許傲然 冷雪敏 谷彩連

（沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院 遼寧沈陽 110136）

引言

虛擬實驗室是通過虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等信息技術(shù)體現(xiàn)出來。它利用計算機軟件等有關(guān)設(shè)置程序，從中獲取大量數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，構(gòu)建可視化的完整實驗，實現(xiàn)了虛擬實驗、在線實驗、遠程實驗等功能。這對促進高校教學(xué)改革發(fā)展，提高學(xué)生教學(xué)質(zhì)量，完善教學(xué)資源共享等起到重要作用。虛擬仿真實驗室在高校教學(xué)實驗中，不僅提高了實驗效果，做到精準(zhǔn)實驗，而且還支持人人互動和人機交互等效果。學(xué)生在實驗中通過設(shè)計或程序運算，得到相應(yīng)的實驗結(jié)果，同時，通過在線交流，協(xié)同實驗，提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量和趣味性。另外，對一些危險的實驗，也可通過計算機模擬技術(shù)等得以實現(xiàn)。由于虛擬實驗儀器設(shè)備，耗材能夠重復(fù)使用，使實驗節(jié)省了時間，降低了成本，提高了效率。

當(dāng)前，隨著社會對人才越來越高標(biāo)準(zhǔn)的需求，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)體系也越來越暴 露了其無法滿足人才培養(yǎng)的實際缺陷。

1.理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)，在實際教學(xué)中老師是根據(jù)教材確定題目，具有很大 的局限性且脫離真實環(huán)境；

2.教師在教學(xué)過程中也只限于逐點傳授，無法體現(xiàn)出教學(xué)的系統(tǒng)性和連貫 性；

3.學(xué)生參與度不高，無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識；

4.由于設(shè)備師資等的限制，和電力系統(tǒng)相關(guān)的大部分實際操作不能現(xiàn)場演 示，只能演示，效果不佳；

5.傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)的真實實踐環(huán)境難以打造，設(shè)備投資昂貴，危險性高；

6.由于電力系統(tǒng)高電壓、大電流的專業(yè)特點，學(xué)生很難有機會接觸和了解真實電網(wǎng)安全運行防護控制；

7.電力系統(tǒng)的運行是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，模擬電力系統(tǒng)短路等故障、發(fā)電 機功率極限等實驗時會造成的設(shè)備損壞等。同時，學(xué)生在強電環(huán)境下完成實驗過程，對學(xué)生的人身安全也存在潛在危險。

電氣工程及能源專業(yè)實踐環(huán)境面臨設(shè)備昂貴，高電壓，大電流，高危險，無法進行重復(fù)性破壞實驗等問題，同時，3D平面仿真系統(tǒng)操作性差，學(xué)生只能依靠鍵盤鼠標(biāo)進行操作，高校很難建立同企業(yè)現(xiàn)場一致的實踐操作條件，因此，結(jié)合VR虛擬仿真技術(shù)可以應(yīng)對以上問題，為學(xué)生提供安全沉浸式的操作環(huán)境。學(xué)生可以利用VR頭盔和操作手套在虛擬空間與現(xiàn)場一致感官的操作環(huán)境和設(shè)備，對標(biāo)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程進行實踐操作學(xué)習(xí)提升實踐能力，同時，在虛擬環(huán)境可以進行相關(guān)大電流觀摩實驗和相關(guān)破壞性實驗，無須考慮安全和造價問題。

基于全景智能變電站的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)采用虛實結(jié)合、理論結(jié)合實踐的教學(xué)方法。根據(jù)虛擬仿真教學(xué)虛實結(jié)合的教學(xué)原則，學(xué)生可以使用校內(nèi)220kV實際變電站一次設(shè)備基地進行實物觀摩，然后進入實驗室在虛擬仿真實驗環(huán)境動手操作。同時，針對相關(guān)操作實驗，本系統(tǒng)設(shè)置“練習(xí)”和“考核”兩種模式，系統(tǒng)設(shè)定了每一步實驗操作的基本原理和操作規(guī)范，詳細地介紹了每種設(shè)備的使用方法。學(xué)生可以完全自主學(xué)習(xí)，之后在考核模式中根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范來檢驗自己的學(xué)習(xí)的成果。

