一种海底电缆敷设仿真培训系统及其使用方法与流程

本发明涉及电力培训领域，尤其涉及一种海底电缆敷设仿真培训系统及其使用方法。

背景技术：

海底电缆工程的建设受地域建设条件、海洋工程条件和施工设备等条件的限制，工程建设涉及技术领域广泛，投资规模较大，施工技术复杂。海缆敷设于海床后，还要根据海缆路由地质情况，对海缆进行的保护措施，包括海缆埋深、冲埋、套管、抛石等防护稳固施工。同时由于海底地形复杂、捕捞船只作业频繁等特殊因素的影响，使得海底电缆工程的施工和运行维护工作尤为复杂，对海缆线路管理及运维人员提出了相当高的要求。

海底电缆敷设施工作业是一项专业性强、涉及面广、技术含量高、安全措施严格、作业工况复杂的工作，从事带电作业的人员须经过系统、全面、有效的培训，才能胜任该项工作任务。到目前为止，还未形成权威、统一的海底电缆敷设作业标准，实际作业主要依靠借鉴历史经验。同时也未形成系统有效的海底电缆敷设培训方法和体系对现场施工人员、管理人员的培训主要是通过理论讲解、经验传授等教学形式。但由于海底电缆运行环境的特殊性和工艺的复杂性，仅仅采用传统的理论和经验教学，已完全不能满足培训的实际需求。

传统的3d模拟培训方式采用左右眼偏振光接收原理，人的左右眼接收两组不同偏振方式的画面,在大脑合成立体影像，这种主要是靠“欺骗”大脑的三维成像方式，长时间观看三维场景会使人产生晕眩等感受。此外，由于3D立体眼镜对人眼部包覆不严等不足，使得沉浸体验效果欠佳。

基于此，急需对现有海底电缆敷设施工作业培训模式、手段进行研究，设计开发一种安全、高效、低成本、形象直观、沉浸效果好的海底电缆敷设仿真培训系统及方法，对于促进海底电缆敷设培训工作的常态化、标准化开展具有重要作用，同时也有利于作业经验的固化及推广，具有较大的实用价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种海底电缆敷设仿真培训系统及其使用方法，以提升对海底电缆的模拟敷设培训效果为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种海底电缆敷设仿真培训系统，包括柜体、设于柜体上的操作台和显示屏，用于观看显示屏的立体眼镜，设于柜体内的工作机，所述的操作台上设有触摸屏和控制开关，所述的立体眼镜为带有独立控制器的虚拟现实眼镜，所述的工作机为图形工作站，所述的虚拟现实眼镜、显示屏和触摸屏均通过数据传输线与柜体内的图形工作站相连，所述的图形工作站包括用于处理数据及外设设备输入信号的处理器和存储有三维仿真培训模块、用户模块、资料模块及考试模块的数据存储器。 通过图形工作站和带有独立控制器的虚拟现实眼镜，可以逼真的模拟作业现场，使仿真培训效果更好。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的柜体顶部设有音响系统，音响系统通过传输线与图形工作站相连。通过音响系统使仿真模拟更逼真，声形俱备，把音响系统设于柜体顶部，使之与人头部更近，效果更好。

所述的操作台上的控制开关包括音量旋钮和开关按钮。便于关停操作和音量调节。

所述的音量旋钮和开关按钮设于触摸屏的右侧上部。方便大部分人的右手操作原则。

一种海底电缆敷设仿真培训系统的使用方法，包括以下步骤：

1）受训学员按下开关按钮，启动仿真培训系统；

2）受训学员在触摸屏上通过用户模块进行注册、登录，进入培训系统；

3）受训学员戴上虚拟现实眼镜，选择模拟仿真培训的作业项目，进入海底电缆敷设的3D作业场景，旁观者通过显示屏观看作业过程；

4）受训者在模拟作业场景中按照作业流程，完成海底电缆敷设施工作业仿真；

5）仿真训练结束，关闭系统。

所述的模拟仿真培训的作业项目可通过虚拟现实眼镜独立控制器在眼镜视景中选择，也可以在触摸屏上直接点选；所述的作业项目包括施工准备、首端登陆施工、中间段敷埋、终端登陆施工及后续保护。虚拟现实眼镜中内置有三维作业项目软件，通过独立控制器在虚拟现实眼镜视景中选择作业项目，也可以在触摸屏上直接点选，独立控制器可通过红外感应，实现虚拟人在三维场景中的漫游、工器具选择、关键步骤操作等人机交互。使用操作方便。

所述的虚拟现实眼镜中的画面同步显示在显示屏上；所述的虚拟现实眼镜中的画面为通过3D模拟仿真技术生成360度海底电缆敷设作业场景。虚拟现实眼镜中的画面可同步显示在所述显示屏上，供旁观者观看，不同的是，在虚拟现实眼镜中呈现的是度全景效果，显示屏上显示的是普通平面图像。

受训学员还可以在触摸屏上选择资料模块或考试模块，来查询项目相关资料或进行理论考试。可以实现资料查询或考试等多种功能。

所述的海底电缆敷设的3D作业场景和作业工具模型的建立包括以下步骤：

1）确定海缆施工模型或海洋场景要求；

2）拍摄全方位高精度现场照片；

3）通过模型照片和设计尺寸3DMAX中制作模型；

4）通过photoshop处理照片，制作模型贴图；

5）在3Dmax中输出模型文件为.FBX格式，待Unity程序调用；

6）在Unity程序中对.FBX格式文件进行处理，输出作业工具或3D作业场景模型。

在Unity引擎把.FBX模型文件调入内存，生成网格结构，然后采用高清晰度纹理贴图覆在模型结构上，加上灯光、雾化，在贴纹理过程中采用了多级细化的纹理过滤技术和多纹理融合技术。多级细化纹理过滤技术的使用既模拟了纹理的透视效果，又减少了处理时的运算量；多纹理融合技术能够在一个通道内使用纹理、阴影、镜面光、漫射光和其他一些特殊效果，提高程序执行时的帧速度。

