高压电气试验在线仿真教学系统的研究

陈作栋 林建军 陈群 王锦坤 郭清彬

摘  要：针对现行高压电气试验培训过程试验种类较少、安全风险大、教学效率低下的现状，本文讨论仿真在电力教学和培训中的优势和基于计算机虚拟现实技术，利用三维建模创建合理真实的试验设备和环境，利用多媒体技术开发完成教员管理平台，实现学员管理、试验管理和考试管理等在线管理功能，研究仿真教学系统的设计目标、设计原则、技术应用、功能特点。

关键词：高电压试验  三维建模  多媒体技术  教员管理平台

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0067-03

Research on Online Simulation Teaching System of High Voltage Electrical Test

CHEN Zuodong   LIN Jianjun   CHEN Qun   WANG Jinkun  GUO Qingbin

（Fujian Electric Power Technical College， Quanzhou， Fujian Province， 362000  China）

Abstract： In view of the current situation that there are few test types， high safety risks and low teaching efficiency in the current high-voltage electrical test and training process. This paper discusses the advantages of simulation in power teaching and training. Based on computer virtual reality technology， it uses three-dimensional modeling to create reasonable and real test equipment and environment， and uses multimedia technology to develop and complete the instructor management platform to realize student management online management functions such as test management and examination management， and study the design objectives， design principles， technical application and functional characteristics of the simulation teaching system.

Key Words： High-voltage test; 3D modeling; Multimedia technology; Instructor management platform

高压电气试验就是对电气设备进行绝缘预防性的试验，是保证电力系统正常运行的一项重要工作，同时在电气设备监督工作中也占有非常重要的地位。电气试验的工作就是考核电气设备的绝缘情况及电气的参数是否同负荷标准、是否能适应系统的安全运行，对于电力系统的发展有着极其重要的推动作用[1]。

如果受投入资金限制，那么势必会造成可培训的试验种类内容的不足，难以达到所期望的培训效果。另外，受制于培训场地条件，无法模拟设备所处的真实作业背景和设备的缺陷类型，这也会对培训教学或者技能考核结果造成偏差影响，从而无法做到“培训现场就是生产现场”[2-3]。

1  系统基本体系

该在线仿真教学系统包含两大部分，分别是教学管理平台和仿真模块。教学管理平台包含教员功能、在线考试考核、在线理论知识学习3个模块，实现学员管理、课件资源管理和试验管理、考试管理等功能。仿真模块可实现对仿真试验的查询、管理、收藏，并进行仿真试验内容的选择、练习、考核等。

将高压电气试验在线仿真教学系统部署在服务器端，搭建在局域网里，用户通过客户机访问服务器，实现系统的各个功能。当用户从客户端登录系统时，系统先判断用户的角色，用户角色如果是学员，系统将提供在线学习模块、考试考核模块和仿真模块;用户角色如果是教员，系统将提供在线学习模块、考试考核模块、仿真模块和教员管理模块[4]。

1.1 设计目标

本文设计的高压电气试验在线仿真教学系统旨在进一步提升高压电气试验培训教学的质量，借助三维建模软件和交互软件实现高压电气试验内容和试验背景的多样性，降低高压电气试验培训教学的安全风险，借助多媒体技术开发教员管理平台，实现多工位教学培训和考核考试功能，提升培训教学的灵活性，减轻教学培训人员的工作负担，提升教学效率。

