光伏電站虛擬仿真實訓平臺建設①

胡昌吉,董 嫻,段春艷

1(佛山職業技術學院 電子信息學院,佛山 528137)

2(順德中山大學太陽能研究院,順德 528300)

光伏電站設計、施工、運行維護等專業課程具有很強的實踐性.為了鍛煉培訓人員的動手能力,提升技能水平,在培訓課程的整體教學設計上可以采用項目化教學方式,以項目為單位組織教學,通過具體案例,按項目實施的順序逐步展開,讓培訓人員在掌握技能的同時,引出相關專業理論知識,使其在技能訓練過程中加深對專業知識、技能的理解和應用,從而滿足培訓人員職業生涯發展的需要.

然而,光伏電站培訓項目的開展對實訓條件的要求較高.首先是實訓場地的要求.戶外環境的影響較大,雨天或風沙較大的天氣不適合實訓課程教學的開展;其次是實訓設備、部件、安裝工具和檢測設備的要求.光伏電站項目實訓教學成本較高.即便是培訓人員分組實訓,也會受到實訓經費的限制;最后是實訓安全的要求.在實訓過程中,培訓人員現場操作時不可避免的會遇到很多危險因素,如直流拉弧、短路故障等.尤其是對初學者來說,老師在實訓過程中也很難掌握每個培訓人員的動態來確保其安全.

虛擬仿真實訓在降低實訓場地限制、解決實訓成本過高、降低學生實訓操作時的危險性等方面具有很大的優勢[1].虛擬仿真實訓平臺融合計算機技術、信息技術、人機交互技術和多媒體技術,將實訓場景、設備、工具等虛擬化并以3D圖像顯示出來[2].學生通過計算機可以在虛擬的實訓場景中漫游,并操作虛擬的實訓設備,完成實訓任務,激發學習積極性,提高實訓教學效果.倫淑嫻等人構建了新能源分布式發電虛擬仿真實踐教學平臺,建立了風力發電系統和光伏發電系統各設備和部件的模型,用于學生學習風力發電和太陽能發電的工作原理、故障檢測、設備維護、性能檢測等知識,但在光伏電站設計、施工、運維方面涉及較少[3].何帆等人在構建太陽能光伏虛擬仿真實訓中心建設思路方面也提供了一些參考,但欠缺了光伏電站設計與施工方面的虛擬仿真實訓的內容[4].

為解決以上光伏電站實訓教學問題,本文開發了一套光伏電站設計、施工和運維虛擬仿真實訓平臺,主要用于虛擬實訓教學,向培訓人員展現一個虛擬的3D光伏電站踏勘、設計、建設和運行維護的全過程,并讓其在過程中學習和活動,以實現對其專業知識的傳授和專業素質的培養.

1 光伏電站設計、施工和運維虛擬仿真實訓平臺的搭建

1.1 虛擬仿真實訓平臺的功能

該虛擬仿真實訓平臺分為學習、實訓和考核3大功能模塊.

學習模塊的功能是讓學生學習光伏電站從踏勘到運維全過程的相關知識,其包括對不同類型建設場址識別、氣象資源評估、陰影分析、設備選型、基本的電流電壓匹配、安裝角度計算和選擇、安裝施工關鍵知識點、光伏電站日常維護及故障處理、基本檢測設備運用等.整個教學過程都會由技術工程師、施工現場技術負責人、電站站長等虛擬角色帶領學生人物到達指定的位置進行講解介紹,每一個教學互動環節都有明確的圖畫指示標志指引學生進行相關的操作,同時還有詳細的幫助提示文本指導學生進行學習,提示文本參考資料包括相關教材、標準規范等.在學習過程中,對于特別重要的知識點虛擬角色人物還會通過提問的形式檢查學生是否掌握該知識點,如果學生回答錯誤,虛擬角色人物會要求學生重新學習該知識點直到學生能給出正確的答案為止.

實訓模塊功能是讓學生熟悉光伏電站的真實環境,以及在真實設計施工和運維過程中遇到的事件.在該模式中,學生控制的人物可以在不同階段的場景中自由走動和觀察,也可以通過與各方面負責人對話選擇相應的工作階段和場景進行操作.在進行各階段工作的過程中,學生可以通過提示框獲取下一步如何做的詳細提示.

考核模塊的功能是考核學生對各個知識點的掌握情況,系統會隨機安排事件發生的順序,通過虛擬人物發布任務和提問的方式要求學生進行各階段工作的關鍵操作并回答相關的重要知識點問題.這個過程中不會有任何的幫助提示,如果學生回答錯誤或進行錯誤的操作,系統彈出出錯對話框告訴其正確答案或正確操作方法并扣分.最后根據完成的時間和扣分情況給出綜合評分并作出評價.

1.2 虛擬仿真實訓平臺的架構

虛擬仿真實訓平臺采用Unity3D引擎進行開發,Unity3D是一個用于制作三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫的專業開發工具[5].其開發的軟件可以發布到 Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要 HTML5)、Windows phone 8 和 Android 平臺,也可以利用 Unity Web player插件發布網頁軟件,支持 Mac和Windows的網頁瀏覽.

