基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法技术

一种基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法，可提高电力培训仿真运行支撑平台(RTI)实时性，利用该方法对多个学员进行作业协同培训时，通过增强学员对体现场景的沉浸感和增强学员的协同工作能力，达到对电力生产保障能力的提升。包括以下步骤：步骤1：构建基于虚拟现实技术的交互培训系统，络交换机，选用高速以太网组网，采用虚拟现实头盔和立体弧幕投影两种沉浸式立体显示方式；选用CSCW组播技术使仿真工作站实时通信；用CSCW组播技术来扩展仿真工作站RTI；学员分别以监护员、操作员、负责人的角色交互，完全按照变电站实际运行的工作流程，协同完成一个任务。

Immersive Power Training Collaboration Method Based on Computer Cooperative Work

A collaborative immersion power training method based on computer cooperative work can improve the real-time performance of the simulation operation support platform (RTI) for power training. When using this method to train multiple trainees, the ability of power production support can be improved by enhancing the immersion of the trainees in the scene and enhancing the cooperative work ability of the trainees. It includes the following steps: step 1: build an interactive training system based on virtual reality technology, network switch, high-speed Ethernet networking, virtual reality helmet and stereo arc curtain projection immersion stereo display mode; select CSCW multicast technology to enable real-time communication of simulation workstation; use CSCW multicast technology to expand RTI of simulation workstation; trainees use guardian, operation respectively. The roles of personnel and responsible persons interact, and complete a task in accordance with the actual operation of the substation.

