一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法技术

一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，登陆进入教师电脑系统主界面后，首先通过地形地貌功能模块，在指令控制下，教师电脑系统随机生成地形图；在学生电脑系统，进入杆塔线路搭建功能模块，杆塔线路搭建功能模块用于进行塔位选择、档距配置、杆塔塔型选用；在学生电脑系统，进入线路校验模板，线路校验模板用于杆塔使用条件校验、架空线运行条件校验、绝缘子串强度和倒挂检查、对跨越物及对地限距的校验；在学生电脑系统通过技术手段进行三维人工建模绘制，建设完整线路三维模型，将完整线路三维模型数据导入VR系统中。本发明专利技术将VR技术结合到输电线路设计教学中，能有效提高教学效率，学生接受程度良好；同时能最大限度实现对现有输电线路工程中各项参数的再现，便于工程技术人员现场实施对应的工程技术方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法
本专利技术涉及一种教学仿真系统，具体是一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法。
技术介绍
架空输电线路主要由导线、地线、绝缘子串、线路金具、杆塔和拉线、基础以及接地装置等部分组成，它分布广泛，尺寸多样，施工建设环境复杂等特点，课堂口头讲授效果不理想。为了改善输电线路设计实验教学的现状，全面提高学生的线路设计能力，在电脑上模拟架空输电线路建设是未来输电线路设计课程的重要环节。VR技术是一项新兴信息技术，能够实现对现场实况较为完整地进行复制，通过计算机网络、人机交换、仿真模拟和立体显示等技术进行集中展示，能使用户在电脑上预先了解现场空间布局，有很强的真实性和模拟性。将VR技术应用到输电线路设计中，可提供一个三维图形用户界面，给学生提供各种直观而又自然的实时感官交互手段，将此项技术应用到仿真培训中，可以最大限度地方便老师和学生操作，直观化的感受、提高学习效率。
技术实现思路
本专利技术一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，将VR技术结合到输电线路设计教学中，能有效提高教学效率，学生接受程度良好；同时能最大限度实现对现有输电线路工程中各项参数的再现，便于工程技术人员现场实施对应的工程技术方案。本专利技术采取的技术方案为：一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，包括：步骤1：登陆进入教师电脑系统主界面后，首先通过地形地貌功能模块，在指令控制下，教师电脑系统随机生成地形图，所述地形图能够进行修改，增减山河、树木、房屋、铁路、公路、高压线等元素；教师通过地形地貌功能模块设计好地形图后，由局域网传输给课堂上的学生电脑系统中，以便学生统一使用该地形图；步骤2：在学生电脑系统，进入杆塔线路搭建功能模块，杆塔线路搭建功能模块用于进行塔位选择、档距配置、杆塔塔型选用；在选定的地形图下，人为的选定线路路径，进行定线、平断面测量，用弧垂曲线模板在线路勘测所取得的平断面图上，排定杆塔位置；步骤3：在学生电脑系统，进入线路校验模板，线路校验模板用于杆塔使用条件校验、架空线运行条件校验、绝缘子串强度和倒挂检查、对跨越物及对地限距的校验；在初步排定杆塔位置、型式和呼称高度后，在不同的气象条件下，对线路的使用条件进行全面检查和校验，以保证各使用条件在规定的允许范围内；步骤4：在学生电脑系统通过技术手段进行三维人工建模绘制，建设完整线路三维模型，将完整线路三维模型数据导入VR系统中，并对VR系统的设备感应进行联调，呈现出现实的虚拟效果。系统通过建立对应现实世界中的三维模型，以及数学模型的描述，在电脑中实现符合教学实际情况的完整操作维护流程。主要以下面一些IT技术为核心：网络技术、flash应用和三维表现。