吳偉麗

【摘 要】 隨著多媒體教學(xué)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的普及，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)研究中也得到了逐步地推廣和應(yīng)用：在概念抽象且難以理解的工科課程中，利用虛擬多媒體技術(shù)能夠模擬、仿真復(fù)雜的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，便于學(xué)生理解概念和原理。論文首先綜述了對(duì)比了虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)與適用性，對(duì)虛擬仿真軟件加以分類與綜合；接著將虛擬仿真技術(shù)與知識(shí)情景理論相結(jié)合，研究了利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)單元情景化的模式；最后以《電力系統(tǒng)分析》課程為例，構(gòu)建了電力系統(tǒng)知識(shí)情景化學(xué)習(xí)模型。實(shí)踐研究證明：在課堂上應(yīng)用虛擬仿真構(gòu)建知識(shí)情景，不但能夠使學(xué)生較快地獲得基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且工程實(shí)踐能力顯著增強(qiáng)，取得了良好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】 虛擬仿真技術(shù)；知識(shí)單元；情景化模型

Research on the teaching mode of power system analysis based on VR technology and knowledge scene model

Wu Weili

（YiLi Normal University， Xinjiang， Yining， 835000）

【Abstract】With the popularization of multimedia teaching equipment and network teaching， virtual reality simulation technology has been gradually generalized and applied in the teaching of engineering courses， which can be used to imitate and simulate the complex system. Firstly， this paper summarized the characteristics and applicability of the virtual reality simulation technology， and then the virtual simulation software were classified. Secondly， the virtual reality simulation technology and the knowledge scene theory were combined to study the mode of realizing knowledge scent units. Lastly， the practical research has proved that the application of virtual reality simulation in the classroom can not only make the students obtain the basic theory knowledge quickly， but also enhance their engineering practice ability.

【Key Words】Virtual Reality simulation technology； Knowledge unit； Scene model

【中圖分類號(hào)】G64.20 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）13-00-04

引言：

虛擬仿真（Virtual Reality，VR）又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，即用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)逐步自成體系，成為繼數(shù)學(xué)推理、實(shí)際驗(yàn)證之后的重要科學(xué)研究手段。

VR的基本思想是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界或系統(tǒng)，使人產(chǎn)生親臨其境的感覺，并可實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。VR技術(shù)主要有三方面的含義：第一，是借助于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境是虛幻的；第二，人對(duì)這種環(huán)境的感覺（視、聽、觸、嗅等）是逼真的；第三，人可以通過自然的方法（手動(dòng)、眼動(dòng)、口說、其他肢體動(dòng)作等）與這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互，虛擬環(huán)境還能夠?qū)崟r(shí)地作出相應(yīng)的反應(yīng)?？梢?，VR技術(shù)具有沉浸性、虛幻性、交互性和逼真性等特性，這些特性使VR為教學(xué)研究提供工具和講解手段成為可能，也為構(gòu)建知識(shí)情景化模型提供基礎(chǔ)。

情景認(rèn)知與學(xué)習(xí)（Situated cognition and learning，SCL）理論是不同于信息加工理論的另一種學(xué)習(xí)理論[1-2]，與人工智能、神經(jīng)科學(xué)、語言學(xué)和心理學(xué)等所有與個(gè)體心理直接有關(guān)的領(lǐng)域緊密結(jié)合，成為認(rèn)知科學(xué)的一個(gè)重要分支，也是當(dāng)代西方學(xué)習(xí)理論領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[3-4]，可以說，情境是一切認(rèn)知活動(dòng)的基礎(chǔ)，而實(shí)現(xiàn)這一理論的基礎(chǔ)是知識(shí)情景的構(gòu)造[5-7]。