有益效果：

1、提供了一种改进的海底电缆敷设仿真培训系统及方法，提升了海底电缆敷设仿真模拟培训的真实感，将复杂的海底施工作业场景直观真实地呈现在学员面前，使得海底电缆敷设培训不受时间、空间、天气等因素影响，降低了培训成本。

2、提出了一种基于Unity平台的海底电缆敷设三维视景系统构建方法，提高了程序的运行速度及场景模拟真实度。

3、利用先进的VR技术，为受训者提供了一种完全沉浸式的海底作业环境和作业体验，有利于提高培训效率、效果。

附图说明

图1是本发明使用原理图。

图2是本发明使用方法流程图。

图3是本发明3D作业场景和作业工具建模流程图。

图中：11-柜体；102-显示屏；103-触摸屏；104-音量旋钮；105-；开关按钮106-音响系统；107-图形工作站；201-虚拟现实眼镜；202-独立控制器；203-传输线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种海底电缆敷设仿真培训系统，包括柜体101、设于柜体101上的操作台和显示屏102，用于观看显示屏102的立体眼镜，设于柜体101内的工作机，所述的操作台上设有触摸屏103和控制开关，所述的立体眼镜为带有独立控制器202的虚拟现实眼镜201，所述的工作机为图形工作站107，所述的虚拟现实眼镜201、显示屏102和触摸屏103均通过数据传输线203与柜体101内的图形工作站107相连，所述的图形工作站107包括用于处理数据及外设设备输入信号的处理器和存储有三维仿真培训模块、用户模块、资料模块及考试模块的数据存储器。 通过图形工作站107和带有独立控制器202的虚拟现实眼镜201，可以逼真的模拟作业现场，使仿真培训效果更好。

为了取得更好的仿真模拟效果，所述的柜体101顶部设有音响系统106，音响系统106通过传输线203与图形工作站107相连。通过音响系统106使仿真模拟更逼真，声形俱备，把音响系统106设于柜体101顶部，使之与人头部更近，效果更好。

为了便于调节操作，所述的操作台上的控制开关包括音量旋钮104和开关按钮105。便于关停操作和音量调节。

为了符合大部分人的使用习惯，所述的音量旋钮104和开关按钮105设于触摸屏103的右侧上部。方便大部分人的右手操作原则。

一种海底电缆敷设仿真培训系统的使用方法，包括以下步骤：

1）受训学员按下开关按钮105，启动仿真培训系统；

2）受训学员在触摸屏103上通过用户模块进行注册、登录，进入培训系统；

3）受训学员戴上虚拟现实眼镜201，选择模拟仿真培训的作业项目，进入海底电缆敷设的3D作业场景，旁观者通过显示屏102观看作业过程；

4）受训者在模拟作业场景中按照作业流程，完成海底电缆敷设施工作业仿真；

5）仿真训练结束，关闭系统。

为了便于实现视控操作，所述的模拟仿真培训的作业项目可通过虚拟现实眼镜201独立控制器202在眼镜视景中选择，也可以在触摸屏103上直接点选；所述的作业项目包括施工准备、首端登陆施工、中间段敷埋、终端登陆施工及后续保护。虚拟现实眼镜201中内置有三维作业项目软件，通过独立控制器202在虚拟现实眼镜201视景中选择作业项目，也可以在触摸屏103上直接点选，独立控制器202可通过红外感应，实现虚拟人在三维场景中的漫游、工器具选择、关键步骤操作等人机交互。使用操作方便。

为了方便监控，所述的虚拟现实眼镜201中的画面同步显示在显示屏102上；所述的虚拟现实眼镜201中的画面为通过3D模拟仿真技术生成360度海底电缆敷设作业场景。虚拟现实眼镜201中的画面可同步显示在所述显示屏102上，供旁观者观看，不同的是，在虚拟现实眼镜201中呈现的是度全景效果，显示屏102上显示的是普通平面图像。

为了便于查询和考试，受训学员还可以在触摸屏103上选择资料模块或考试模块，来查询项目相关资料或进行理论考试。可以实现资料查询或考试等多种功能。

所述的海底电缆敷设的3D作业场景和作业工具模型的建立包括以下步骤：

1）确定海缆施工模型或海洋场景要求；

2）拍摄全方位高精度现场照片；

3）通过模型照片和设计尺寸3DMAX中制作模型；

4）通过photoshop处理照片，制作模型贴图；

5）在3Dmax中输出模型文件为.FBX格式，待Unity程序调用；

6）在Unity程序中对.FBX格式文件进行处理，输出作业工具或3D作业场景模型。

为了提升程序的执行效率，在Unity引擎把.FBX模型文件调入内存，生成网格结构，然后采用高清晰度纹理贴图覆在模型结构上，加上灯光、雾化，在贴纹理过程中采用了多级细化的纹理过滤技术和多纹理融合技术。多级细化纹理过滤技术的使用既模拟了纹理的透视效果，又减少了处理时的运算量；多纹理融合技术能够在一个通道内使用纹理、阴影、镜面光、漫射光和其他一些特殊效果，提高程序执行时的帧速度。

本实例中，所述图形工作站为PC工作站，与其他图形工作站相比，PC工作站发展速度快，成本相对更低，应用较普遍。

以上图1-3所示的一种海底电缆敷设仿真培训系统及其使用方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。