電力系統VR仿真綜合實踐平臺的建設與共享

高陽 冷雪敏 許傲然 谷彩連 劉寶良

摘? 要：由于行業特殊性，電力生產各環節因其風險高和成本高的特點，相關仿真實驗要綜合考慮經濟性和安全性而無法做到跟行業對接，進而無法給學生提供真實的現場實踐環境，運用VR技術構建電力系統VR仿真綜合實踐教學平臺是解決以上諸多問題的有效途徑。文章以產教融合、校企合作、智慧學習為思路，構建了兩大平臺、四大課程模塊、四個能力培養層次的綜合實踐教學體系，開發了對接行業需求的實驗教學內容、采用靈活多樣并能夠持續創新的教學方法、不斷改進并研發貼近現場工作環境的實驗技術、構建持續改進的實驗評價體系及考核方法，在各方面產生了示范性的實驗教學效果。

關鍵詞：電力系統;VR仿真;綜合實踐平臺;共享

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）04-0081-04

Abstract： due to the industrial characteristics， power production for its high risk and high cost of each link， the characteristics of the simulation experiment should be comprehensive consideration of economy and safety but unable to do with industry docking， it can no longer be providing students with real practice environment， using the VR technology to build integrated power system VR simulation practice teaching platform is an effective way to solve the above problems. Based on the fusion， between production and education cooperation， wisdom， learning for thinking， build the two big platform， the big four course module， four ability training level of integrated practice teaching system， docking industry demand is developed in the experimental teaching contents， flexible and able to continuous innovation of teaching methods， continuous improvement and development close to the field work environment of experiment technology， the construction of a continuous improvement evaluation system and evaluation method， the demonstration experiment teaching effects in various aspects.

Keywords： power system; VR simulation; integrated practice platform;sharing

電力生產過程的各個關鍵步驟當中，（火力、水力、風力、核能、生物質等）發電環節、輸電環節、變電配電等都存在高電壓、大電流的運行特點，運行環境都存在安全性的要求。同時由于現有技術不能保證電量大量存儲，電能即發即用，各環節必須同時完成。所以在真實的運行環境中對實際電氣設備進行相關實驗是不現實的，即使電力行業的運行人員和檢修人員也要在專門的仿真培訓系統進行培訓，從而提升操作技能。傳統的實驗教學，平面虛擬二維三維技術很難滿足就業單位對畢業生實踐能力的要求。隨著社會對人才越來越高標準的需求，亟需改革固有的實踐教學模式，提高教學效果。

一、電力系統VR仿真綜合實踐基地建設

開展電力系統VR仿真綜合實踐基地建設，有助于推進現代信息技術與實踐教學項目深度融合、同時利于拓展深層次實踐教學內容、進一步開拓實踐教學時間和空間維度、提升實踐教學綜合質量和整體水平。秉承工程化與實際化、虛實結合、校企共建、教學與培訓一體化、課內外一體化原則。確保實施過程與實際環境高度結合，密切跟蹤最新技術發展動態，與時俱進。在轉型發展的大背景下，充分利用好社會各種優質資源，共商、共建、共管、共享。堅持以學生為本，從學生實際就業需求出發，注重對學生創新創業能力的培養、綜合實踐能力的提升培養，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性。建立穩定安全的開放共享運行模式，積極探索在線VR仿真實驗教學平臺可持續運行的有效模式。

在建設過程中深入發掘教育資源，兩大綜合實踐教學平臺（電力系統VR綜合實踐教學平臺、電力系統VR綜合實踐共享平臺），構建了虛擬仿真教學環境，并完善了現有的網絡共享性實踐資源條件。同時開發了四大實踐課程模塊、四大層次能力培養科學系統的實踐教學培養體系。為打造國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，樹立省市VR中心標桿建立良好基礎。

