李亦凡，張衛(wèi)君，邱 洋，孫廷昌，孔吉宏，肖楚偉

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州510630）

0 引言

三維可視化技術作為一種高效的展示與交互技術，應用領域由原來的航天、軍事、國土地質(zhì)等行業(yè)，越來越多的應用到“智慧城市”、“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運維中[1]。據(jù)AutoDesk公司統(tǒng)計，三維可視化可提高企業(yè)競爭力66%，減少50%～70%的信息需求，縮短5%～10%的建設周期[2]。因此研究應用三維可視化技術手段，建立抽水蓄能運行維護培訓系統(tǒng)，將大大提升運維人員的技術水平及安全意識。

國內(nèi)常用的三維培訓平臺，多以固定動畫腳本寫成的三維動畫培訓課件為主，靈活性和擴展性不足，系統(tǒng)建設完成后很難補充或更新培訓內(nèi)容。中國水利水電科學研究院自動化所與中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻有限公司合作，將三維虛擬仿真技術與水電廠監(jiān)控技術結(jié)合，構(gòu)建出了一套基于一體化平臺的的抽水蓄能三維仿真培訓系統(tǒng)。本文將介紹該平臺的技術特點，并以南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司（以下簡稱南網(wǎng)雙調(diào)公司）三維仿真培訓系統(tǒng)項目為例，討論涉及到的設計思路以及實現(xiàn)方式。

1 抽水蓄能水電站運維仿真系統(tǒng)需求分析

隨著南網(wǎng)雙調(diào)公司自動化、智能化技術的應用和人員結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化調(diào)整，南網(wǎng)所屬蓄能電廠現(xiàn)場管理和運維隊伍均十分高效精簡。而抽水蓄能水電站工況和流程較常規(guī)水電站復雜，運維和檢修工作十分重要，這對人員培訓和崗評工作提出了更高的要求。仿真培訓系統(tǒng)要逐步替代傳統(tǒng)培訓考試模式，利用三維可視化技術直觀高效的特點，逐步實現(xiàn)運維和檢修協(xié)同的培訓考試平臺。

當前理論考試部分采用網(wǎng)上學習和上機考試的方式。而涉及操作處理的項目崗位考評仍以人工閱卷為主，人工閱卷易出錯，易受閱卷人的主觀因素影響，不同閱卷人的考評尺度不一，較難做到公平公正。傳統(tǒng)的培訓和考評模式很難分析培訓人員的答題情況，給出有針對性的具體的學習建議。有關操作的培訓和考評以老師講解和文字描述為主，培訓過程不直觀，受實訓場地限制，學員很難第一時間掌握電廠實際情況。

針對南網(wǎng)培訓中心對運維培訓和考評的要求與特點，我們建立的仿真系統(tǒng)應具備如下特點：

（1）仿真系統(tǒng)應在一體化平臺基礎上開發(fā)，實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合。

（2）仿真培訓系統(tǒng)應圍繞“教-學-練-考-評”這一完整的培訓考核評價體系。

（3）三維場景和動態(tài)應直觀生動的再現(xiàn)抽水蓄能電廠現(xiàn)場設備，為運維培訓提供操作場景和平臺。

（4）系統(tǒng)應明確對學員操作培訓和考評的評估標準，系統(tǒng)具備自動測評的能力。

（5）系統(tǒng)應具備記錄學員操作和成績并自動分析功能。

2 整體設計

抽水蓄能電站三維運維仿真培訓系統(tǒng)部署在南網(wǎng)雙調(diào)公司內(nèi)網(wǎng)上，采用C/S架構(gòu)設計以滿足安全性、響應速度、操作復雜程度的需求。圖1為該系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 功能設計

抽水蓄能電站三維運維仿真培訓系統(tǒng)按照崗位培訓不同階段的需求，分為培訓、考試、技能競賽3大功能，其中培訓和考試又分為理論考試和操作考試。理論培訓和考試方式與傳統(tǒng)方式基本一致，而操作培訓和考試則主要在三維可視化界面和仿真監(jiān)控界面進行，模擬中控室值班員操作步驟和現(xiàn)場運維人員操作步驟。

根據(jù)南網(wǎng)雙調(diào)公司培訓考試評價體系，整個系統(tǒng)總體分為培訓、考核、技能競賽等3大模塊。其中，按培訓和考試場景需求，仿真培訓系統(tǒng)的操作界面分為模擬監(jiān)控系統(tǒng)界面和三維虛擬電廠界面，覆蓋運維人員大部分工作內(nèi)容，涵蓋中控室值班，現(xiàn)地處理操作，日常巡檢等工作場景。按用戶角色需要，教學人員和培訓人員的管理功能和瀏覽內(nèi)容應予以區(qū)分。

其平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]，融合了H9000數(shù)據(jù)庫與基礎應用，是在一體化平臺的基礎上以設備仿真數(shù)學模型為驅(qū)動的三維虛擬仿真平臺。它以水電站監(jiān)控系統(tǒng)為前臺，仿真系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)相輔相成，并采用三維虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的Simu3D虛擬現(xiàn)實平臺構(gòu)建全三維虛擬現(xiàn)實水電站，增強了運行人員的臨場感，可很好地滿足各種水電用戶的培訓仿真需要。

