基于多教學(xué)模式的電力仿真培訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李春林 趙成杰 李 嫚 杜 涵 胡香玲

（1.鄭州電力高等專科學(xué)校 2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著以新能源為主的新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，對電網(wǎng)運(yùn)行人員的處置能力提出了更高的要求。然而，由于電力系統(tǒng)對穩(wěn)定性的特殊要求，在真實(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)中進(jìn)行培訓(xùn)、教學(xué)等任務(wù)是不切實(shí)際的，所以電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)就成為電力公司培訓(xùn)及電力院校教學(xué)的重要工具。

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)雖然也涉及理論知識(shí)與實(shí)操培訓(xùn)的結(jié)合，但是往往將兩者割裂開來，理論學(xué)習(xí)通常以課件教學(xué)視頻的形式，存在抽象、單調(diào)、枯燥，不便學(xué)員理解的問題；在實(shí)操教學(xué)過程中，大多是播放正確操作的視頻，導(dǎo)致學(xué)生的體驗(yàn)感、參與感不強(qiáng)，因而已無法滿足電網(wǎng)仿真培訓(xùn)的實(shí)際需要。因此，迫切需要研發(fā)一種集情景教學(xué)模式、練習(xí)模式、考試模式為一體的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)。

1 電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)發(fā)展綜述

電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)最初產(chǎn)生于對火電廠機(jī)組等系統(tǒng)的仿真，之后隨著需求的變化和發(fā)展，進(jìn)一步延伸到電網(wǎng)、變電站等領(lǐng)域，現(xiàn)如今已經(jīng)發(fā)展到涉及各個(gè)環(huán)節(jié)的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)，其涵蓋的功能越來越全面，實(shí)現(xiàn)的方法也經(jīng)歷了從物理仿真階段、數(shù)字仿真的階段，到現(xiàn)在虛擬場景仿真的時(shí)代。

文獻(xiàn)［1］采用帶盤臺(tái)的模式，這種模式把實(shí)際變電站中的模擬控制盤、配電裝置、繼電器保護(hù)盤、主接線模擬操作盤等裝置按照一比一的比例還原出變電站的主控室和保護(hù)室，而這些硬件的操作和顯示主要由后臺(tái)計(jì)算機(jī)來支持，這種模式能夠給學(xué)員帶來較好的真實(shí)操作體驗(yàn)，但也存在造價(jià)高、維護(hù)復(fù)雜、可擴(kuò)充性差、培訓(xùn)效率低等缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)［2-3］利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，采用純軟件模式，造價(jià)低、維護(hù)簡單、可按用戶要求修改軟件，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充。文獻(xiàn)［4］基于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)環(huán)境搭建培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，使之可以擴(kuò)展到多學(xué)員多任務(wù)培訓(xùn)同時(shí)在線培訓(xùn)，使得培訓(xùn)效率得到顯著提升。

但是傳統(tǒng)的二維用戶界面比較單調(diào)，不能給學(xué)員帶來身臨其境的體驗(yàn)，培訓(xùn)方式缺少可交互性，培訓(xùn)效果不理想。近年來，隨著三維仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，為電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交互式、沉浸式的體驗(yàn)提供了可能［5］。文獻(xiàn)［6］通過采用流行的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對變壓器、斷路器等各類電氣設(shè)備進(jìn)行建模，進(jìn)而搭建整個(gè)虛擬變電站。除此之外，該文獻(xiàn)還將基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真軟件與VR虛擬變電站結(jié)合，使之能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行變電站運(yùn)行狀態(tài)仿真，并可以將對應(yīng)的狀態(tài)精準(zhǔn)逼真地演示出來。文獻(xiàn)［7］在培訓(xùn)系統(tǒng)中將游戲的理念引入，將體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理論充分發(fā)揮。該配電網(wǎng)運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅為交互模擬帶來強(qiáng)大的體驗(yàn)感，更是寓教于樂，大大提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)興致和自主參與性。

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)側(cè)重于培訓(xùn)電網(wǎng)運(yùn)行人員的故障處理操作流程，導(dǎo)致平臺(tái)功能只是簡單重現(xiàn)操作步驟，沒有充分考慮到學(xué)員的認(rèn)知規(guī)律，缺乏面向電力專業(yè)學(xué)生的教學(xué)模式，因此需要一種可以滿足不同用戶培訓(xùn)需求的基于多教學(xué)模式的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)。

2 仿真培訓(xùn)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.1 情景教學(xué)模式

情景教學(xué)模式主要用于模擬電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備和場景，幫助學(xué)員身臨其境地認(rèn)識(shí)場站電氣設(shè)備、了解其工作原理。學(xué)員在該模式下可以在場景內(nèi)進(jìn)行自由漫游，以全景方式來查看場站各個(gè)區(qū)域的虛擬電氣設(shè)備和整個(gè)三維場景。同時(shí)學(xué)員可以停留在任意設(shè)備前，點(diǎn)擊設(shè)備彈出的菜單選項(xiàng)，選擇查看設(shè)備的名稱、功能、詳細(xì)資料參數(shù)等。

