基于增强现实的变电站仿真培训系统构建方法与流程

本发明涉及一种三维仿真培训系统，尤其是一种变电站仿真培训系统构建方法。

背景技术：

“大运行”和“大检修”体系的深入推进使得电力公司电网运行和检修管理模式发生深刻变化，对电网设备监控、运维人员的知识、技术和技能等方面提出了更高要求，给电网企业的生产运行管理和人才培养带来了巨大的挑战。

现有实训方式存在缺乏专业性指导和辅助信息支持的问题，培训效果不能满足实际需求。理论培训形式枯燥乏味、死记硬背、疏于演练、学与练脱节，培训效果不理想，师傅带徒弟式培训是在实际工作中由师傅根据规程和经验对徒弟进行技能传授，难以标准化，培训效果取决于师傅的能力和责任心，实际工作中存在设备异常和故障类型数量有限、培训周期长，无法支撑大量学员同时开展培训的问题；基于真实设备的实训方式存在占地面积大，投资费用高，有些设备难以或无法拆解，学员无法深入了解与学习内部构造和运行机理，很难叠加异常、故障的现象，设备容易损坏，无法同时支持大量学员同时开展实训，可扩展性低、费用高等问题。基于多媒体的培训方式具备培训内容标准化，重复利用性能高，并能支撑大量学员同时开展培训等特点，但在逼真度、真实感方面和物理设备仍存在一定的差距，用户通过鼠标和键盘操作繁琐，交互体验不佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于增强现实的变电站仿真培训系统构建方法，所构建的变电站仿真培训系统能够降低资源的耗费并显著的提高了工作效率，有助于我国变电站实训技术水平的提高。本发明采用的技术方案是：

一种基于增强现实的变电站仿真培训系统构建方法，包括：构建三维仿真模块、实现三维仿真系统；

构建三维仿真模块包括以下步骤：

步骤101，三维造型建模：对建筑结构、电气设备、辅机设备构建三维仿真模型，并将三维仿真模型设置于变电站的虚拟现实环境中；

步骤102，数据层建模：为变电站中设备的三维仿真模型设置地理位置、运行状态、设备编号信息，并将这些信息保存在数据库中；

步骤103，设定物理及电气行为：对各类三维仿真模型，以及在变电站的虚拟现实环境中进行物理行为以及电气行为的设定；

步骤104，模型封装：经过以上步骤得到基于三维造型、物理行为、电气行为、数据库四个层级的组态元件，对这些组态元件根据仿真要求进行组态封装，生成完整的虚拟变电站；

实现三维仿真系统包括以下步骤：

步骤201，构建组态功能模块，以提供专门的编辑模式来对变电站的场景和设备的三维仿真模型进行在线编辑，来模拟变电站的改造和扩建；

步骤202，构建漫游功能模块，以提供培训学员与虚拟变电站之间的交互；

步骤203，构建数据交互模型：将变电站仿真培训系统分为教员平台和学员培训平台；对两个平台设置不同的管理权限；在教员平台除了具备学员培训平台的基本功能外还能够进行电气设备的接入、退出、故障设置。

进一步地，步骤101中，对于电气设备和辅机设备的零件采用面片建模，对于建筑结构、电气设备和辅机设备的整体采用实体建模。

进一步地，步骤103中，物理行为包括虚拟现实环境中重力的设定、碰撞检测的设定，以及各类电气设备、辅机设备的物理动作或状态行为；

电气行为包括各类电气设备的电气状态量变化、异常或故障表现。

进一步地，步骤202中漫游功能模拟运行人员在巡视变电站过程中视角的变化，包括视角的前进、后退、向左平移、向右平移、左转、右转；视角的变化是通过培训学员对鼠标和键盘的控制来实现。

进一步地，步骤203中，教员平台和学员培训平台均分为二维仿真监控部分和三维仿真部分；

其中，二维仿真监控部分模拟变电站的后台监控系统，包括对虚拟变电站的遥测、遥信、遥调、遥控的四遥操作以及五防操作闭锁的学习；

三维仿真部分对变电站的电气设备、辅机设备和运行环境进行虚拟再现，供学员对虚拟的电气设备进行日常巡视、操作和故障处理。

进一步地，步骤203中，教员平台和学员培训平台之间通过数据库进行信息传递和数据交互，以实现培训项目的设置和培训结果的反馈。

本发明的优点在于：

1）对变电站的运行特点和培训需求进行分析，总结变电站结构、电气设备以及辅机设备的运行特点，提出针对变电站特点的巡视、操作和故障处理的培训项目、方案设计。

2）实现各层级组态功能，按三维造型、物理行为、电气行为、数据库四个层级的组合，对系统各层级的组件进行抽象和设计，满足各类变电站和电气设备的封装和建模。

3）针对仿真培训系统的可扩展性对系统的组态功能进行了开发，利用系统提供的组态功能就可以方便地实现变电站扩建或改建情况下的仿真培训需要。

4）解决了以往培训的一些不足，使用户在一种虚实融合、亦真亦幻的混合现实场景中，同时对虚拟对象和真实对象实现交互操作，极大地提高了用户对周围真实世界的直接感知能力和实时的交互体验。

附图说明

图1为本发明的构建方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的一种基于增强现实的变电站仿真培训系统构建方法，如图1所示，包括：构建三维仿真模块、实现三维仿真系统两大部分；本发明采用virtools（一种虚拟现实制作软件）来进行实现；

