陳作棟 林建軍 陳群 王錦坤 郭清彬

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)行高壓電氣試驗(yàn)培訓(xùn)過(guò)程試驗(yàn)種類較少、安全風(fēng)險(xiǎn)大、教學(xué)效率低下的現(xiàn)狀，本文討論仿真在電力教學(xué)和培訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)和基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用三維建模創(chuàng)建合理真實(shí)的試驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境，利用多媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)完成教員管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)員管理、試驗(yàn)管理和考試管理等在線管理功能，研究仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)原則、技術(shù)應(yīng)用、功能特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高電壓試驗(yàn)? 三維建模? 多媒體技術(shù)? 教員管理平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0067-03

Research on Online Simulation Teaching System of High Voltage Electrical Test

CHEN Zuodong? ?LIN Jianjun? ?CHEN Qun? ?WANG Jinkun? GUO Qingbin

（Fujian Electric Power Technical College， Quanzhou， Fujian Province， 362000? China）

Abstract： In view of the current situation that there are few test types， high safety risks and low teaching efficiency in the current high-voltage electrical test and training process. This paper discusses the advantages of simulation in power teaching and training. Based on computer virtual reality technology， it uses three-dimensional modeling to create reasonable and real test equipment and environment， and uses multimedia technology to develop and complete the instructor management platform to realize student management online management functions such as test management and examination management， and study the design objectives， design principles， technical application and functional characteristics of the simulation teaching system.

Key Words： High-voltage test; 3D modeling; Multimedia technology; Instructor management platform

高壓電氣試驗(yàn)就是對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣預(yù)防性的試驗(yàn)，是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作，同時(shí)在電氣設(shè)備監(jiān)督工作中也占有非常重要的地位。電氣試驗(yàn)的工作就是考核電氣設(shè)備的絕緣情況及電氣的參數(shù)是否同負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)、是否能適應(yīng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)于電力系統(tǒng)的發(fā)展有著極其重要的推動(dòng)作用[1]。

如果受投入資金限制，那么勢(shì)必會(huì)造成可培訓(xùn)的試驗(yàn)種類內(nèi)容的不足，難以達(dá)到所期望的培訓(xùn)效果。另外，受制于培訓(xùn)場(chǎng)地條件，無(wú)法模擬設(shè)備所處的真實(shí)作業(yè)背景和設(shè)備的缺陷類型，這也會(huì)對(duì)培訓(xùn)教學(xué)或者技能考核結(jié)果造成偏差影響，從而無(wú)法做到“培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)就是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)”[2-3]。

1? 系統(tǒng)基本體系

該在線仿真教學(xué)系統(tǒng)包含兩大部分，分別是教學(xué)管理平臺(tái)和仿真模塊。教學(xué)管理平臺(tái)包含教員功能、在線考試考核、在線理論知識(shí)學(xué)習(xí)3個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)學(xué)員管理、課件資源管理和試驗(yàn)管理、考試管理等功能。仿真模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真試驗(yàn)的查詢、管理、收藏，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)內(nèi)容的選擇、練習(xí)、考核等。

將高壓電氣試驗(yàn)在線仿真教學(xué)系統(tǒng)部署在服務(wù)器端，搭建在局域網(wǎng)里，用戶通過(guò)客戶機(jī)訪問(wèn)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。當(dāng)用戶從客戶端登錄系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)先判斷用戶的角色，用戶角色如果是學(xué)員，系統(tǒng)將提供在線學(xué)習(xí)模塊、考試考核模塊和仿真模塊;用戶角色如果是教員，系統(tǒng)將提供在線學(xué)習(xí)模塊、考試考核模塊、仿真模塊和教員管理模塊[4]。