為了幫助學(xué)員更好地了解電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)員在該模式下還可以通過點(diǎn)擊設(shè)備將集成的設(shè)備拆解成為各個(gè)電氣元件，每個(gè)電氣元件都配有相應(yīng)的講解，使學(xué)員對電氣設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)成及各元件的功能有更深刻的理解和認(rèn)知，圖1和圖2分別為情景教學(xué)模式下電纜室和母線室圖解。

圖1 情景教學(xué)模式下電纜室及介紹

圖2 情景教學(xué)模式下母線室及介紹

2.2 練習(xí)模式

練習(xí)模式的主要目的是規(guī)范學(xué)員的工作流程，學(xué)員必須在正確的操作步驟下才能完成練習(xí)模式的題目，如圖3所示為練習(xí)模式下學(xué)員進(jìn)行場景切換，圖4為操作小車把手。在練習(xí)的過程中，學(xué)員還可以選擇打開提示功能，用于提示學(xué)員下一步驟的正確操作。練習(xí)模式下，正確的操作能夠獲得相應(yīng)的步驟分，學(xué)員如果操作的步驟和正確的操作步驟不符，系統(tǒng)將會(huì)彈出對應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志并且扣除分?jǐn)?shù)。同時(shí)，為了避免中間步驟的錯(cuò)誤影響后面步驟的動(dòng)作，在練習(xí)模式下，錯(cuò)誤的步驟是不會(huì)操作成功的。

圖3 練習(xí)模式下的場景切換

圖4 練習(xí)模式下操作小車把手

2.3 考試模式

如果教員需要通過系統(tǒng)對學(xué)員進(jìn)行考核時(shí)，教員針對學(xué)員的基本情況從題庫中組合出一套試卷，并在指定的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)員進(jìn)行答題。

系統(tǒng)還增加了面向電力專業(yè)學(xué)生的考試模式，在該考試模式下，重點(diǎn)考查學(xué)生對理論知識(shí)的掌握情況。學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下能夠正確識(shí)別場站內(nèi)的設(shè)備名稱、主要功能、常見型號(hào)、應(yīng)用場景等就算過關(guān)，如圖5所示，考試模式下學(xué)員正確完成掛牌操作后左下角有操作正確的提示。學(xué)生通過完成一個(gè)個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)目標(biāo)，并通過及時(shí)反饋和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制給學(xué)生游戲化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，寓教于樂，使學(xué)生主動(dòng)積極地參與到培訓(xùn)中。

圖5 考試模式下掛牌操作正確效果

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 智能評價(jià)技術(shù)

本文研發(fā)的基于人工智能技術(shù)的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)自動(dòng)評價(jià)模塊，具有完善的學(xué)員培訓(xùn)過程跟蹤、教案調(diào)用、培訓(xùn)評估等功能。

在學(xué)習(xí)和練習(xí)模式下，該模塊具有語音文字引導(dǎo)功能并配有多媒體文字、圖片、視頻學(xué)習(xí)資料展示，同時(shí)系統(tǒng)針對違反規(guī)程的誤操作均可自動(dòng)生成相應(yīng)的出錯(cuò)提示。

該智能評價(jià)算法以電力系統(tǒng)的基本原理、相關(guān)變電運(yùn)檢操作流程、安全運(yùn)行規(guī)程、電氣設(shè)備知識(shí)、安全生產(chǎn)知識(shí)等作為分析的素材添加入庫，形成了智能評價(jià)規(guī)則和操作規(guī)則，并通過算法不斷完善和優(yōu)化評價(jià)體系。

3.2 Unity3D的自動(dòng)解析技術(shù)

傳統(tǒng)變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能中，三維場景和后臺(tái)仿真模塊之間是一個(gè)邏輯和展示的關(guān)系。基于Unity3D三維可視化場景根據(jù)后臺(tái)仿真模塊提供的信息，完成所有對象的信息對應(yīng)、動(dòng)作、渲染等。

為了滿足學(xué)習(xí)模式中的自動(dòng)播放，三維可視化場景系統(tǒng)需要解析所有對象的操作過程中的基本元素，包括對象、坐標(biāo)、角度、動(dòng)作等元素。同時(shí)開發(fā)解析模塊，保證解析后的元素可以在界面中呈現(xiàn)和人為操作一樣的效果。

3.3 語音生成技術(shù)

學(xué)習(xí)模式的自動(dòng)播放模式，需要針對每一個(gè)操作進(jìn)行智能的語音解讀，為了和電力系統(tǒng)變電運(yùn)維的專業(yè)名詞和電力系統(tǒng)中操作票特有發(fā)音語音保持一致，本系統(tǒng)調(diào)用專用的語音生成技術(shù)，同時(shí)針對專業(yè)性的語音建立了專業(yè)的數(shù)據(jù)庫。保證學(xué)習(xí)模式下系統(tǒng)可以進(jìn)行演示和解讀。

4 結(jié)束語

基于多教學(xué)模式的電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)不僅具備傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺(tái)中的功能，并在此基礎(chǔ)上提出面向不同需求用戶的模式。通過將情境教學(xué)模式、練習(xí)模式、考試模式整合，集多種教學(xué)模式為一體，不僅有運(yùn)行人員所需的實(shí)操教學(xué)，還增加了面向?qū)W生的電力系統(tǒng)知識(shí)和原理的講解，多維度、全方位滿足學(xué)員的學(xué)習(xí)需求，極大提高了培訓(xùn)的效率和效果。