二、基于VR技術的綜合實踐平臺的構建

系統設計遵循國際標準，采用目前國際先進的技術。以需求導向明確、應用場景廣泛、產業支撐強烈的實踐項目為切入點，打造現場和虛擬仿真的融合平臺。通過構建數字化、智能化共享平臺，為使用者進行自主學習、多元化學習提供條件，搭建具有穩定開放性、持續擴展性、良好兼容性和對接行業前瞻性的VR仿真綜合實踐教學運行平臺。功能模塊接口準統一，能支持第三方硬件和軟件的接入和系統升級，以滿足遠期規劃要求。虛擬實習實訓需要覆蓋全部電力電氣對象，實習實訓內容需要覆蓋學生實習和新員工實訓的主要內容，同時還需要滿足其他相關要求，虛擬實習實訓軟件系統思路如圖1所示。

圖1 虛擬實習實訓軟件系統

虛擬仿真實驗教學共享平臺建設堅持“應用驅動、共建共享、深度融合、統籌規劃、持續發展”的原則，以學生個性化需求為主導，以自主學習創新為核心，共享信息化實驗教學資源、共建優質核心實驗教學資源，滿足多學校和多地區共同開展虛擬仿真實驗教學的需要。積極探索研發具有目標方式個性化、行業前沿智能化、形成專業布局合理、教學效果突出、信息資源泛在化的實踐教學新體系，支撐電力行業實踐教學質量全面提升。

持續開發建設VR仿真綜合實踐平臺門戶網站，網站展示的內容包括：實驗教學項目相關信息、實驗項目介紹視頻、實驗課件資料、通知公告、實驗項目共享信息情況、實驗教師團隊簡介、網絡需求、項目架構及關鍵技術、實驗項目所體現的行業優勢特色、后期建設規劃、實驗項目申報書等。門戶網站展示的欄目和內容可根據學校的需求自行添加。平臺不限客戶端數，支持同時在線人數2000人以上。

三、虛實結合實踐教學體系的構建

（一）開發切合電力行業的實驗教學內容

利用先進的VR虛擬技術，沉浸式的教學環境，以虛實結合和實用為先為原則，重點建設電力系統中高電壓，大電流的運行環境，模擬真實不可逆的破壞性故障及相關高壓實驗，解決現存電力專業實踐高危險和高成本的問題，同時緊密結合電力行業的電力互聯網發展方向，注重實驗環境信息化，自動化，互聯化和智能化的建設，開發貼合電力系統及其自動化專業理論基礎知識，立體化、多元化、具體化的理論與實踐基礎實驗課程，開發可自主研發拓展的虛擬實驗環境，激發學生自主創新能力，讓學生可以在虛擬環境中模擬實踐操作，創造性的去實踐，利用開放性的實驗接口，鼓勵在校教師結合高校人才培養需求和辦學特色開發相應的虛擬實驗項目。

（二）采用網絡化教學方法

利用虛擬仿真項目信息化，網絡化的優勢，采用線上視頻預習和理論答題方式進行實踐學習的準備工作，讓學生熟悉相關設備操作及理論知識，實踐教學中以問題為導向，實際案例為引導，讓學生通過互動操作教師和學生同時線上操作方式提升實踐能力，同時配合文字，圖片，動畫及相關VR視頻讓學生全方位體驗電力運行狀態及電力故障的具體過程。同時采用網絡自動化評審方式，自動化對學生考核，在成績反饋的同時利用網絡實現線上問答及評價。

（三）引用多元化的實驗技術

電力系統VR虛擬仿真實踐平臺在采用常見多媒體，大數據和3D建模技術同時，為了迎合建設堅強智能電力物聯網的發展，將引入電力行業以應用的相關技術最大程度貼合實際電力系統運行情況，建設虛擬環境將還將應用人工智能，云調度，超級計算和無線傳感等多種技術，提高虛擬實驗教學的真實性和有效性。同時加強虛擬展示設備的安全性和可控性，切實做到對學生視聽的多層式，全方位的保護。

