一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统

摘要

本发明提出的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统，通过在虚拟世界完成对电力系统高压试验人员的业务技能进行培训、考核，本发明解决了理论强化培训存在组织时间长、内容枯燥、形象性差等问题，培训效果不是十分明显；现场操作演示培训作业环境复杂，易受到天气、场地、设备等诸多因素的限制，学员实际动手操作机会较少，可供学员学习的作业方法有限，不利于大规模培训工作的开展等问题，利用虚拟现实技术构建交互式三维高压设备试验作业环境和现场工况，将学员带入真实的工作现场中，体会在实践中学习的乐趣，而且学员不接触高电压，同时，通过大数据分析平台对学员在培训中出现的问题进行跟踪、分析，及时了解学员的学习难点，进行有针对性的培训。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术培训领域，特别涉及一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统。

背景技术

一直以来高压设备试验技能人才的成长是依赖于师带徒培训模式，并需要长期的实践积累。因此，培养一名高技能水平技能人才至少需要15年甚至20年的时间，且在这期间企业需提供大量的现场实践机会。由于各单位发展的不平衡，目前各供电企业储备的高压设备试验高技能人才十分稀少，高压设备试验的技能培训受限于工作环境、师傅的数量和实践的累积，因此高压设备试验现有的技能培训模式和方法无法满足企业发展的需要。

目前，各级电力公司相继开展的高压试验仿真培训工作，例如发明专利高压电气试验仿真培训系统(申请号：201700223162.1)；发明专利特高压主设备三维仿真培训系统(申请号：201811360984.9)；都是采用三维动画表现形式进行培训，缺乏虚拟现实 (VR)技术的直观性、观赏性，而且这两个专利缺乏对学员的在线学习、仿真操作、考试等数据的管理、分析，没有对学员的电气试验理论与实践多方面的技能素养进行全面评估手段，不能做到对不同层次的学员进行有针对性的培训。

而本发明以大数据分析平台为手段，能提供大量的培训数据辅助决策信息，并提升培训人员对设备状态的研判能力，提高试验效率和对设备状态的防控能力，而且具有能够实施远程培训、维护简单、易于升级等优点，可以大大节约培训成本，实现灵活、生动、快速的培训模式，对于提高电网的建设水平、维护水平能力具有重要意义

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统。解决了现有高压技术培训的作业环境复杂、易受诸多因素限制，学员实际动手操作机会较少、作业方法有限、不利于大规模培训工作开展等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统，包括虚拟现实设备、PC控制主机、大数据分析平台和服务器；

所述服务器存储有供模拟调用的所有培训资料以及模型库，所述服务器通过网络交换机与PC端连接，所述大数据分析平台与服务器通信联接；

使用者佩戴虚拟现实设备并通过虚拟现实设备载入相应的模块，使用者通过选择进入不同的模式，完成相应的模拟操作；使用结束后，使用者的相关数据传输至大数据分析平台，可以对使用者的模拟操作情况进行智能分析，并给出分析结果。

特别地，所述虚拟现实设备包括头盔显示器、左手控制器、右手控制器，头盔显示器通过USB接口和/或DP接口连接PC端；左手控制器、右手控制器通过软件进行配对与头盔显示器进行通信联接。

特别地，使用者佩戴虚拟现实设备后自动加载学员端相应模块，包括在线学习、仿真实操、理论考核、个人中心模块。

特别地，所述在线学习模块包括涉及高压电力设备的各类技术资料；学员在PC端通过输入学号及自行设置的密码，进入培训系统后，通过在线学习模块以多种形式学习相关技术资料；所述仿真实操模块包括实操模拟训练子模块和实操模拟考试子模块，在选择相应的模式后，使用者通过选择具体的试验项目，借助头盔显示器进入与之相匹配的试验场景；并通过操作左、右控制器进行设备仪器操作，可选择进入模拟练习模块或模拟考试模拟，进行实际操作；所述理论考核模块包括理论模拟训练子模块和理论模拟考试子模块；使用者登录系统后，通过选择进入理论考试模块，完成相关模拟训练及模拟考试。

特别地，所述高压电力设备模型库包括：变压器、高压断路器、电压互感器、电流互感器、氧化锌避雷器、绝缘子；所述高压试验仪器模型库包括：绝缘电阻测试仪、高压开关动特性测试仪、高压试验变压器、变压器变比测试仪、变压器直流电阻测试仪、变压器空载及负载特性测试仪、回路电阻测试仪、介损测试仪。