一、虛擬實踐課程實施方案

對220kV變電站運行環(huán)境和所有電力設(shè)備進行VR虛擬仿真建模及虛擬實驗操作，構(gòu)建虛擬模型主要包括變壓器的外形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部構(gòu)造以及各零部件、組件等。針對電力現(xiàn)場檢修常用實驗操作仿真包括了高壓側(cè)直流電阻超標(biāo)檢測、高壓側(cè)相塔接面發(fā)熱故障檢修等實驗項目，參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)范設(shè)定虛擬環(huán)境各項操作，完全真實還原現(xiàn)場環(huán)境和操作過程，有效地提升虛擬培訓(xùn)效果和學(xué)生實踐能力。虛擬實驗操作為系統(tǒng)設(shè)置“練習(xí)”和“考核”兩種模式，使學(xué)員可以在虛擬環(huán)境中，自主選擇練習(xí)模式進行學(xué)習(xí)和練習(xí)，在考核模式中來檢驗自己的學(xué)習(xí)的成果。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)通過先進穩(wěn)定的3d Max進行三維建模，依據(jù)真實220kV智能變電站制作特高清實景系統(tǒng)，高度、無損還原變電站及周邊3公里范圍內(nèi)真實環(huán)境，在100m的高空可看見場景全景，推進至1m的近端可觀看設(shè)備的精確外觀以及結(jié)構(gòu)。針對變電站主設(shè)備變壓器，學(xué)生可以根據(jù)鼠標(biāo)鍵盤或者VR虛擬操作設(shè)備進行手動拆解，設(shè)備可根據(jù)基本組成拆解組裝，單體部件可以放大旋轉(zhuǎn)，完全還原變壓器的所有基本組成原件。同時，針對變電站主要設(shè)備分別建模，可以在虛擬環(huán)境真實還原斷路器，隔離開關(guān)，GIS，互感器等大型電力設(shè)備。在虛擬實驗操作方面，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)范設(shè)定了相應(yīng)的操作程序，建立變壓器檢修檢測常用的各種表計模型及相關(guān)接線工具，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中根據(jù)與現(xiàn)場同樣的技術(shù)裝備和操作規(guī)范進行電力設(shè)備檢測的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，完全還原電力企業(yè)現(xiàn)場檢修工作內(nèi)容。同時，根據(jù)操作規(guī)范自動設(shè)定考核程序，學(xué)生可以選擇考核模式，在規(guī)定時間完成操作，根據(jù)相關(guān)評分標(biāo)準(zhǔn)評估實踐成績。基于全景智能變電站的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)采用虛實結(jié)合、理論結(jié)合實踐的教學(xué)方法，根據(jù)虛擬仿真教學(xué)虛實結(jié)合的教學(xué)原則，學(xué)生可以使用校內(nèi)220kV實際變電站一次設(shè)備基地進行實物觀摩，根絕電力系統(tǒng)設(shè)備課程學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)備的基本原理和組成結(jié)構(gòu)，然后進入實驗室在虛擬仿真實驗環(huán)境動手操作。同時，針對相關(guān)操作實驗，本系統(tǒng)設(shè)置“練習(xí)”和“考核”兩種模式，學(xué)生可以自主在練習(xí)模式進行學(xué)習(xí)和練習(xí)，系統(tǒng)設(shè)定了每一步實驗操作的基本原理和操作規(guī)范，詳細介紹了每種設(shè)備的使用方法，學(xué)生可以完全自主學(xué)習(xí)，之后在考核模式中根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范來檢驗自己的學(xué)習(xí)的成果。

在電力設(shè)備變壓器常規(guī)運行檢修與維護虛擬實驗中，學(xué)生可以在系統(tǒng)中選取與實際實驗中完全一致的操作工具和相關(guān)測量表計。學(xué)生在虛擬環(huán)境中利用工具進行接線操作，測量相關(guān)參數(shù)，判斷電力設(shè)備運行狀態(tài)，同時系統(tǒng)配合相關(guān)講解，虛擬操作可以反復(fù)操作并根絕相關(guān)規(guī)范進行考核，利用虛擬環(huán)境規(guī)避了現(xiàn)實操作的成本消耗和安全風(fēng)險，提升了學(xué)生的實踐能力。

通過虛擬漫游參觀，電力設(shè)備拆裝分解學(xué)習(xí)，電力設(shè)備檢修運行實踐，學(xué)生將理論知識充分運用到實踐操作之中，充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗帶來的便利，規(guī)避了電力高電壓、大電流、高損耗、高風(fēng)險等因素，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成了與現(xiàn)場一致的實驗操作，提升了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實踐能力。平臺采用B/S架構(gòu)設(shè)計，學(xué)員即可通過瀏覽器進入云端服務(wù)器連接系統(tǒng)學(xué)習(xí)，借助鼠標(biāo)鍵盤或者VR眼鏡和操作手套，進行虛擬環(huán)境漫游，設(shè)備拆裝和利用各種工具及實驗儀器進行電力設(shè)備相關(guān)實驗操作。登錄系統(tǒng)后，進入系統(tǒng)主界面，選擇相應(yīng)實驗進行學(xué)習(xí)和實驗。