在VR中，可以模拟一些突发的人为或自然灾害，来仿真出对输电线路的破坏后果。步骤5：将经过校验后的输电线路虚拟模型，通过接口，导入到诸如ansoft，ansys等软件计算其塔线的受力情况，也可导入到ansoft，JMAG，EasiMotor等软件计算线路，绝缘子，金具周围的电磁场情况，这些计算出来的数据均可以为工程技术人员提供安全保障。步骤6：在最终的输电线路虚拟地形图上，自动统计出总共所用的工程物资型号和数量，用来人工估算工程造价，便于决定是否采纳此种设计图。本专利技术一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，技术效果如下：1)：与实际工程环境的一致性：能通过VR设备对虚拟的物资材料进行安装，其施工准备、安装步骤、安全规范等与实际工作一致。2)：能进行原理、实操、维修、任务式教学和训练通过原理教学模块可完成原理教学、资料查询等功能，通过实操训练模块可对虚拟装备的拆装训练，达到完成工程设计的目标。3)：能进行操作管理能进行训练管理，记录教学、自学和训练的时间、内容、人员等信息。4)：能进行考核评估能对学生进行施工规范、安装流程、专业技能、理论知识、设计能力等方面的考核。附图说明图1为输电线路设计三维效果图。图2为最大弧垂模板排定直线杆塔位示意图。图3为悬垂串风偏受力示意图。图4为摇摆脚临界图。图5为冷线模板检查上拔示意图。图6为上拔临界直线图。图7为悬挂点应力临界曲线图。图8为耐张绝缘子串倒挂临界曲线图。图9为交叉跨越距离示意图。图10为边线风偏后对地距离示意图。图11为放大磁力线分布图。图12为相磁场强度分布图。图13为矩形测量路径上磁感应强度曲线图。具体实施方式一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其中，输电线路设计三维效果图如图1所示，具体仿真系统的仿真方法步骤如下：步骤1：老师登陆教师电脑系统，在主界面里选择地形地貌按钮，可以自动生成地形图，在地形图上可做适当修改，增减山河、树木、房屋、铁路、公路、高压线等，然后由内网传给学生电脑系统，学生点击地形地貌按钮，得到老师发来的地形图并保存，作为下一个步骤中调用。步骤2：学生选择杆塔线路搭建功能模块，调出步骤1中的地形图，在地形图上先选线，选线中系统会自动规范转角点，跨河点，山区路径，覆冰区路径，居民区和厂库房附近路径，跨越、接近弱电线路，接近无线电台，线路出入变电站下的走向。在选定的线路路径上，进行定线、平断面测量，在平断面图上合理配置杆塔位置。具体的内容和步骤有：一是确定转角杆塔和耐张杆塔位，二是用弧垂曲线模板排定直线杆塔位。一、确定转角杆塔和耐张杆塔位：在确定转角杆塔和耐张杆塔位时，我们首先可以确定的是在线路转角处必须安排一转角杆塔，然后根据各类交叉跨越物的类别、耐张段长度的规定等，确定出需要设立耐张杆塔的地点。二、用弧垂曲线模板排定直线杆塔位：(1)、用弧垂曲线模板排定直线杆塔位，针对待定耐张段，根据地形及常用杆塔的排位经验，估计待定耐张段的档距，计算或查得相应模板K值，初选最大弧垂曲线模板，然后确定杆塔定位高度Hd(Hd＝H-d-λ-h-δ；它们依次是：杆塔的呼称高度、导线的对地安全距离、悬垂绝缘子串长度、杆塔的施工基面高度、误差限距裕度)。(2)、对每一耐张段自耐张杆塔位点A点起进行排位，如图2所示。左右平移模板，使所选用的模板曲线经过点B，(AB为耐张杆塔的定位高度Hd1)，且和地面相切，然后再模板曲线右侧找到点C，使CD等于所用直线杆塔的定位高度Hd2，则C点即为所排的第一直线杆塔的位置。再向右平移模板，使模板曲线经过D点，且和地面相切，再在模板曲线上找出E点，使EF等于E点所用杆塔的定位高度Hd3，此时E点即为第二直线杆塔的位置。同样的方法，依次排完整个耐张段。(3)根据所排的杆塔位置，算得该耐张段的代表档距，查取或计算出导线应力，再求出模板K值，检查就、计算所得的K值是否与所用模板K值相符(或接近)。如果相符，则表明模板选的恰当，该段杆塔位置即初步排妥。