时数据传输过程中使用md5进行加密处理；

仿真培训模块

实现引擎

仿真培训的仿真部分采用unity3d开发引擎。unity3d是由unitytechnologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

开发工具

仿真培训的逻辑开发采用microsoftvisualstudio（简称vs）。vs是美国微软公司的开发工具包系列产品。vs是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如uml工具、代码管控工具、集成开发环境(ide)等等。vs能够实现从同一开发环境内创建面向多个.netframework版本的应用程序。开发人员能够构建面向.netframework2.0、3.0或3.5的应用程序，意味他们可以在同一环境中支持各种各样的项目。

模型建设

仿真培训的模型制作采用3dmax进行建设。制作标准参考qgdw1795-2013电网三维建模通用规则和qgdw11181电网三维模型的系列标准；

（1）模型烘焙

1.模型的烘焙方式统一采用vary_lightingmap烘焙贴方式；

2.烘焙贴图设置，vary_lightingmap烘焙设置时,贴图通道和物体uv坐标通道必须为3通道，烘焙时灯光的阴影方式为adv.raytraced高级光线跟踪阴影，背景色要改为白色，避免黑边的情况。主要物件的贴图uv必须手动展开。

（2）模型绑定及动画

1.骨骼必须为cat、bip两类，单个物体骨骼数量不超过60个。

2.动画帧率、帧数的控制，一般情况下为每秒30帧，一个动作尽量控制在3秒内完成。

3.导出动画，分开2个文件，导出没有动作的模型、骨骼，模型需要带有蒙皮信息。之后调节好做动画后导出的只有骨骼的fbx文件。

（3）模型导出

1.将烘焙材质改为标准材质球，通道为1，自发光100%；

2.所有物体名、材质球名、贴图名保持一致；

3.合并顶点，清除场景，删除没有用的一切物件；

4.清材质球，删除多余的材质球（不重要的贴图要缩小）；

5.按要求导出fbx（检查看是否要打组导出），导出fbx后，再重新导入max中查看一遍fbx的动画是否正确；

ai管理模块包括：

试验分析

ai管理实现的第一部分为试验分析。

建立大数据数据库，采用mysql数据库，录入试验相关数据。数据来源主要有以下三个部分：

（1）试验历史数据；

（2）试验核心操作步骤数据；

（3）试验结果；

通过试验分析，可以快速反应试验的情况，让试验人员快速检验试验是否成功。

多人协同

多人协同管理，一般至少4人；面向试验人员，对试验人员进行角色及任务的划分、安排，模拟真实试验情况，可分配不同人数的试验人员来完成对应的试验操作。

ai管理模块的实现方法

基于c/c++开发语言，通过图的遍历算法，实现结果计算，通过最优结果，取得角色、流程、任务的最优分配结果。

图的遍历是图的一种重要的运算。所谓遍历是指对图中所有结点的信息的访问，即依次对图中每个结点访问一次且仅访问一次。由于从给定的某个节点出发，有多个可以前往的下一个节点（图不是线性数据结构），所以在顺序计算（即非并行计算）的情况下，只能推迟对某些节点的访问——即以某种方式保存起来以便稍后再访问。常见的做法是采用栈（lifo）或队列（fifo）。由于图本身是一种自我引用（即递归定义）的数据结构，因此很自然也可以用递归方式，或者更准确地说，用corecursion，来实现延迟节点的保存。这时（采用递归的情况）这些节点被保存在callstack中。

实现过程：

（1）试验人员个数为a人，对应为a个起始节点的图（a＞0）；

（2）将试验流程分解为b个步骤，每个步骤设置对应的权重，记为b(1),b(2),b(3),...,b(n)；

（3）通过图的深度优先遍历算法，从a个节点分别开始遍历，计算对应的权重，结果分别记为w(1),w(2),w(3),..,w(a)；

（4）对图的遍历结果进行分析，取权重总数进行比较，选取对应试验最优划分和分配结果。

数据安全模块

数据安全模块采用非对称加密方式，保证系统数据的安全性。

非对称的加密技术的介绍

加密算法分为对称加密算法和非对称加密算法，非对称中主要应用非对称加密算法。

非对称加密指为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到非对称中的加密技术。非对称加密通常在加密和解密过程中使用两个非对称的密码，分别称为公钥和私钥。非对称密钥对具有两个特点：一是用其中一个密钥(公钥或私钥)加密信息后，只有另一个对应的密钥才能解开。二是公钥可向其他人公开，私钥则保密，其他人无法通过该公钥推算出相应的私钥。

非对称加密介绍

在系统中，加密的应用场景主要包括信息加密、数字签名和登录认证等。

具体实现如下：

（1）信息加密是公钥加密，私钥解密，确保信息的安全性；

（2）数字签名是私钥加密公钥解密，确保数字签名的归属性；

（3）登录认证私钥加密，公钥解密。

实现原理介绍：

（1）信息加密场景主要是由信息发送者(记为a)使用接受者(记为b)的公钥对信息加密后再发送给b，b利用自己的私钥对信息解密。

（2）数字签名场景则是由发送者a采用自己的私钥加密信息后发送给b，b使用a的公钥对信息解密、从而可确保信息是由a发送的。

（3）登录认证场景则是由客户端使用私钥加密登录信息后发送给服务器，后者接收后采用该客户端的公钥解密并认证登录信息.

本发明优化传统仿真培训结构和框架，引入人工智能管理模式，并针对多人协同任务智能管理和试验分析，一步步对学员进行培训，并能够统计学员的掌握程度。能让电气设备仿真试验更加贴合实际，真正的达到仿真模拟的目的，提高培训效率。