圖1 虛擬實踐操作界面

二、課程建設(shè)硬件平臺

基于全景智能變電站的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的開放運行依托于開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺的支撐，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實現(xiàn)自主的實驗，加強實驗項目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。

開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學(xué)平臺。

如圖所示，支撐項目運行的平臺及項目運行的架構(gòu)共分為五層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。下面將按照從下至上的順序分別闡述各層的具體功能。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.數(shù)據(jù)層

基于全景智能變電站的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)涉及多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

2.支撐層

支撐層是虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎(chǔ)，負責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。

3.通用服務(wù)層

通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環(huán)境完成虛擬仿真實驗。通用服務(wù)包括實驗教務(wù)管理、實驗教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實驗資源管理、智能指導(dǎo)、互動交流、實驗結(jié)果自動批改、實驗報告管理、教學(xué)效果評、項目開放與共等，同時，提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進入統(tǒng)一管理。

4.仿真層

仿真層主要針對該項目進行相應(yīng)的器材建模、實驗場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

5.應(yīng)用層

基于底層的服務(wù)，最終時裝秀虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計各種典型實驗實例，最后面向?qū)W校開展實驗教學(xué)應(yīng)用。

三、VR仿真共享平臺

開發(fā)建設(shè)VR仿真實驗教學(xué)項目門戶網(wǎng)站，網(wǎng)站展示的內(nèi)容包括：實驗教學(xué)項目相關(guān)信息、實驗項目介紹視頻、實驗課件資料、通知公告、實驗項目共享情況、實驗教學(xué)服務(wù)團隊、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)要求、項目架構(gòu)及研發(fā)技術(shù)、實驗教學(xué)項目特色、持續(xù)建設(shè)及服務(wù)計劃、實驗項目申報書等。門戶網(wǎng)站展示的欄目和內(nèi)容可根據(jù)學(xué)校的需求自行添加。平臺不限客戶端數(shù)，支持同時在線人數(shù)2000人以上。

圖3 共享平臺教學(xué)系統(tǒng)

電力系統(tǒng)VR實驗實訓(xùn)系統(tǒng)具備相應(yīng)的寬帶技術(shù)，利用智能帶寬分配技術(shù)合理調(diào)配在線人數(shù)和校外共享系統(tǒng)人數(shù)，優(yōu)先滿足校內(nèi)實訓(xùn)要求，在帶寬達到上限時針對校外共享需求提供排隊等候服務(wù)。系統(tǒng)具備自動定時功能，在考核學(xué)生操作技能時，會自動提醒電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)操作的時間，提醒學(xué)生注意操作速度。同時，系統(tǒng)具備自動統(tǒng)計功能，時間周期設(shè)定為7天、30天、180天、一年等不同的時間段，分別記錄系統(tǒng)校內(nèi)培訓(xùn)人數(shù)、時間、平均操作時間、校外共享時間、共享人次、分類共享實驗的頻次及實訓(xùn)操作效果和反饋。反饋服務(wù)包括實驗設(shè)計、實驗操作、實驗考核設(shè)定規(guī)則及使用滿意度多種，所有數(shù)據(jù)將為后續(xù)實訓(xùn)系統(tǒng)的升級提供數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語

電氣工程專業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)合電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)主干課程及相關(guān)實訓(xùn)環(huán)境，做到了虛實結(jié)合、理論與實踐結(jié)合、人才培養(yǎng)與企業(yè)需求結(jié)合，突破電力專業(yè)傳統(tǒng)理論教學(xué)缺乏實踐學(xué)習(xí)的瓶頸，利用虛擬仿真技術(shù)解決了電力設(shè)備高造價、高危險的問題，讓學(xué)生可以在理論學(xué)習(xí)的同時，在虛擬環(huán)境中，近距離地觀察了解電力設(shè)備的構(gòu)成與運行原理。在虛擬環(huán)境中進行電力設(shè)備的帶電操作實驗，極大地節(jié)省了實踐教學(xué)的設(shè)備成本和師資成本，規(guī)避了風(fēng)險，提升教學(xué)質(zhì)量，有效地滿足了企業(yè)現(xiàn)場的人才需求，提升了學(xué)生實踐能力和學(xué)校的教學(xué)水平。