否则应按计算所得的K值再选模板，重新排位，直到前后两次模板K值相符为止。步骤3，学生进行线路校验，在步骤2中设计好的杆塔线路的基础上，应对线路的使用条件进行全面检查和校验，以保证各使用条件在规定的允许范围内。其中，杆塔使用条件校验包括：杆塔荷载校验，杆塔最大档距校验，悬垂绝缘子串风偏角校验，直线杆塔的上拔校验；架空线运行条件校验包括：架空线悬挂点应力校验，架空线悬垂角校验；绝缘子串强度和倒挂检查包括：绝缘子串强度检查，耐张绝缘子串倒挂检查；对跨越物及对地限距的校验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤1：登陆进入教师电脑系统主界面后，首先通过地形地貌功能模块，在指令控制下，教师电脑系统随机生成地形图，所述地形图能够进行修改，增减山河、树木、房屋、铁路、公路、高压线等元素；教师通过地形地貌功能模块设计好地形图后，由局域网传输给课堂上的学生电脑系统中，以便学生统一使用该地形图；步骤2：在学生电脑系统，进入杆塔线路搭建功能模块，杆塔线路搭建功能模块用于进行塔位选择、档距配置、杆塔塔型选用；在选定的地形图下，人为的选定线路路径，进行定线、平断面测量，用弧垂曲线模板在线路勘测所取得的平断面图上，排定杆塔位置；步骤3：在学生电脑系统，进入线路校验模板，线路校验模板用于杆塔使用条件校验、架空线运行条件校验、绝缘子串强度和倒挂检查、对跨越物及对地限距的校验；在初步排定杆塔位置、型式和呼称高度后，在不同的气象条件下，对线路的使用条件进行全面检查和校验，以保证各使用条件在规定的允许范围内；步骤4：在学生电脑系统通过技术手段进行三维人工建模绘制，建设完整线路三维模型，将完整线路三维模型数据导入VR系统中，并对VR系统的设备感应进行联调，呈现出现实的虚拟效果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤1：登陆进入教师电脑系统主界面后，首先通过地形地貌功能模块，在指令控制下，教师电脑系统随机生成地形图，所述地形图能够进行修改，增减山河、树木、房屋、铁路、公路、高压线等元素；教师通过地形地貌功能模块设计好地形图后，由局域网传输给课堂上的学生电脑系统中，以便学生统一使用该地形图；步骤2：在学生电脑系统，进入杆塔线路搭建功能模块，杆塔线路搭建功能模块用于进行塔位选择、档距配置、杆塔塔型选用；在选定的地形图下，人为的选定线路路径，进行定线、平断面测量，用弧垂曲线模板在线路勘测所取得的平断面图上，排定杆塔位置；步骤3：在学生电脑系统，进入线路校验模板，线路校验模板用于杆塔使用条件校验、架空线运行条件校验、绝缘子串强度和倒挂检查、对跨越物及对地限距的校验；在初步排定杆塔位置、型式和呼称高度后，在不同的气象条件下，对线路的使用条件进行全面检查和校验，以保证各使用条件在规定的允许范围内；步骤4：在学生电脑系统通过技术手段进行三维人工建模绘制，建设完整线路三维模型，将完整线路三维模型数据导入VR系统中，并对VR系统的设备感应进行联调，呈现出现实的虚拟效果。2.根据权利要求1所述一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤4后还包括：步骤5：将经过校验后的输电线路虚拟模型，通过接口，导入到诸如ansoft，ansys等软件计算其塔线的受力情况，也可导入到ansoft，JMAG，EasiMotor等软件计算线路，绝缘子，金具周围的电磁场情况，这些计算出来的数据均可以为工程技术人员提供安全保障；步骤6：在最终的输电线路虚拟地形图上，自动统计出总共所用的工程物资型号和数量，用来人工估算工程造价，便于决定是否采纳此种设计图。3.根据权利要求1所述一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤2中包括：一.确定转角杆塔和耐张杆塔位：在确定转角杆塔和耐张杆塔位时，首先可以确定的是在线路转角处必须安排一转角杆塔，然后根据各类交叉跨越物的类别、耐张段长度的规定，确定出需要设立耐张杆塔的地点；二.