目前已經(jīng)有學(xué)者對(duì)虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)情景認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論的研究也逐漸開展，但將二者結(jié)合起來利用VR技術(shù)構(gòu)建知識(shí)單元的情景[8-10]、從而構(gòu)建情景認(rèn)知與學(xué)習(xí)模式的研究就鮮見報(bào)道，鑒于二者結(jié)合可以提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效率，論文研究了基于VR的知識(shí)單元情景化學(xué)習(xí)模式，并以《電力系統(tǒng)分析》課程為例，構(gòu)建了電力系統(tǒng)知識(shí)情景化學(xué)習(xí)模型。實(shí)踐研究證明：在課堂上應(yīng)用虛擬仿真構(gòu)建知識(shí)情景，不但能夠使學(xué)生較快地獲得電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且工程實(shí)踐能力顯著增強(qiáng)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

利用虛擬仿真平臺(tái)可以很好地豐富教學(xué)手段：如在虛擬仿真環(huán)境中，學(xué)生可以直觀理解系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行原理及特性，再如，允許學(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互，便于學(xué)生的實(shí)際操作能力的鍛煉；又如，學(xué)生可以創(chuàng)新設(shè)計(jì)并實(shí)踐探索，而不會(huì)損壞設(shè)備，等。

1.1 VR技術(shù)

VR構(gòu)造的“虛擬環(huán)境”，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、建筑設(shè)計(jì)與施工、軍事訓(xùn)練、水利電力和汽車仿真等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。如：利用報(bào)警管理系統(tǒng)、操作管理系統(tǒng)和OTS仿真系統(tǒng)，能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)而有效規(guī)避和減少企業(yè)安全問題；又如，使用VR技術(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，可令施工人員提前了解各種構(gòu)件在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的相對(duì)位置及相互關(guān)系，實(shí)驗(yàn)多種施工方法，并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。再如，能夠利用聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（Joint Warfare Simulation，JwSim），可支持兵力評(píng)估、戰(zhàn)役評(píng)估、裝備效能評(píng)估、作戰(zhàn)概念與條令的開發(fā)與評(píng)估，也可以支撐指揮參謀人員教學(xué)及推演分析，等。

1.2 VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著多媒體教學(xué)的普及，VR在教學(xué)中的到廣泛的應(yīng)用：如，醫(yī)療設(shè)施屬于世界上最復(fù)雜的模擬對(duì)象之一。影響其整體效率和工作流程的因素有很多，包括：看病流程、人員利用率、資源管理。Flexsim HC 醫(yī)療仿真軟件可以使學(xué)生在3D環(huán)境中創(chuàng)建仿真并且與之進(jìn)行交互。在三維環(huán)境中查看仿真可以讓用戶真實(shí)理解系統(tǒng)、其系統(tǒng)因素間的相互以及得出優(yōu)化結(jié)論，學(xué)生可以在設(shè)備模型中測(cè)試新的“假設(shè)”方案，即在不承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，找到問題的答案——而不需要對(duì)現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)以免造成的損壞，利用仿真找到最合適的解決方案，還可以提前確保方案的實(shí)施結(jié)果。

又如，F(xiàn)lo-2D為二維洪水與土石流數(shù)值模擬套裝軟件，可用來模擬洪水災(zāi)害，適用于都市淹水、洪水平原管理、工程風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)、不規(guī)則形狀河道水理演算、橋梁涵洞水利演算，可以處理都市水文，泥石流。學(xué)生利用Flo-2D可以驗(yàn)證計(jì)算正確性，也可以模擬河流、沖積扇、城市和海岸洪水演進(jìn)等情況，還可以模擬處理等河流漫灘洪水、都市淹水，水流堵塞和存儲(chǔ)損失、泥石流和土石流等洪災(zāi)問題，進(jìn)而進(jìn)行防洪減災(zāi)設(shè)計(jì)。

再如，PROTEL是電子信息專業(yè)的首選軟件，包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印制電路板設(shè)計(jì)（包含印制電路板自動(dòng)布線）、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)為學(xué)生提供良好的交互式學(xué)習(xí)界面，等。