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的高壓電氣試驗(yàn)在線仿真教學(xué)系統(tǒng)旨在進(jìn)一步提升高壓電氣試驗(yàn)培訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量，借助三維建模軟件和交互軟件實(shí)現(xiàn)高壓電氣試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)背景的多樣性，降低高壓電氣試驗(yàn)培訓(xùn)教學(xué)的安全風(fēng)險(xiǎn)，借助多媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)教員管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多工位教學(xué)培訓(xùn)和考核考試功能，提升培訓(xùn)教學(xué)的靈活性，減輕教學(xué)培訓(xùn)人員的工作負(fù)擔(dān)，提升教學(xué)效率。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在遵循電氣試驗(yàn)培訓(xùn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的先進(jìn)性、兼容性、可擴(kuò)展性?？煽啃裕涸谲浖⒂布倪x擇方面，本系統(tǒng)應(yīng)采用相對(duì)穩(wěn)定、成熟的技術(shù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中或在規(guī)定的運(yùn)行工況下，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正確性，教學(xué)管理平臺(tái)和仿真模塊界面正常操作，穩(wěn)定地完成仿真試驗(yàn)全過(guò)程，不會(huì)錯(cuò)誤啟動(dòng)或自啟動(dòng)使用人員未觸發(fā)的無(wú)關(guān)內(nèi)容[5]。實(shí)用性：滿足電氣試驗(yàn)的作業(yè)規(guī)范，能較為逼真地再現(xiàn)電氣試驗(yàn)作業(yè)的全過(guò)程，使學(xué)員有身臨其境之感，操作靈活方便，教師能對(duì)培訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行必要的培訓(xùn)控制，不再需要對(duì)學(xué)員進(jìn)行安全監(jiān)護(hù)，提高教學(xué)效率。先進(jìn)性：在滿足可靠性和實(shí)用性的前提下，盡可能采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)技術(shù)，減少研制時(shí)間，提升研制效率。擴(kuò)展性：使用開(kāi)放的技術(shù)框架和設(shè)計(jì)思想，降低系統(tǒng)模塊之間的依賴和耦合，當(dāng)系統(tǒng)增加新功能或接入新軟件時(shí)，能良好響應(yīng)需求或良好接入，不需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或代碼進(jìn)行修改。兼容性：系統(tǒng)軟件與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)常用軟件運(yùn)行時(shí)，不會(huì)造成其他軟件運(yùn)行錯(cuò)誤或軟件本身無(wú)法正常運(yùn)行，降低系統(tǒng)與所處操作系統(tǒng)的相關(guān)性，使得該系統(tǒng)在移植至不同操作系統(tǒng)時(shí)不需要對(duì)軟件進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)或做較大改動(dòng)。

2? 系統(tǒng)采用的技術(shù)

2.1 三維建模技術(shù)

運(yùn)用基于點(diǎn)云掃描的3ds Max建模方法。3ds Max是由AutoDesk推出的專業(yè)建模軟件，擁有完善的交互式建模引擎，具備豐富的編輯工具，是目前使用最為廣泛的手動(dòng)建模工具。另外，3ds Max提供3ds Max SDK用于創(chuàng)建擴(kuò)展應(yīng)用的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以支持C++以及多種腳本語(yǔ)言可供插件開(kāi)發(fā)。通過(guò)3ds Max進(jìn)行點(diǎn)云建模，需要先用車載或機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)電氣設(shè)備掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確物體捕捉，能為精準(zhǔn)建模提供有力的保障。但由于三維建模軟件對(duì)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的承載能力有限，因此利用點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，減少點(diǎn)云的加載量。