（四）構建全方位的評價考核體系

建立持續性和全方位的評價和考核體系，采用互評模式在對學生實踐技能科學性的評定同時，根據學生的反饋建立虛擬實踐平臺的提升通道，在保證專業性和實用性基礎上，最大程度貼合學生實際學習情況和理論水平。同時建立激勵式評價方式和開放共享平臺，利用高校實驗聯盟等多種形式，鼓勵高校間遠程學習和實驗資源共享。

（五）產生示范性的實驗教學效果

虛擬仿真實驗教學效果顯著，受益面大，學生實驗興趣濃厚，自主學習能力明顯增強，實踐創新能力明顯提高。通過開展在線教學服務或技術支持等，積極發揮對專業類內實驗教學信息化建設的示范引領作用。

四、綜合實踐課程模塊和層次能力的培養

教學體系完善的過程即教學模塊合理設置、教學層次細分的過程，依據學生對接行業所處區域，學生學歷能力層次和學生類型，綜合考慮各類型學生運用實驗教學平臺的不同需求，構建了“遞進式”實踐教學模塊，設定了多層次教學目標。其中，教學模塊細分為：VR+多環節實驗實訓教學模塊、VR+多學科自主創新模塊、VR+多層次工程實踐教學模塊、VR+綜合實踐教學模塊。四大層次指的是，基本技能實踐層次、創新技能實踐層次、專業技能實踐層次、綜合技能應用實踐層次，各層次變化由淺入深，并且層次間的鋪墊作用較顯著。各實踐課程模塊同對應層次能力培養相互融合，互相滲透，內容不斷優化升級，其適用性和有效性也持續得到檢驗和證明，目前已取得階段性成果。

（一）VR+多環節實驗實訓模塊（第一實踐課堂）

實踐教學內容體系中的實踐環節包括實驗、實習實訓、課程設計和畢業設計等，通常稱為“第一實踐課堂”。注重對學生基礎理論知識的深入理解和驗證性應用能力的培養，主要是針對基本技能的基礎性重復操作能力的鍛煉。

傳統實踐環節的真實環境難以打造，設備投資昂貴，危險性高，普通物理仿真、動態模擬仿真等很難調動學生的積極性和主動參與性。VR技術獨有的沉浸感、交互性和構想性是區別于傳統三維仿真技術、3D影視的核心特征，能夠讓學生在實驗實訓過程中產生充分的存在感和自主性，排除外界干擾， 全身心地投入到虛擬現實中去。通過自身的感知、運用肢體進行協調運動、 對虛擬環境中的可視對象和可操作對象進行主動交互運維操作。例如電力系統構AR互動教學墻，學生可以通過手機AR應用功能，快速了解電力系統的“發、輸、變、配、用”五大環節;220kV智能站VR實景漫游系統，學員佩戴VR眼鏡，通過觀看VR教學視頻，720°全方位“進入”智能站，“身臨其境”參觀變電站內室內室外一次設備、二次設備;變電一次設備VR虛擬仿真模型庫，學生通過自主學習，能夠對設備外觀、內部結構、動作機構工作原理等進行深入學習，全面了解變電一次設備。

VR仿真第一實踐課堂，通過兩大平臺融合，以學生為主體配置學習資源，針對電力生產過程全產業鏈多環節設置自主實踐流程。學生可以隨時隨地學習和自主掌控節奏，能夠從根本上激發學生學習的熱情和興趣，加深其對理論知識的驗證性理解，激發其對實踐內容的創新性探索。切實保證多環節實驗實訓具有實踐意義和導向作用。同時解決了傳統實驗無法及時跟蹤現場實際的問題和學生學習實踐與電力安全生產之間的矛盾。

（二）VR+多學科自主創新模塊（第二實踐課堂）

在智慧學習和應用轉型發展的大背景下，高校越來越重視學生創新創業能力的培養，學生的雙創、自主實踐、學科競賽和其他科技活動通常被稱為“第二實踐課堂”，注重對學生創新技能和創造能力的培養。運用VR技術可增強學習者對學習內容的感知程度、認知程度，從而使學生深化概念和萌發新的聯想，啟發學生的創造性思維。為學生創新創業提供孵化基地、搭建實驗和實踐教學平臺。利用先進VR技術還對課程教學進行創新和改革，并橫向拓展能源、動力、機械等其他專業的課程教學與實驗。