1.3電力系統(tǒng)VR技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)仿真軟件在電力規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行方面，為保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行方面提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，目前國(guó)內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用的電力仿真軟件有一下幾大類：

1、機(jī)電暫態(tài)仿真，如中國(guó)電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的PSASP、BPA和PSS/A等；

2、電磁暫態(tài)仿真，如EMTP、ATP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等；

3、數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真，如RTDS、ARENE和Matlab等；

4、可視化仿真，如Power World Simulator（PWS）等；

電力系統(tǒng)VR軟件可為電力部門調(diào)度或試驗(yàn)中心進(jìn)行事故編輯、反演提供演練平臺(tái)，還可以為科學(xué)研究人員為研發(fā)新裝置、開發(fā)新技術(shù)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)提供模擬。

電力系統(tǒng)分析作為與電力工業(yè)緊密聯(lián)系的課程，具有概念、計(jì)算和公式繁多且復(fù)雜的特點(diǎn)，學(xué)生往往不容易理解其中抽象概念，也難以想象電網(wǎng)的運(yùn)行過程和故障情況，而虛擬仿真技術(shù)針對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、運(yùn)行與控制方法與原理的學(xué)習(xí)研究，提供相關(guān)計(jì)算軟件平臺(tái)，幫助學(xué)生理解和研究電力傳輸系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)功能，綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)處理潮流計(jì)算、故障分析、網(wǎng)絡(luò)等值、動(dòng)態(tài)仿真和安全運(yùn)行優(yōu)化等問題，進(jìn)而提高對(duì)發(fā)電廠、變電站以及電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、分析計(jì)算以及運(yùn)行與控制的能力。

2 基于VR技術(shù)的知識(shí)情景化模型構(gòu)造

2.1虛擬仿真技術(shù)構(gòu)造知識(shí)情景化模型原則

利用VR技術(shù)與軟件知識(shí)情景化模型，要與不同的研究和學(xué)習(xí)實(shí)際需求相適應(yīng)?？傮w來說，建立情景化模型可通過以下環(huán)節(jié)：

1、明確模擬對(duì)象

確定模擬對(duì)象也是知識(shí)問題化的過程：首先劃定知識(shí)單元的概念框架，接著在概念框架中確立知識(shí)支點(diǎn)。知識(shí)支點(diǎn)以問題的形式出現(xiàn)，概念框架圍繞它進(jìn)行解釋和化疑，二者合起來構(gòu)成模擬對(duì)象，便于學(xué)生在概念框架中逐步構(gòu)建對(duì)知識(shí)理解與認(rèn)知。

2、選擇虛擬仿真平臺(tái)

根據(jù)知識(shí)單元所在的專業(yè)領(lǐng)域，選擇虛擬仿真平臺(tái)需要堅(jiān)持以下原則：

1、真實(shí)性原則

按照專業(yè)需求，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)知識(shí)單元的的逼真情境，情景必須如實(shí)反映知識(shí)支點(diǎn)。

2、適應(yīng)性原則

根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，虛擬仿真平臺(tái)不僅幫助學(xué)生熟悉和了解與專業(yè)相關(guān)的技術(shù)和技能，也能使學(xué)生獲得綜合技能和能力、職業(yè)綜合素質(zhì)。

3、先進(jìn)性原則

虛擬仿真軟件需與時(shí)俱進(jìn)，把握技術(shù)發(fā)展前沿，運(yùn)用現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成先進(jìn)技術(shù)手段，在建設(shè)上做到適當(dāng)超前并留有可發(fā)展空間。

4、開放性原則

開放性的概念可以從兩個(gè)方面進(jìn)行理解：一是時(shí)間的開放性，二是空間的開放性。時(shí)間的開放性是針對(duì)軟件平臺(tái)及其規(guī)范化而言，以保證平臺(tái)具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展和升級(jí)的能力，包括可擴(kuò)展性和可移植性兩方面。空間的開放性是針對(duì)系統(tǒng)接口及其規(guī)范化而言的，能夠與其他類的仿真軟件相兼容，并保留數(shù)據(jù)通訊接口。