之后用Autodesk Recap將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.rcs 或*.rcp格式，然后即可導(dǎo)入軟件中進(jìn)行使用，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)截取，開(kāi)啟捕捉功能，參照點(diǎn)云數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)逆向建模。導(dǎo)入軟件后，可進(jìn)行多種顯示模式設(shè)置，通過(guò)設(shè)定，能夠靈活地選擇更加適合人機(jī)交互的視圖效果，以便于建模人員進(jìn)行三維建模操作。調(diào)整好點(diǎn)云的顯示效果后，利用軟件的點(diǎn)云切片工具，對(duì)需要建模應(yīng)用部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，進(jìn)行所需角度的切片，得到自己想要使用的部分。利用角點(diǎn)提取和局部擬合面片，幫助建模人員精確拾取特征角點(diǎn)，并跟蹤用戶的特征線的繪制過(guò)程，自動(dòng)定位到精確的特征線，當(dāng)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)時(shí)，提取相應(yīng)特征點(diǎn)修正模型測(cè)點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)行測(cè)線，提取相應(yīng)特征線修正模型測(cè)線，以此完成電氣設(shè)備輪廓的繪制，并提升電氣設(shè)備模型建模的精細(xì)程度和效率[6-7]。

2.2 運(yùn)用B/S網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)教員管理平臺(tái)模塊

B/S架構(gòu)也稱之為瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，這種架構(gòu)將整個(gè)平臺(tái)分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層共3層，體現(xiàn)了“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)思想。在這種架構(gòu)下，用戶工作界面即可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)登錄，而系統(tǒng)的極少部分的事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中在服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用。

這種架構(gòu)在處理模式上大大簡(jiǎn)化了客戶端，用戶計(jì)算機(jī)上只需要安裝一個(gè)瀏覽器，大大減輕了用戶的計(jì)算機(jī)負(fù)荷，而將應(yīng)用邏輯集中在服務(wù)器和中間件上，可以提高數(shù)據(jù)的處理性能。在軟件的通用性上，B/S架構(gòu)具有更好的通用性，對(duì)應(yīng)用環(huán)境的依賴性較小，且用戶計(jì)算機(jī)基本只使用瀏覽器，在開(kāi)發(fā)維護(hù)上也更加方便，減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本。在進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)候，不需要對(duì)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的電腦進(jìn)行與本系統(tǒng)有關(guān)的維護(hù)，只需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行管理維護(hù)即可。增加分支機(jī)構(gòu)時(shí)也不會(huì)有跟該系統(tǒng)有關(guān)的維護(hù)升級(jí)的工作量，所有操作只需針對(duì)服務(wù)器。通過(guò)改變網(wǎng)頁(yè)，即可實(shí)現(xiàn)所有客戶端計(jì)算機(jī)的同步更新。功能擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便，可以通過(guò)增加網(wǎng)頁(yè)即可增加服務(wù)器功能，通過(guò)使用既定的模式和方法，根據(jù)培訓(xùn)教學(xué)需求增加網(wǎng)頁(yè)即可完善系統(tǒng)的功能模塊，提升學(xué)員的用戶體驗(yàn)，提升培訓(xùn)教學(xué)效率。

3? 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

用戶計(jì)算機(jī)的瀏覽器就是培訓(xùn)系統(tǒng)的入口，用戶通過(guò)登錄網(wǎng)頁(yè)進(jìn)入教員管理平臺(tái)模塊，登錄網(wǎng)頁(yè)可看到登錄頁(yè)面，教師和學(xué)員登錄進(jìn)去的界面內(nèi)容不同，學(xué)員界面有在線學(xué)習(xí)、仿真電氣試驗(yàn)、考試考核功能，教師除了以上三大功能外還有系統(tǒng)管理功能。

登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，可以在“個(gè)人中心”看到“個(gè)人信息、我的考試、收藏、學(xué)習(xí)記錄、仿真練習(xí)記錄、考試記錄”等功能;在“個(gè)人信息”里有姓名、班級(jí)、單位、崗位、角色等簡(jiǎn)要信息;在“我的考試”里可以看到相關(guān)考試信息;在“考試記錄”里有已通過(guò)考核和未通過(guò)考核的信息。