VR仿真第二實踐課堂的開設和成功運用，持續提升了我校學生的雙創能力，每年有近30%的學生參與教師各類應用項目、參加專業競賽，學生的創新創業能力和應用能力得到鍛煉。同時學生就業質量，專業相近度，畢業生期待吻合度、工作滿意度、用人單位對畢業生滿意度明顯提升。

（三）VR+多層次工程實踐模塊（第三實踐課堂）

學生參加社會實踐、頂崗實習、產學合作教育等稱為“第三實踐課堂”，本實踐模塊不僅適用于學生，同時針對新興產業崗前培訓、職業技能鑒定、課程創新、科學研究等提供服務平臺，重點培養專業技術應用能力。

例如220kV主變壓器檢修VR虛擬實訓系統，以220kV主變壓器為主體，建立其精細化模型，并開發變壓器的典型檢修案例，主要對其檢修過程進行仿真。仿真內容包括檢修操作流程、工器具擺放、備品備件擺放、工器具的選擇和使用等;220kV 3D智能變電站仿真培訓系統， 為智能變電站生產人員建立了全方位、全過程、全場景的運行、檢修維護、安全等方面高逼真度培訓環境，構建高效、全面、系統的專業化變電站生產培訓平臺，可以滿足變電站生產及相關從業人員實現多層次、全方位、個性化的培訓需要。

1. 可用于智能變電站生產人員的運行、檢修、安全技能培訓、考核和鑒定。

2. 可用于變電站和智能電網生產指揮、標準化管理、事故應急管理的輔助決策。

3.可推廣到各生產運行和修試單位進行相關專業的教學、實習、科研。

（四）VR+綜合應用模塊

利用我校現有的省級實驗中心和虛擬仿真教學中心為基礎，結合新建VR虛擬仿真實踐基地，建立全方立、體化智能感知系統，實現對電力專業全專業鏈VR虛擬仿真，涵蓋從電工、電機的基礎仿真培訓到智能變電站、新能源接入電站、微電網以及大電網的運行維護、設備檢修等各個方面。縱向覆蓋電力生產全過程，橫向拓展能源、動力、機械多學科，同時施行對外開放，進行品牌建設。

信息化和智能化的高速發展要求電力從業人員不斷更新技能、重塑技能，以適應更快的技能貶值周期，適應未來行業的動態變化。針對不同的學習者定制培訓內容，幫助其通過專業知識的發展階段，利用分析和反饋來創建適應學習者進步的具有挑戰性的場景。遵循“多層次融合、多維度培養”原則，優化產教融合，在資源共享，技術創新與服務，學生就業與創業等方面加強與企業合作，共同培養能分析問題、能構建模型、能應用軟件、能立足行業的高素質復合應用型人才。

通過產教融合，以全方位智能化感知為引領，申報承擔科研項目和橫向應用項目，做優做強科研平臺，產出優秀科研成果，并盡快轉化為現實生產力，服務地方轉型發展。

五、結束語

本文通過構建電力系統發電、輸電、變電、配電及智能電網全過程的VR仿真教學體系，形成虛實結合的實踐教學環境和產學研聯合開發與建設的共享共建模式。有效解決了傳統教學模式所存在的系列問題。開發了對接行業需求的實驗教學內容、采用靈活多樣并能夠持續創新的教學方法、不斷改進并研發貼近現場工作環境的實驗技術、構建持續改進的實驗評價體系及考核方法，產生了示范性的實驗教學效果。既鍛煉了學生的綜合實踐能力，又提高了教師隊伍的整體水平，促進了雙師雙能隊伍的建設，每年電力專業畢業電網就業率高達80%，學生就業質量，專業相近度，畢業生期待吻合度、工作滿意度、用人單位對畢業生滿意度明顯提升。

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