（一)构建三维仿真模块包括以下步骤：

步骤101，三维造型建模：增强现实技术以三维造型建模为基础，对建筑结构、电气设备、辅机设备构建三维仿真模型，并将三维仿真模型设置于变电站的虚拟现实环境中；

三维造型建模技术包括面片建模和实体建模两种；对于大多数应用来说，用户仅限于看到的层面，对于看得见的物体表面，是用户关注的，而对于看不见的物体内部，则是用户不关心的；因此，面片模型通过使用一些参数化的面片来逼近真实物体的表面，就可以很好地表现出物体的外观；而实体模型相对于面片模型来说，引入了“体”的概念，在构建了物体表面的同时，深入到物体内部，形成物体的“体模型”；

此步骤中，对于电气设备和辅机设备的零件采用面片建模，对于建筑结构、电气设备和辅机设备的整体采用实体建模；

步骤102，数据层建模：为变电站中的设备（包括电气设备、辅机设备）的三维仿真模型设置地理位置、运行状态、设备编号信息，并将这些信息保存在数据库中；

在实际的变电站中每个设备还都包含着大量其他信息，包括地理位置、运行状态、设备编号等，因此一个完整的虚拟设备必须也包含这些信息；在virtools中提供了array的数据形式来对这些信息进行存储；

步骤103，设定物理及电气行为：对各类三维仿真模型，以及在变电站的虚拟现实环境中进行物理行为以及电气行为的设定；

静态的三维仿真模型只是变电站仿真培训系统的基础，要真实模拟日常运行特点及各类异常、故障特性，更加真实地模拟再现运行人员巡视、操作和故障处理的特点，让培训学员有身临其境的感觉，必须进行物理及电气行为的设定；

对各类物理及电气行为的设定可以在virtools下通过脚本程序来实现，每段脚本程序可作为独立的对象以*.nmo格式的文件保存为行为库，方便对虚拟对象进行封装时进行调用；

其中，物理行为包括虚拟现实环境中重力的设定、碰撞检测的设定，以及各类电气设备、辅机设备的物理动作或状态行为（例如刀闸的开合动作）；

电气行为主要包括各类电气设备的电气状态量变化（例如各种表计读数的变化）、异常或故障表现等；

步骤104，模型封装：经过以上步骤得到基于三维造型、物理行为、电气行为、数据库四个层级的组态元件，对这些组态元件根据仿真要求进行组态封装，生成完整的虚拟变电站；

（二）实现三维仿真系统包括以下步骤：

步骤201，构建组态功能模块，以提供专门的编辑模式来对变电站的场景和设备的三维仿真模型进行在线编辑，来模拟变电站的改造和扩建；

传统的三维虚拟变电站仿真系统一般只由驱动程序来组成，主要包括场景显示、场景漫游和设备状态变化的功能。然而，当变电站进行设备更换或者扩建时，相应电气设备类型和布置方式都会有所变化，静态的变电站仿真系统的开发模式不能满足这些需要，只能采取重新开发的方法来对新的变电站场景和电气设备进行同步仿真。如果需要对虚拟变电站的场景或者设备进行修改或者增删的时候，就必须对整个驱动程序进行修改，维护非常不便。

因而，此步骤中，增加了组态功能模块，提供专门的编辑模式来对变电站的场景和设备的三维仿真模型进行在线编辑，来模拟变电站的改造和扩建，给系统提供了良好的扩展性，对变电站仿真的同步模拟也提高了仿真的真实感，可以满足长期规划下变电站仿真培训的需要；

步骤202，构建漫游功能模块，以提供培训学员与虚拟变电站之间的交互；

步骤202中漫游功能完全模拟运行人员在巡视变电站过程中视角的变化，包括视角的前进、后退、向左平移、向右平移、左转、右转；视角的变化是通过培训学员对鼠标和键盘的控制来实现的，在漫游巡视模式下，键盘上面的“w”、“s”、“a”、“d”四个按键分别对应于巡视人员视角的“前进”、“后退”、“向左平移”、“向右平移”；按下鼠标的右键后，可以控制鼠标的滑动对漫游视角进行旋转。

步骤203，构建数据交互模型：将变电站仿真培训系统分为教员平台和学员培训平台；对两个平台设置不同的管理权限；在教员平台除了具备学员培训平台的基本功能外还能够进行电气设备的接入、退出、故障设置。

步骤203中教员平台和学员培训平台之间通过数据库进行信息传递和数据交互，以实现培训项目的设置和培训结果的反馈；在具体的硬件实现中，采用教员机和学员机的配置，之间通过以太网来实现数据共享和交互。

每个平台又分为二维仿真监控部分和三维仿真部分；

其中，二维仿真监控部分模拟变电站的后台监控系统，包括对虚拟变电站的遥测、遥信、遥调、遥控的四遥操作以及五防操作闭锁的学习；五防是指为确保人身安全，对高压电气设备应具备五种防误功能的简称，是电力安全的重要措施之一；五防即为防止误分、合断路器；防止带负荷分、合隔离开关；防止带电挂（合）接地线（接地开关）；防止带地线送电；防止误入带电间隔。

三维仿真部分对变电站的电气设备、辅机设备和运行环境进行虚拟再现，供学员对虚拟的电气设备进行日常巡视、操作和故障处理。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。