用弧垂曲线模板排定直线杆塔位：(1)、用弧垂曲线模板排定直线杆塔位，针对待定耐张段，根据地形及常用杆塔的排位经验，估计待定耐张段的档距，计算或查得相应模板K值，初选最大弧垂曲线模板，然后确定杆塔定位高度Hd，Hd＝H-d-λ-h-δ；它们依次是：杆塔的呼称高度、导线的对地安全距离、悬垂绝缘子串长度、杆塔的施工基面高度、误差限距裕度；(2)、对每一耐张段自耐张杆塔位点A点起进行排位，左右平移模板，使所选用的模板曲线经过点B，AB为耐张杆塔的定位高度Hd1，且和地面相切，然后再模板曲线右侧找到点C，使CD等于所用直线杆塔的定位高度Hd2，则C点即为所排的第一直线杆塔的位置；再向右平移模板，使模板曲线经过D点，且和地面相切，再在模板曲线上找出E点，使EF等于E点所用杆塔的定位高度Hd3，此时E点即为第二直线杆塔的位置，同样的方法，依次排完整个耐张段；(3)根据所排的杆塔位置，算得该耐张段的代表档距，查取或计算出导线应力，再求出模板K值，检查就、计算所得的K值是否与所用模板K值相符或接近，如果相符，则表明模板选的恰当，该段杆塔位置即初步排妥；否则应按计算所得的K值再选模板，重新排位，直到前后两次模板K值相符为止。4.根据权利要求1所述一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤3中，学生进行线路校验，在步骤2中设计好的杆塔线路的基础上，应对线路的使用条件进行全面检查和校验，以保证各使用条件在规定的允许范围内；其中，杆塔使用条件校验包括：杆塔荷载校验，杆塔最大档距校验，悬垂绝缘子串风偏角校验，直线杆塔的上拔校验；架空线运行条件校验包括：架空线悬挂点应力校验，架空线悬垂角校验；绝缘子串强度和倒挂检查包括：绝缘子串强度检查，耐张绝缘子串倒挂检查；对跨越物及对地限距的校验包括：交叉跨越限距的校验，边线风偏后对地距离的校验。5.根据权利要求1所述一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤4，若在步骤3中出现校验后，不合格的部分，可返回步骤2继续修改错误的提示部分，然后反复校验直到合格为止，这样就完成了一项输电线路虚拟设计。6.根据权利要求1所述一种基于VR技术的输电线路设计教学仿真方法，其特征在于：步骤5，然后把步骤4中的成果，导入到VR中观察，并模拟河水上涨，树木升高，交通意外等突然事件，来动态的观察输电线路设计成果的动态变化过程，或者将成果由接口导入到其它软件中，继续计算塔线受力和部件周围的电磁场数值，进行其它科学研究；同时能够统计出虚拟设计中工程物资的信息。7.一种杆塔使用条件校验方法，其特征在于：包括杆塔荷载校验，杆塔最大档距校验，悬垂绝缘子串风偏角校验，直线杆塔的上拔校验；杆塔荷载校验：杆塔荷载校验是检验杆塔所受荷载是否在允许值范围内，既要球水平档距、垂直档距、最大档距、转角角度不应超过杆塔相应的设计允许值；(1)水平档距校验：定位后，杆塔的水平档距是可直接从断面图上量得的；大高差时，应量取两档悬挂点连线的平均值；若实际水平档距超过杆塔设计允许值，则应调整杆塔位置或换用强度大的杆塔；(2)垂直档距校验：杆塔的垂直档距也可以在定位图上直接量得，但需要注意量得的是最大弧垂时的数值；此值接近或超过杆塔设计条件时，应换算成杆塔设计气象条件(如大风、覆冰)下的数值，换算后的垂直档距值不应超过设计条件；(3)转角角度校验：转角杆塔的转角角度略超过设计值时，应校验杆塔的强度，必要时更换杆塔；(4)不平衡张力校验：架空输电线路在正常运行时，可能会出现耐张段中各档距长度、高度差悬殊、覆冰不均等引起各档张力不等的现象，致使直线杆塔承受较大的不平衡张力，此时，应予以...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄力，石青松，覃乔，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42