特别地，所述个人中心模块内可以查询包括学员信息、模拟训练信息、考试成绩在内的信息。

特别地，所述模型库包括试验场景库、高压电力设备模型库、试验仪器模型库、测试线模型库；上述各模拟库是采用激光扫描仪分别对试验场景、高压电力设备、试验仪器进行三维激光扫描后建模，使学员通过头盔显示器中虚拟展现真实的试验环境，并通过控制器的操作，获取所需的试验场景、试验仪器及高压电力设备能够实现在虚拟环境中对试验仪器与高压电力设备测试之间的连接，及对试验仪器进行操作。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于虚拟现实的高压电力设备试验培训系统，其特征在于特别地，：所述大数据分析平台包括数据库、管理服务模块、数据处理和分析模块；所述数据库包括学员在线练习、仿真操作练习、模拟考试的数据和成绩及正式考试的数据、成绩；所述管理服务模块用于包括学员个人信息管理、考试数据及成绩的分类管理；所述数据处理和分析模块用于对学员在模拟中产生的各类数据和成绩采用高维随机矩阵的谱分析理论中的圆环律方法进行统计、分析，并对学员的培训及掌握情况进行智能分析，给出分析结果。

特别地，所述PC主机内设置有教师端，内置相应的控制模块，包括课件管理库、试题库、试卷库、学员管理库；所述课件管理库用于将学习资料、仿真模型库进行上传、编辑及管理。

本发明的有益效果是：

1、结合虚拟交互和3D可视技术实现高压设备试验的仿真培训，所构建的虚拟交互培训系统，能够解决因场地、安全和经费问题，高压设备试验操作训练难以开展的问题。

2、强化了虚拟交互操作响应控制模型的智能培训辅助功能，使系统能够对使用者的操作行为进行智能评判，并能进行合适说明和引导，解决了传统培训手段难以达到训练过程标准化和规范化的问题。

3、以学员理论知识答题和三维仿真电气试验系统模拟实操考核为评价依据，全面评估学员的电气试验理论与实践多方面的技能素养。系统在抽题、考试、收卷、判卷、成绩处理等全部考试环节均由计算机自动完成，减少人工干预，实现考试无纸化与自动化。

4、采用大数据统计方法，通过统计分析、关联分析、仪器操作学习等大规模海量的数据进行智能处理与分析，实现对学员掌握知识点的分析，为高压电气试验培训提供有力的数据支撑。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和前述的权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的系统架构示意图；

图2为本发明的学员端相应模块组成示意图；

图3为模拟库的模块组成示意图；

图4和图5分别为试验场景扫描后的点云图与还原后的场景效果图；

图6和图7分别为高压电力设备(变压器)扫描后的点云图与还原后的场景效果图；

图8为大数据分析平台的架构示意图；

图9为复平面上

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于虚拟现实(VR)的高压电力设备试验培训系统，包括虚拟现实设备、PC控制主机、大数据分析平台和服务器；PC控制主机和虚拟现实设备内置有教师端控制软件以及学员端控制软件。

服务器存储有供模拟调用的所有培训资料以及模型库，服务器通过网络交换机与PC端连接，可保证多个学员同时进行在线培训。大数据分析平台与服务器通信联接；使用者佩戴虚拟现实设备并通过虚拟现实设备载入相应的模块，使用者通过选择进入不同的模式，完成相应的模拟操作；使用结束后，使用者的相关数据传输至大数据分析平台，可以对使用者的模拟操作情况进行智能分析，并给出分析结果。

虚拟现实设备包括头盔显示器、左手控制器、右手控制器，头盔显示器通过USB接口和/ 或DP接口连接PC端；左手控制器、右手控制器通过软件进行配对与头盔显示器进行通信联接。

