電氣工程專業(yè)VR虛擬仿真實(shí)踐課程建設(shè)研究*

許傲然 冷雪敏 谷彩連

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110136）

引言

虛擬實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等信息技術(shù)體現(xiàn)出來(lái)。它利用計(jì)算機(jī)軟件等有關(guān)設(shè)置程序，從中獲取大量數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建可視化的完整實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)、在線實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等功能。這對(duì)促進(jìn)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(shí)驗(yàn)室在高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效果，做到精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，而且還支持人人互動(dòng)和人機(jī)交互等效果。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)計(jì)或程序運(yùn)算，得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，通過(guò)在線交流，協(xié)同實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量和趣味性。另外，對(duì)一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等得以實(shí)現(xiàn)。由于虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，耗材能夠重復(fù)使用，使實(shí)驗(yàn)節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，提高了效率。

當(dāng)前，隨著社會(huì)對(duì)人才越來(lái)越高標(biāo)準(zhǔn)的需求，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)體系也越來(lái)越暴 露了其無(wú)法滿足人才培養(yǎng)的實(shí)際缺陷。

1.理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，在實(shí)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(shí)環(huán)境；

2.教師在教學(xué)過(guò)程中也只限于逐點(diǎn)傳授，無(wú)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(wú)法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；

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(shí)際操作不能現(xiàn)場(chǎng)演 示，只能演示，效果不佳；

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

6.由于電力系統(tǒng)高電壓、大電流的專業(yè)特點(diǎn)，學(xué)生很難有機(jī)會(huì)接觸和了解真實(shí)電網(wǎng)安全運(yùn)行防護(hù)控制；

7.電力系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)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(jī)功率極限等實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)造成的設(shè)備損壞等。同時(shí)，學(xué)生在強(qiáng)電環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)學(xué)生的人身安全也存在潛在危險(xiǎn)。

電氣工程及能源專業(yè)實(shí)踐環(huán)境面臨設(shè)備昂貴，高電壓，大電流，高危險(xiǎn)，無(wú)法進(jìn)行重復(fù)性破壞實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題，同時(shí)，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(jìn)行操作，高校很難建立同企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一致的實(shí)踐操作條件，因此，結(jié)合VR虛擬仿真技術(shù)可以應(yīng)對(duì)以上問(wèn)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(chǎng)一致感官的操作環(huán)境和設(shè)備，對(duì)標(biāo)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)提升實(shí)踐能力，同時(shí)，在虛擬環(huán)境可以進(jìn)行相關(guān)大電流觀摩實(shí)驗(yàn)和相關(guān)破壞性實(shí)驗(yàn)，無(wú)須考慮安全和造價(jià)問(wèn)題。

基于全景智能變電站的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用虛實(shí)結(jié)合、理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方法。根據(jù)虛擬仿真教學(xué)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)原則，學(xué)生可以使用校內(nèi)220kV實(shí)際變電站一次設(shè)備基地進(jìn)行實(shí)物觀摩，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境動(dòng)手操作。同時(shí)，針對(duì)相關(guān)操作實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)操作的基本原理和操作規(guī)范，詳細(xì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范來(lái)檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)的成果。

一、虛擬實(shí)踐課程實(shí)施方案

對(duì)220kV變電站運(yùn)行環(huán)境和所有電力設(shè)備進(jìn)行VR虛擬仿真建模及虛擬實(shí)驗(yàn)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(duì)電力現(xiàn)場(chǎng)檢修常用實(shí)驗(yàn)操作仿真包括了高壓側(cè)直流電阻超標(biāo)檢測(cè)、高壓側(cè)相塔接面發(fā)熱故障檢修等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)范設(shè)定虛擬環(huán)境各項(xiàng)操作，完全真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和操作過(guò)程，有效地提升虛擬培訓(xùn)效果和學(xué)生實(shí)踐能力。虛擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，在考核模式中來(lái)檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)的成果。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)穩(wěn)定的3d Max進(jìn)行三維建模，依據(jù)真實(shí)220kV智能變電站制作特高清實(shí)景系統(tǒng)，高度、無(wú)損還原變電站及周邊3公里范圍內(nèi)真實(shí)環(huán)境，在100m的高空可看見(jiàn)場(chǎng)景全景，推進(jìn)至1m的近端可觀看設(shè)備的精確外觀以及結(jié)構(gòu)。針對(duì)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(jìn)行手動(dòng)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(shí)，針對(duì)變電站主要設(shè)備分別建模，可以在虛擬環(huán)境真實(shí)還原斷路器，隔離開(kāi)關(guān)，GIS，互感器等大型電力設(shè)備。在虛擬實(shí)驗(yàn)操作方面，根據(jù)國(guó)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(cè)常用的各種表計(jì)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(chǎng)同樣的技術(shù)裝備和操作規(guī)范進(jìn)行電力設(shè)備檢測(cè)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，完全還原電力企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢修工作內(nèi)容。同時(shí)，根據(jù)操作規(guī)范自動(dòng)設(shè)定考核程序，學(xué)生可以選擇考核模式，在規(guī)定時(shí)間完成操作，根據(jù)相關(guān)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估實(shí)踐成績(jī)?；谌爸悄茏冸娬镜姆抡鎸?shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用虛實(shí)結(jié)合、理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方法，根據(jù)虛擬仿真教學(xué)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)原則，學(xué)生可以使用校內(nèi)220kV實(shí)際變電站一次設(shè)備基地進(jìn)行實(shí)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)室在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境動(dòng)手操作。同時(shí)，針對(duì)相關(guān)操作實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，系統(tǒng)設(shè)定了每一步實(shí)驗(yàn)操作的基本原理和操作規(guī)范，詳細(xì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范來(lái)檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)的成果。