1.2 设计标准

本系统设計在遵循电气试验培训相关标准的情况下，应充分考虑系统的可靠性、实用性，同时兼顾系统的先进性、兼容性、可扩展性。可靠性：在软件、硬件的选择方面，本系统应采用相对稳定、成熟的技术产品，实现系统在长时间的运行中或在规定的运行工况下，保证系统数据的正确性，教学管理平台和仿真模块界面正常操作，稳定地完成仿真试验全过程，不会错误启动或自启动使用人员未触发的无关内容[5]。实用性：满足电气试验的作业规范，能较为逼真地再现电气试验作业的全过程，使学员有身临其境之感，操作灵活方便，教师能对培训教学进行必要的培训控制，不再需要对学员进行安全监护，提高教学效率。先进性：在满足可靠性和实用性的前提下，尽可能采用先进的开发技术，减少研制时间，提升研制效率。扩展性：使用开放的技术框架和设计思想，降低系统模块之间的依赖和耦合，当系统增加新功能或接入新软件时，能良好响应需求或良好接入，不需要对现有系统结构或代码进行修改。兼容性：系统软件与计算机操作系统常用软件运行时，不会造成其他软件运行错误或软件本身无法正常运行，降低系统与所处操作系统的相关性，使得该系统在移植至不同操作系统时不需要对软件进行重新开发或做较大改动。

2  系统采用的技术

2.1 三维建模技术

运用基于点云扫描的3ds Max建模方法。3ds Max是由AutoDesk推出的专业建模软件，拥有完善的交互式建模引擎，具备丰富的编辑工具，是目前使用最为广泛的手动建模工具。另外，3ds Max提供3ds Max SDK用于创建扩展应用的面向对象的开发平台，可以支持C++以及多种脚本语言可供插件开发。通过3ds Max进行点云建模，需要先用车载或机载激光雷达对电气设备扫描得到点云数据，点云数据精确物体捕捉，能为精准建模提供有力的保障。但由于三维建模软件对于激光点云数据的承载能力有限，因此利用点云处理软件对点云数据进行预处理，减少点云的加载量。

之后用Autodesk Recap将点云数据转换为*.rcs 或*.rcp格式，然后即可导入软件中进行使用，对点云数据截取，开启捕捉功能，参照点云数据，来实现逆向建模。导入软件后，可进行多种显示模式设置，通过设定，能够灵活地选择更加适合人机交互的视图效果，以便于建模人员进行三维建模操作。调整好点云的显示效果后，利用软件的点云切片工具，对需要建模应用部分的点云数据进行截取，进行所需角度的切片，得到自己想要使用的部分。利用角点提取和局部拟合面片，帮助建模人员精确拾取特征角点，并跟踪用户的特征线的绘制过程，自动定位到精确的特征线，当进行测点时，提取相应特征点修正模型测点，当进行测线，提取相应特征线修正模型测线，以此完成电气设备轮廓的绘制，并提升电气设备模型建模的精细程度和效率[6-7]。

2.2 运用B/S网页结构开发教员管理平台模块

B/S架构也称之为浏览器/服务器体系结构，这种架构将整个平台分为表现层、业务逻辑层、数据访问层共3层，体现了“高内聚、低耦合”的设计思想。在这种架构下，用户工作界面即可通过浏览器访问登录，而系统的极少部分的事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中在服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。

这种架构在处理模式上大大简化了客户端，用户计算机上只需要安装一个浏览器，大大减轻了用户的计算机负荷，而将应用逻辑集中在服务器和中间件上，可以提高数据的处理性能。在软件的通用性上，B/S架构具有更好的通用性，对应用环境的依赖性较小，且用户计算机基本只使用浏览器，在开发维护上也更加方便，减少了系统开发和维护的成本。在进行系统维护的时候，不需要对实训室内的电脑进行与本系统有关的维护，只需要对服务器进行管理维护即可。增加分支机构时也不会有跟该系统有关的维护升级的工作量，所有操作只需针对服务器。通过改变网頁，即可实现所有客户端计算机的同步更新。功能扩展简单方便，可以通过增加网页即可增加服务器功能，通过使用既定的模式和方法，根据培训教学需求增加网页即可完善系统的功能模块，提升学员的用户体验，提升培训教学效率。

3  系统功能与特点

用户计算机的浏览器就是培训系统的入口，用户通过登录网页进入教员管理平台模块，登录网页可看到登录页面，教师和学员登录进去的界面内容不同，学员界面有在线学习、仿真电气试验、考试考核功能，教师除了以上三大功能外还有系统管理功能。