該虛擬實訓軟件分為客戶端和服務器端.客戶端用戶通過網頁瀏覽器進行訪問,服務器端由數據服務器、文件資源服務器、以及Web服務器組成,其軟件架構見圖1.Web服務器用于存儲瀏覽器讀取的網頁文件.用戶數據服務器用于存儲用戶信息數據,管理員進入數據服務器后臺對用戶信息進行登記,分配用戶名和密碼,用于登錄軟件平臺.文件資源服務器用于存儲VR場景資源文件.

2 虛擬仿真實訓平臺的建設內容及實施

2.1 虛擬仿真實訓平臺的建設內容

虛擬仿真實訓平臺的操作界面簡潔美觀,學生無需特別訓練就可熟悉當中操作.對于場景中的關鍵三維模型,學生可以進行旋轉和縮放以便從不同角度進行觀察.場景中的工具操作、物品互動、參數設置等都可以通過簡單的鼠標、鍵盤操作實現.表1將詳細列現實操作表現的具體要求.

圖1 光伏電站設計、施工和運維虛擬仿真實訓平臺軟件架構圖

表1 虛擬仿真實訓平臺的表現形式要求

虛擬仿真實訓平臺包括5個場景,每個場景中包括2D圖形和3D模型,平臺采用Solidworks和 3Ds Max共同來完成場景模型與光伏電站設備模型的構建,具體建設內容見表2.

虛擬仿真實訓平臺可完成5個實訓項目,每個實訓項目中包括若干個實訓任務,通過實訓任務的開展來幫助學生掌握相關的專業知識和技能,具體實訓內容見表3.

表2 虛擬仿真實訓平臺中的場景和圖像模型列表

表3 虛擬仿真實訓平臺中實訓項目及實訓任務

2.2 虛擬仿真實訓平臺的實施

本虛擬實訓平臺直接在支持WebGL的網頁瀏覽器輸入網址進行訪問,推薦使用支持WebGL效果比較好的Firefox瀏覽器.用戶登陸實訓仿真平臺界面后,可以通過鍵盤或鼠標進行操作,詳細使用說明見圖2.

每個3D場景都會有一套UI(用戶界面)系統,提供用戶最常用的功能,如查看當前實訓任務列表,快速切換實訓位置地點,查看幫助信息等,見圖3.

圖2 虛擬仿真實訓平臺的使用說明

圖3 虛擬仿真實訓平臺的場景按鈕說明

用戶登錄虛擬仿真實訓平臺后,可以根據需要選擇練習模式或是實訓模式,見圖4.其中練習模式可以讓用戶隨意在所有場景中漫游、練習使用儀器設備,這適合平時的單個實訓任務教學;而實訓模式則必須按照分配的任務進行,用戶不能隨意切換位置或場景,必須完成了當前任務才能進行下一步操作,這適合實訓考核過程以檢驗學生的學習效果.

圖4 虛擬仿真實訓平臺的模式選擇

用戶選擇了模式后,進入任務系統界面,如圖5所示.任務系統作為實訓軟件的核心組件,它管理和控制著整個實訓的操作流程,包括頂部當前任務提示框、任務列表、角色與電腦互動、控制設備運行、組裝與拆解等.當學生完成某一實訓任務后,可以在任務列表中查看到,如圖6所示.

光伏電站實訓過程中需要使用到一些工具,例如在光伏電站現場勘查中需要使用卷尺、指南針等測量工具,因此,在虛擬仿真實訓平臺的工具系統欄中顯示了在場景中拿取到的物品、工具等,當物品圖標填滿背包欄時可拖動底部滑條搜索要使用的物品工具,見圖7.

圖5 虛擬仿真實訓平臺的任務系統

圖6 虛擬仿真實訓平臺的任務列表

圖7 虛擬仿真實訓平臺的工具系統欄界面

2.3 虛擬仿真實訓平臺的運行效果

本虛擬實訓平臺依據光伏電站企業真實項目案例進行設計和制作,因此,平臺上虛擬仿真實訓的操作流程與實際光伏電站項目設計開發流程一致,具有很強的工程示范價值.該平臺已經成功應用于佛山職業技術學院16級光伏工程技術專業的兩門專業核心課程《并網光伏發電系統設計與施工》、《光伏電站運維與管理》的實踐教學中.由于本虛擬實訓平臺用戶采用第一人稱視覺進行三維場景漫游與互動,具有很強的代入感,學生利用平臺進行學習的興趣較高.平臺的實際運行效果表明,該平臺仿真程度高、數據可靠,功能達到了設計要求,具有很強實用性和靈活性,軟件整體運行效果理想,有利地提高了光伏電站設計、施工和運維課程的實訓教學水平.

3 結論與展望

光伏電站設計、施工和運維虛擬仿真實訓平臺為光伏專業培訓人員搭建了一個可以完成光伏電站開發全流程的實訓平臺.通過實訓案例,驗證了該平臺的靈活、高效的特點,可幫助光伏發電專業學生和相關工程技術人員快速掌握光伏電站設計、施工和運維技術.