在電力設(shè)備變壓器常規(guī)運(yùn)行檢修與維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以在系統(tǒng)中選取與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中完全一致的操作工具和相關(guān)測(cè)量表計(jì)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中利用工具進(jìn)行接線操作，測(cè)量相關(guān)參數(shù)，判斷電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)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(jìn)行考核，利用虛擬環(huán)境規(guī)避了現(xiàn)實(shí)操作的成本消耗和安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。

通過(guò)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(yùn)行實(shí)踐，學(xué)生將理論知識(shí)充分運(yùn)用到實(shí)踐操作之中，充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的便利，規(guī)避了電力高電壓、大電流、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)等因素，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成了與現(xiàn)場(chǎng)一致的實(shí)驗(yàn)操作，提升了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐能力。平臺(tái)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，學(xué)員即可通過(guò)瀏覽器進(jìn)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(jìn)行虛擬環(huán)境漫游，設(shè)備拆裝和利用各種工具及實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電力設(shè)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

圖1 虛擬實(shí)踐操作界面

二、課程建設(shè)硬件平臺(tái)

基于全景智能變電站的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)放運(yùn)行依托于開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的支撐，二者通過(guò)數(shù)據(jù)接口無(wú)縫對(duì)接，保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)該項(xiàng)目，并通過(guò)平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主的實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放服務(wù)能力，提升開(kāi)放服務(wù)效果。

開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)以計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)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(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

如圖所示，支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)涉及多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫(kù)、實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)、典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)答案庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)與開(kāi)放共享平臺(tái)的核心框架，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開(kāi)放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺(tái)包括以下幾個(gè)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(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動(dòng)交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)、項(xiàng)目開(kāi)放與共等，同時(shí)，提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺(tái)能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。

4.仿真層

仿真層主要針對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬儀器開(kāi)發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實(shí)驗(yàn)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(shí)裝秀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開(kāi)放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)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(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例，最后面向?qū)W校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

三、VR仿真共享平臺(tái)

開(kāi)發(fā)建設(shè)VR仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目門戶網(wǎng)站，網(wǎng)站展示的內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目相關(guān)信息、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹視頻、實(shí)驗(yàn)課件資料、通知公告、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共享情況、實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)團(tuán)隊(duì)、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)要求、項(xiàng)目架構(gòu)及研發(fā)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色、持續(xù)建設(shè)及服務(wù)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)書(shū)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(tái)不限客戶端數(shù)，支持同時(shí)在線人數(shù)2000人以上。

圖3 共享平臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)

電力系統(tǒng)VR實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)訓(xùn)要求，在帶寬達(dá)到上限時(shí)針對(duì)校外共享需求提供排隊(duì)等候服務(wù)。系統(tǒng)具備自動(dòng)定時(shí)功能，在考核學(xué)生操作技能時(shí)，會(huì)自動(dòng)提醒電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)操作的時(shí)間，提醒學(xué)生注意操作速度。同時(shí)，系統(tǒng)具備自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，時(shí)間周期設(shè)定為7天、30天、180天、一年等不同的時(shí)間段，分別記錄系統(tǒng)校內(nèi)培訓(xùn)人數(shù)、時(shí)間、平均操作時(shí)間、校外共享時(shí)間、共享人次、分類共享實(shí)驗(yàn)的頻次及實(shí)訓(xùn)操作效果和反饋。反饋服務(wù)包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的升級(jí)提供數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語(yǔ)

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(dòng)化專業(yè)主干課程及相關(guān)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，做到了虛實(shí)結(jié)合、理論與實(shí)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(shí)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(jià)、高危險(xiǎn)的問(wèn)題，讓學(xué)生可以在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，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(yùn)行原理。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行電力設(shè)備的帶電操作實(shí)驗(yàn)，極大地節(jié)省了實(shí)踐教學(xué)的設(shè)備成本和師資成本，規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)，提升教學(xué)質(zhì)量，有效地滿足了企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的人才需求，提升了學(xué)生實(shí)踐能力和學(xué)校的教學(xué)水平。