圖2 平臺功能結(jié)構(gòu)

學員在模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面的操作指令下發(fā)至后臺的數(shù)學模型，數(shù)學模型實時演算，并通過驅(qū)動將后臺演算的設備運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋即時上傳至模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面。通過這種數(shù)據(jù)交互機制，可以更為準確靈活的描述抽水蓄能機電設備的運行過程及物理上的相互影響，較通過動畫腳本驅(qū)動的方式更加真實，易擴展。結(jié)合模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠場景，可以給培訓者更加直觀優(yōu)化的體驗，有助于提高培訓效果和效率。

圖3 模擬監(jiān)控界面

圖4 抽蓄虛擬電廠

其中培訓管理也是本系統(tǒng)的重點，培訓管理應分為兩部分，學員信息管理和培訓資料庫管理。學員信息包括學員姓名、學習記錄、崗位級別、成績記錄等。培訓資料庫則包括培訓案例庫、仿真系統(tǒng)工況庫、故障庫、在線操作庫等。仿真培訓案例庫包含正常操作案例、故障處理案例和設備巡檢案例等，是總結(jié)梳理運維人員常用的操作票、故障處理手冊、巡檢操作手冊的結(jié)果。

（1）培訓案例庫

培訓案例庫中保存正常操作案例和故障處理案例。案例中保存該案例的名稱，適用工況，案例類型，適用培訓學員等級，注意事項等基本信息，以及案例需執(zhí)行操作列表，包含每一步的操作描述，下令點名，下令類型，操作類型，與不同操作之間的邏輯關系等。教員可以在教員站對培訓案例庫進行增刪修改等操作。

（2）培訓工況庫

培訓工況庫中保存著不同工況條件下抽水蓄能電廠模型設備的狀態(tài)值及模擬量值，以滿足不同操作案例對初始工況的要求。除了系統(tǒng)交付時工況庫預留的基礎工況，教員也可以將操作平臺的當前工況保存，新增為工況庫中的新工況。

（3）培訓故障庫

培訓故障庫中保存著引發(fā)設備故障或事故的故障點及其故障狀態(tài)的狀態(tài)值。一個故障處理案例根據(jù)復雜程度可能由單一故障點或多個故障點構(gòu)成。在系統(tǒng)加載正常工況后，再從故障庫中調(diào)取故障點，將其值強置為故障狀態(tài)值，即可在模型中觸發(fā)故障流程，生成故障工況。

4 崗位定級應用

培訓人員的崗位定級是該仿真系統(tǒng)的重要應用之一。崗位定級的考評主要是測試培訓人員在現(xiàn)場實際處理問題的能力和水平。過去通常采用問答題的形式，由考官評判操作人員執(zhí)行的正確性和合理性，受人為因素影響較大，而且答題記錄也不便于后期分析整理[4]。

操作票考評功能。該應用主要考驗學員獨立寫票能力，可以在運行專業(yè)崗評實施過程中，對考生操作票試卷進行預判，輔助考評員進行打分。程序通過對比考生答案與標準答案，對考生答案的每一項操作步驟進行標記，作為考評員評分依據(jù)，以及考生要求查閱試卷的依據(jù)，這樣一方面可以提升評卷效率，另一方面可以提高客觀性。

案例操作考評功能。該應用主要考察學員具體執(zhí)行操作的能力，系統(tǒng)在學員完成案例的過程中，記錄學員的每一步操作，用自動評分功能對比培訓案例庫中保存的標準操作，對每一項操作進行標記，案例操作結(jié)束后，對學員整體操作進行自動評分，并給出缺失項目。教員可在系統(tǒng)自動評分的基礎上，調(diào)閱學員操作記錄，對系統(tǒng)評分進行更正。

通過上述考核工作，可以更加客觀、公平、準確的進行崗位定級工作，助力南網(wǎng)培訓中心建立更加成熟的培訓考評體制。

5 模型開發(fā)

抽水蓄能機組的數(shù)學模型、控制流程、運行工況較普通水電站機組更為復雜，模型需要考慮各種工況下的正常操作響應以及事故故障響應。水泵水輪機模型包含抽水工況和發(fā)電工況等，各工況的轉(zhuǎn)換及相關條件需要在建模過程中充分考慮。為此本項目開發(fā)了抽水蓄能水泵水輪機模型算法，搭建了SFC啟動和BTB啟動控制流程，結(jié)合一體化監(jiān)控平臺中的工況轉(zhuǎn)換閉鎖邏輯，精準地再現(xiàn)了抽水蓄能電廠的生產(chǎn)運行情況。

6 結(jié)語

本文以南方電網(wǎng)清遠蓄能電廠為仿真對象，展現(xiàn)了三維可視化與仿真技術在抽水蓄能電站管理與培訓業(yè)務領域的應用思路及使用效果。三維可視化技術可以直觀表達海量數(shù)據(jù)，實時動態(tài)模擬各種信息的融合和綜合展示，結(jié)合科學合理的案例庫和故障庫設置，可以靈活的設置修改培訓內(nèi)容。通過這套仿真培訓系統(tǒng)，技術人員可以迅速熟悉抽水蓄能電廠，更好的利用培訓教案資源，為用戶未來發(fā)展提供更好的人才保障。