點(diǎn)擊在線學(xué)習(xí)進(jìn)入在線學(xué)習(xí)功能，學(xué)員可通過(guò)課件搜索或者課件分類進(jìn)入課件學(xué)習(xí)，課件學(xué)習(xí)內(nèi)包含視頻學(xué)習(xí)和文檔學(xué)習(xí)。該模塊下有各個(gè)電氣試驗(yàn)的理論知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程視頻課件，內(nèi)容主要包含理論知識(shí)、基本試驗(yàn)方法、測(cè)試儀器的基本原理、選擇和使用方法、試驗(yàn)接線、數(shù)據(jù)分析、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程等。

教師進(jìn)入系統(tǒng)管理功能可以對(duì)學(xué)員進(jìn)行考試項(xiàng)目維護(hù)、管理學(xué)員賬號(hào)、查看用戶使用情況等操作。在該模塊首頁(yè)面下，有人員信息管理、系統(tǒng)設(shè)置、用戶使用情況管理、課件管理、教師前端等子功能。人員信息管理內(nèi)可增加和刪減系統(tǒng)內(nèi)的學(xué)員用戶。在用戶使用情況管理子功能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)學(xué)員的課件學(xué)習(xí)情況和仿真記錄進(jìn)行監(jiān)視。在課件管理子功能下對(duì)電氣試驗(yàn)課件進(jìn)行刪減和修改。在教師前端子功能有試卷模板管理、題庫(kù)管理子功能。

考試考核功能分為學(xué)員端和教師端，學(xué)員端的考試考核功能下有模擬練習(xí)、在線考試、成績(jī)查詢等功能，而教師端的考試考核模塊下有考生分組、考試日期、考試時(shí)長(zhǎng)、考試管理、成績(jī)分析等功能。

點(diǎn)擊仿真電氣試驗(yàn)進(jìn)入仿真功能，在該功能下通過(guò)試驗(yàn)搜索和試驗(yàn)分類進(jìn)入所需要的仿真項(xiàng)目，仿真項(xiàng)目以設(shè)備為主，提供了試驗(yàn)選擇功能、工器具選擇功能、試驗(yàn)操作功能。同一個(gè)設(shè)備有不同的試驗(yàn)項(xiàng)目，比如斷路器，有交流耐壓試驗(yàn)、回路電阻測(cè)試、機(jī)械特性測(cè)試等試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇功能讓學(xué)員根據(jù)需要選擇相應(yīng)試驗(yàn)。對(duì)于不同設(shè)備試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的安全工器具選擇，促進(jìn)學(xué)員對(duì)于安全工器具的類型、檢驗(yàn)和使用方法等知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。通過(guò)試驗(yàn)操作功能進(jìn)入仿真模塊，在仿真模塊內(nèi)的仿真試驗(yàn)場(chǎng)景里可以看到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)電氣試驗(yàn)作業(yè)流程進(jìn)行電氣試驗(yàn)操作。

4? 結(jié)語(yǔ)

仿真模塊采用基于點(diǎn)云掃描的三維建模，利用激光掃描，精準(zhǔn)捕捉電氣設(shè)備，保障模型的精確度，提升了建模效率，豐富被試設(shè)備的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，確保試驗(yàn)項(xiàng)目的多樣性。采用B/S三層架構(gòu)對(duì)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便和客戶端只需通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)的模式，大大降低了系統(tǒng)硬件成本，并擺脫培訓(xùn)教學(xué)工位少的問(wèn)題，而可擴(kuò)展性能豐富教學(xué)管理平臺(tái)的功能，使電氣試驗(yàn)培訓(xùn)教學(xué)可靈活選擇時(shí)間、項(xiàng)目、種類和進(jìn)行考核，減少教輔人員的投入，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)教學(xué)過(guò)程可記錄，形成良好的培訓(xùn)教學(xué)過(guò)程管控。后續(xù)將對(duì)教員管理平臺(tái)功能的豐富性和仿真模塊試驗(yàn)操作過(guò)程中的接線等動(dòng)作、設(shè)備狀態(tài)、故障信號(hào)等內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)探索，讓高壓電氣試驗(yàn)培訓(xùn)教學(xué)與“培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)就是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)”的目標(biāo)越來(lái)越接近。

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