如图2所示，使用者佩戴虚拟现实设备后自动加载学员端相应模块，包括在线学习、仿真实操、理论考核、个人中心模块。

在线学习模块包括涉及高压电力设备的各类技术资料(具体包括高压电力设备试验作业指导书、电力系统相关高压电力设备试验规程、标准、高压电力设备试验原理及方法等)；学员在PC主机通过输入学号及自行设置的密码，进入培训系统后，通过在线学习模块以多种形式(包括视频、文档、PPT等形式)学习相关技术资料；仿真实操模块包括实操模拟训练子模块和实操模拟考试子模块，在选择相应的模式后，使用者通过选择具体的试验项目(本实施例中，仿真实操按照设备分类，包括变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、绝缘子六类)，借助头盔显示器进入与之相匹配的试验场景；并通过操作左、右控制器进行设备仪器操作，可选择进入模拟练习模块或模拟考试模拟，进行实际操作；理论考核模块包括理论模拟训练子模块和理论模拟考试子模块；使用者登录系统后，通过选择进入理论考试模块，完成相关模拟训练及模拟考试。

个人中心模块内可以查询包括学员信息、模拟训练信息、考试成绩在内的信息。其中，学员信息在学员入学时由教师在后台管理系统中录入，包括学号、姓名、性别、班级、单位名称、年龄、职称、所学专业等基础信息；模拟训练信息包括学习内容、模拟训练内容、学习及模拟训练时长等信息；考试成绩包括学员入学后，所有关于高压电力设备试验内容的考试成绩；

如图3所示，模型库包括试验场景库、高压电力设备模型库、试验仪器模型库、测试线模型库；上述各模拟库是采用激光扫描仪分别对试验场景、高压电力设备、试验仪器进行三维激光扫描后建模，使学员通过头盔显示器中虚拟展现真实的试验环境，并通过控制器的操作，获取所需的试验场景、试验仪器及高压电力设备能够实现在虚拟环境中对试验仪器与高压电力设备测试之间的连接，及对试验仪器进行操作。高压电力设备模型库包括：变压器、高压断路器、电压互感器、电流互感器、氧化锌避雷器、绝缘子；所述高压试验仪器模型库包括：绝缘电阻测试仪、高压开关动特性测试仪、高压试验变压器、变压器变比测试仪、变压器直流电阻测试仪、变压器空载及负载特性测试仪、回路电阻测试仪、介损测试仪。图4和图5分别为试验场景扫描后的点云图与还原后的场景效果图；图6和图7分别为高压电力设备(变压器)扫描后的点云图与还原后的场景效果图。

如图8所示，大数据分析平台包括数据库、管理服务模块、数据处理和分析模块；所述数据库包括学员在线练习、仿真操作练习、模拟考试的数据和成绩及正式考试的数据、成绩；所述管理服务模块用于包括学员个人信息管理、考试数据及成绩的分类管理；所述数据处理和分析模块用于对学员的在线练习、仿真操作练习、模拟考试的数据和成绩及正式考试的数据、成绩等数据采用高维随机矩阵的谱分析理论中的圆环律方法进行统计、分析，对学员的培训及掌握情况进行智能分析，并给出分析结果。圆环律(RingLaw)是统计学重要的研究成果之一，其主要是分析Hermitian矩阵的关联性。

圆环律定义：当N→∞、n→∞，行列比保持不变，且c＝N/n≤1时，标准矩阵积矩阵

在复平面上，若所研究的系统趋于稳定，则

本实施例中，PC主机内设置有教师端控制软件，包括课件管理库、试题库、试卷库和学员管理库；课件管理库用于将学习资料、仿真模型库进行上传、编辑及管理。

试题库包含多道高压电力设备试验仿真实操题；试卷库包含多道高压电力设备理论考试题；学员管理库由教师管理学员信息，教师可根据学员的专业、年级对学员进行划分为不同小组；教师可根据实际情况设定组卷出题策略，学员通过系统功能进入理论考试模块后，系统按照组卷策略在试卷管理模块中调取设定数量的考题；组卷分为初、中、高三个等级，本实施例中，系统默认初级占60％，中级占30％，高级占10％；教师可根据实际情况更改三个等级的占比；

本实施例中的教师端和学员端控制软件的应用程序包括了PC Windows应用程序和 VR应用程序。

(1)PC Windows

PC windows应用程序直接运行在PC控制主机的windows操作系统中，使用者通过键盘和鼠标进行人机交互。

(2)VR应用程序

VR应用程序直接运行在PC控制主机的Windows操作系统中，教师端通过键盘和鼠标进行人机交互，学员端系统通过VR设备HTC Vive头显来进行界面显示，通过手柄进行沉浸式人机交互。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。