2.2虛擬仿真技術(shù)構(gòu)造知識(shí)情景化模型方法和流程

利用虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建情景化模型，首選仿真軟件中自帶的元器件資源庫或模塊，有時(shí)還需要用戶自己編程實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建模型。結(jié)合情景認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論，通過元件庫資源建設(shè)和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源整合，將知識(shí)情景化模型形成系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)體系，使虛擬仿真技術(shù)既可演示復(fù)雜系統(tǒng)的未知運(yùn)行結(jié)果，又可改變系統(tǒng)參數(shù)，演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的變化結(jié)果或變化趨勢(shì)，幫助學(xué)生對(duì)抽象理論的理解，提高教學(xué)效果，進(jìn)而彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的不足，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及提高。構(gòu)造模型的流程如下：

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的知識(shí)情景化構(gòu)造流程

3 實(shí)例研究

論文以電力系統(tǒng)分析課程為例，說明建立模型的方法。

電力系統(tǒng)分析是一門綜合了電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、電力系統(tǒng)暫態(tài)（包括電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)）、電力系統(tǒng)故障（包括對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障）和電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制等方面，從知識(shí)內(nèi)容上看，所包含的知識(shí)單元較多，近選用單一的虛擬仿真軟件不足以充分展示所有單元的特性和本質(zhì)，因此需要選擇多種軟件平臺(tái)構(gòu)造知識(shí)單元情景化模型。

1、電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)單元

此部分內(nèi)容需要向?qū)W生展示實(shí)際的電力系統(tǒng)基本器件構(gòu)造、原理和參數(shù)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)元件的認(rèn)識(shí)，還需要從系統(tǒng)上展示電力工業(yè)的輸配電分布、結(jié)構(gòu)等情況，因而可采用可視化軟件，如PowerWorld Simulator和PSASP等。以發(fā)電機(jī)為例，利用PSASP展示參數(shù)設(shè)置：

圖2 PSASP軟件圖形方式下的發(fā)電機(jī)參數(shù)展示

2、電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)

此部分內(nèi)容需要展示電力系統(tǒng)故障瞬時(shí)發(fā)電機(jī)、變壓器兩端和輸電線路中的參數(shù)，如有功功率、無功功率和電壓變化的情況，是電力系統(tǒng)分析課程的難點(diǎn)與重點(diǎn)內(nèi)容，可利用ATP/EMTP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等軟件實(shí)現(xiàn)。利用ATP/EMTP模擬電力系統(tǒng)三相故障的電磁暫態(tài)過程見圖3：

圖3a 單相（A相）接地故障模擬仿真電路

圖3b A相電壓波形

圖3c B、C相電壓波形

圖3d 中性點(diǎn)O電壓波形

圖3 ATP/EMTP模擬電力系統(tǒng)暫態(tài)

圖3可見，ATP/EMTP能夠展示故障后瞬時(shí)電力系統(tǒng)的各種參數(shù)的狀態(tài)。

3、機(jī)電暫態(tài)仿真

電力系統(tǒng)故障瞬時(shí)后到電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)之間的情況稱為機(jī)電暫態(tài)，需要提取故障斷面和故障錄波，也是電力系統(tǒng)分析課程的難點(diǎn)與重點(diǎn)內(nèi)容，需要向?qū)W生仿真故障后發(fā)電機(jī)的出力變化、機(jī)械性能以及系統(tǒng)的參數(shù)變化過程，可利用PSASP、Matlab、BPA和PSS/A等軟件實(shí)現(xiàn)。

以IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)模型為例，對(duì)其在pt時(shí)刻7號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，并在ct時(shí)刻將故障切除（斷開5號(hào)節(jié)點(diǎn)和7號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的線路）進(jìn)行仿真，最后利用Matlab模擬，繪出2號(hào)和1號(hào)發(fā)電機(jī)的功角差（δ21）與時(shí)間的關(guān)系曲線。系統(tǒng)故障在t=pt時(shí)刻加入，故障是7號(hào)節(jié)點(diǎn)三相短路，在ct時(shí)刻將故障切除，斷開5號(hào)和7號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的支路。Matlab仿真結(jié)果如下：

圖4 當(dāng)pt=0.05s，ct=0.167s時(shí)2號(hào)和3號(hào)發(fā)電機(jī)分別

與1號(hào)發(fā)電機(jī)之間的功角差曲線

由圖可知，在0～2.4s的時(shí)間內(nèi)，任何一個(gè)功角差均沒有超過180，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的；但2.4s以后就失去穩(wěn)定了。

圖5 pt=0.05s，ct=0.168s時(shí)2號(hào)和3號(hào)發(fā)電機(jī)分別

與1號(hào)發(fā)電機(jī)之間的功角差曲線

圖5可見，系統(tǒng)在2s內(nèi)就失去了穩(wěn)定。

圖4、5可見，通過軟件仿真，可以清晰地展示電力系統(tǒng)故障后一段時(shí)間內(nèi)各種參數(shù)的狀態(tài)變化過程。

4 數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真

這部分內(nèi)容需要模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制和參數(shù)變化后系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度等情況，需要提取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包括修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，這部分知識(shí)單元既包括元器件的模擬，也包括電網(wǎng)層面的仿真，對(duì)虛擬仿真軟件的要求較高，可采用PSASP、RTDS、ARENE、Matlab和Powerworld Simulator等實(shí)現(xiàn)。圖6為基于PowerWorld Simulator的多電壓等級(jí)的電網(wǎng)運(yùn)行模擬仿真圖，圖7為利用PSASP軟件模擬電力系統(tǒng)潮流分布情況。

圖6 基于PowerWorld Simulator的多電壓等級(jí)的電網(wǎng)運(yùn)行情景化模型

圖7 基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流分布情景化模型

5 故障層面模擬

電力系統(tǒng)發(fā)生故障是一個(gè)多層次的問題，既包括電力設(shè)備的故障特征，也包括系統(tǒng)層面多元件的故障參數(shù)，對(duì)不同對(duì)象的模擬，需要結(jié)合對(duì)象的本質(zhì)特征和性能選定仿真軟件，如變壓器故障可選擇PSCAD軟件模擬其運(yùn)行狀況和出口參數(shù)，系統(tǒng)層面的故障可選擇PowerWorld Simulator軟件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓的分布和線路過載的情況，也可以選擇PSASP軟件模擬系統(tǒng)故障斷面，提取故障后系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)。

以多電壓等級(jí)的GIC Benchmark模型為例，利用PowerWorld Simulator軟件進(jìn)行擾動(dòng)故障仿真（圖8）及其故障斷面信息展示結(jié)果見圖9、圖10.

圖8 基于PowerWorld Simulator的GIC Benchmark系統(tǒng)單相接線圖

圖9 發(fā)電機(jī)無功出力變化曲線，

不同顏色的曲線代表不同發(fā)電機(jī)的無功出力

圖10 部分節(jié)點(diǎn)電壓曲線，不同顏色曲線代表不同節(jié)點(diǎn)電壓

針對(duì)上述知識(shí)單元構(gòu)造情景化模型后，還需要形成知識(shí)情景化模型體系：即將建立好的電力系統(tǒng)情景化模型集合有機(jī)整合，先按照課程講授的順序體系構(gòu)成電力系統(tǒng)分析情景化教學(xué)的模式，再按照知識(shí)支點(diǎn)的先后順序組合為一個(gè)電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)體系，并最終其實(shí)施到課程教學(xué)中，以學(xué)生課堂反映、期末成績(jī)和實(shí)踐動(dòng)手能力為考核標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。在新疆某高校中?shí)施近3年，收到了良好的教學(xué)效果。

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