登录进入系统后，可以在“个人中心”看到“个人信息、我的考试、收藏、学习记录、仿真练习记录、考试记录”等功能;在“个人信息”里有姓名、班级、单位、岗位、角色等简要信息;在“我的考试”里可以看到相关考试信息;在“考试记录”里有已通过考核和未通过考核的信息。

点击在线学习进入在线学习功能，学员可通过课件搜索或者课件分类进入课件学习，课件学习内包含视频学习和文档学习。该模块下有各个电气试验的理论知识和标准化作业流程视频课件，内容主要包含理论知识、基本试验方法、测试仪器的基本原理、选择和使用方法、试验接线、数据分析、试验标准化作业流程等。

教师进入系统管理功能可以对学员进行考试项目维护、管理学员账号、查看用户使用情况等操作。在该模块首页面下，有人员信息管理、系统设置、用户使用情况管理、课件管理、教师前端等子功能。人员信息管理内可增加和删减系统内的学员用户。在用户使用情况管理子功能对系统内学员的课件学习情况和仿真记录进行监视。在课件管理子功能下对电气试验课件进行删减和修改。在教师前端子功能有试卷模板管理、题库管理子功能。

考试考核功能分为学员端和教师端，学员端的考试考核功能下有模拟练习、在线考试、成绩查询等功能，而教师端的考试考核模块下有考生分组、考试日期、考试时长、考试管理、成绩分析等功能。

点击仿真电气试验进入仿真功能，在该功能下通过试验搜索和试验分类进入所需要的仿真项目，仿真项目以设备为主，提供了试验选择功能、工器具选择功能、试验操作功能。同一个设备有不同的试验项目，比如断路器，有交流耐压试验、回路电阻测试、机械特性测试等试验，试验选择功能让学员根据需要选择相应试验。对于不同设备试验进行相应的安全工器具选择，促进学员对于安全工器具的类型、检验和使用方法等知识的学习和掌握。通过试验操作功能进入仿真模块，在仿真模块内的仿真试验场景里可以看到设备的运行状态，并根据电气试验作业流程进行电气试验操作。

4  结语

仿真模块采用基于点云扫描的三维建模，利用激光扫描，精准捕捉电气设备，保障模型的精确度，提升了建模效率，丰富被试设备的模型数据库，确保试验项目的多样性。采用B/S三层架构对教学管理平台进行开发，系统维护简便和客户端只需通过浏览器访问系统的模式，大大降低了系统硬件成本，并摆脱培训教学工位少的问题，而可扩展性能丰富教学管理平台的功能，使电气试验培训教学可灵活选择时间、项目、种类和进行考核，减少教辅人员的投入，实现培训教学过程可记录，形成良好的培训教学过程管控。后续将对教员管理平台功能的丰富性和仿真模块试验操作过程中的接线等动作、设备状态、故障信号等内容进行持续探索，让高压电气试验培训教学与“培训现场就是生产现场”的目标越来越接近。

参考文献

[1] 苏勋文，王笃亭，朱显辉.基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践[J].江苏理工学院学报，2016，22（4）：90-93.

[2] 陈丽霞，李敏.虚拟仿真技术在电气类实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2018（7）：49-50，54.

[3] 代克杰.仿真技术在电气类专业实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2006（12）：58-60.

[4] 陈艳雷，惠延波，冯兰芳，等.三维扫描技术在3ds Max建模中的应用探究[J].制造业自动化， 2017，5（39）：142-144.

[5] 龙丽娟，夏永华，黄德.一种基于三维激光扫描点云数据的变电站快速建模方法[J].激光与光电子学进展，2020，57（20）：361-370.

[6] 陈亮.集成电路的多物理场建模仿真技术研究[D].上海：上海交通大学，2020.

[7] 刘梓炜.基于B/S架构的ATS仿真系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2018.