【技术实现步骤摘要】
基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法
本专利技术涉及电力系统仿真培训领域，尤其涉及一种基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法。
技术介绍
电力培训仿真涉及到很多电力设备，不仅包括电网仿真、电力一次设备仿真，还包括电力二次设备及气象和环境等的仿真。其中的变电站仿真培训系统着重于对变电站运行人员的培训，主要采用桌面式虚拟现实模拟一次设备操作、二维接线图模拟电网操作。电力系统仿真培训已从单机单人培训发展到了多人协作培训的新阶段，需要采用大规模的分布交互可视化仿真技术来支撑电力系统仿真培训。其中分布交互仿真技术以IEEE的高层体系架构(HighLevelArchitecture,HLA)标准为基础；可视化仿真技术以虚拟现实(VR)技术为基础，且要达到虚拟现实的沉浸式实时渲染，至少要保证图形的刷新频率不低于60帧/秒，故为了达到三维场景的实时显示效果需要采用实时通讯技术，且沉浸式的可视化效果对HLA的实现提出了实时通讯的要求。HLA具有灵活性、可扩充性、可重用性、时空一致性、可伸缩性等特点，已成为国际分布交互仿真的标准。为达到HLA标准所具有的灵活性、可扩充性、可重用性、时空一致性、可伸缩性等特性，在运行支撑(RTI)软件实施时降低了仿真各成员间数据交互的速度。采用虚拟现实技术的电力联合培训仿真需要学员能沉浸于统一的协同仿真环境中，在运动逼真度上传统的插值技术不如成员实时上传技术，这就需要高层体系架构和运行支撑(HLA/RTI)在保证仿真时空一致性的基础上保证网络通信的实时性。实时RTI的开发技术在高性能仿真领域作了许多研究，通过共享内存技术来提高RTI的实时通信性能，在多核服务器上取得了很好的效果。通过在服务器间构建Infiniband网络，并采用直接内存访问(RDMA，RemoteDirectMemoryAccess)通信机制对RTI进行优化，在Infiniband网络环境下取得了很好的实时性，并且针对大数据包传输的实时性更显突出。实时RTI是当前分布交互仿真平台的一个研究热点，当前的研究都将RTI的底层通信代码进行了替换，将基于TCP/IP的网络通信换成了共享内存或内存映射等，但电力联合训练仿真是在基于TCP/IP的局域网环境下培训学员。通过局域网将多台变电设备、多个虚拟现实(VR)头盔和电网计算服务器等相连。每个变电站设备和电网计算程序各自构成HLA的联邦成员，同时每个带VR头盔的培训人员和教师各自构成联邦成员。在电力培训仿真中，对多人共同参与的设备检修作业进行仿真时，每个学员在自己的培训计算机上都显示出同一检修场景，这就要求各参与学员能在自己的培训计算机上与他人协同工作，数据交互越快越能在学员机上体现真实的协同；同时在采用虚拟现实技术后，学员在检修场景的每个动作都需要实时交互，数据交互越快越能增强学员对体现场景的沉浸感。故作为电力培训仿真的运行支撑平台(RTI)需要提高其数据交互的实时性。当前电网变电站培训中的协同技术采用的是分布式交互仿真标准HLA(高层体系架构)，用HLA来保证仿真培训的时空一致性。但在采用虚拟现实技术的联合培训仿真需要成员能沉浸于统一的协同仿真环境中，在运动逼真度上传统的插值技术不如成员实时上传技术，这就需要高层体系架构和运行支撑(HLA/RTI)在保证仿真时空一致性的基础上保证网络通信的实时性。从而为员工既提供一种具有沉浸感、交互性的身临其境的安全培训场景，又确保了按电网事件的正确处理逻辑来培训。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法，可提高电力培训仿真运行支撑平台(RTI)实时性，利用该方法对多个学员进行作业协同培训时，通过增强学员对体现场景的沉浸感和增强学员的协同工作能力，达到对电力生产保障能力的提升。本专利技术的技术方案包括以下步骤：步骤1：构建基于虚拟现实技术的交互培训系统基于虚拟现实技术的交互培训系统，包括立体弧幕、图像虚拟现实头盔、动作捕捉器、位置跟踪器、仿真工作站、主工作站和网络交换机，选用高速以太网组网，采用1GbE的网卡和网线来构建高速以太网，其两个节点间单向传输512字节包的速度是75微秒；采用虚拟现实头盔和立体弧幕投影两种沉浸式立体显示方式；主工作站用来供教员进行虚拟操作，并将视频信号传送到融合机并通过6台投影输出到大型立体弧幕上；仿真工作站通过数据线连接动作捕捉器，实时获取操作人和监护人人体的动作捕捉数据并驱动虚拟人与虚拟场景的设备实现交互操作；主工作站通过负责人佩戴3D眼镜的方式，沉浸式地体验变电站一二次设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，进行变电站设备虚拟巡视、检查、漫游、操作及事故案例处理过程；动作捕捉器实时获取学员运动关键位置的空间坐标和运动姿态数据，并实时将数据传送给网络中的仿真工作站，以更新虚拟人物角色相应的关节旋转角度，从而实现虚拟人物的控制和场景交互操作；图像虚拟现实头盔配套位置跟踪器，通过实时追踪头盔上的位置感应点，实时获取头盔的空间位置和方位并传送给网络中的仿真工作站，来实时更新头盔内显示的三维影像和大型弧幕上的仿真场景；步骤2：选用CSCW组播技术使仿真工作站实时通信采用CSCW的终端组播方式，由HLA的时间管理来解决CSCW所面对的并发问题，培训仿真中所用的CSCW组播通信仅完成HLA的非受控受限的消息的收发，扩展的RTI的通信方式：其中心方框代表RTI的服务进程，四周圆圈代表被联邦成员所调用的libRTI线程；一侧星型拓扑保留HLA/RTI所有六大类服务的功能，而另一侧新增四个联邦成员间的网状通信拓扑(Mesh)实现了CSCW的终端组播功能，用于联邦成员间交互彼此的三维绘图信息，这些绘图数据不影响仿真事件的时空一致性，只是达到协同仿真系统视觉上的“你见即我见”，用来提高虚拟现实环境下的沉浸式逼真度；步骤3：用CSCW组播技术来扩展仿真工作站RTI利用RTI所支持的HLA服务来扩展libRTI线程，使其增添CSCW的终端组播功能；在RTI的libRTI库中包含RTI成员大使和RTI回调大使两类接口，应用程序在实现这些RTI回调大使接口时，或是通过主动调用RTI成员大使接口来查询并执行，或是通过响应libRTI线程发来的消息来执行；对于实时数据的传输，则通过响应libRTI线程发来的消息来执行。步骤4：学员分别以监护员、操作员、负责人的角色交互，完全按照变电站实际运行的工作流程，协同完成一个任务；在协同作业过程中，学员按照各自的角色、任务分工在仿真系统上进行仿真实操，用户之间采用文字或/和语音通信方式进行沟通交流；在学员操作时，包括大电网仿真程序在内的所有联邦成员依旧按固定的仿真步长协同推进，采用的推进策略是既受限又受控；同时学员联邦成员和教员联邦成员在时刻监听libRTI线程利用windows消息机制发来的运动和操作消息，并负责在显示线程中更新画面的显示。进一步地，步骤3中为了用CSCW组播技术来扩展RTI，首先通过RTI的声明管理和对象管理的订阅和发布功能来建立动态的终端组播网，包括成员组播链路的建立和删除；当联邦成员加入联邦运行后，声明订阅和发布cosimNetCard对象类，它包含cardIP和cardPort两个属性，即在FOM中添加(ClasscosimNetCa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法，其特征是：步骤如下：步骤一：构建基于虚拟现实技术的交互培训系统基于虚拟现实技术的交互培训系统，包括立体弧幕、图像虚拟现实头盔、动作捕捉器、位置跟踪器、仿真工作站、主工作站和网络交换机，选用高速以太网组网，采用1GbE的网卡和网线来构建高速以太网，其两个节点间单向传输512字节包的速度是75微秒；采用虚拟现实头盔和立体弧幕投影两种沉浸式立体显示方式；主工作站用来供教员进行虚拟操作，并将视频信号传送到融合机并通过6台投影输出到大型弧幕上；仿真工作站通过数据线连接动作捕捉器，实时获取操作人和监护人人体的动作捕捉数据并驱动虚拟人与虚拟场景的设备实现交互操作；主工作站通过负责人佩戴3D眼镜的方式，沉浸式地体验变电站一二次设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，进行变电站设备虚拟巡视、检查、漫游、操作及事故案例处理过程；动作捕捉器实时获取学员运动关键位置的空间坐标和运动姿态数据，并实时将数据传送给网络中的仿真工作站，以更新虚拟人物角色相应的关节旋转角度，从而实现虚拟人物的控制和场景交互操作；图像虚拟现实头盔配套位置跟踪器，通过实时追踪头盔上的位置感应点，实时获取头盔的空间位置和方位并传送给网络中的仿真工作站，来实时更新头盔内显示的三维影像和大型弧幕上的仿真场景；步骤二：选用CSCW组播技术使仿真工作站实时通信采用CSCW的终端组播方式，由HLA的时间管理来解决CSCW所面对的并发问题，培训仿真中所用的CSCW组播通信仅完成HLA的非受控受限的消息的收发，扩展的RTI的通信方式：其中心方框代表RTI的服务进程，四周圆圈代表被联邦成员所调用的libRTI线程；一侧星型拓扑保留HLA/RTI所有六大类服务的功能，而另一侧新增四个联邦成员间的网状通信拓扑(Mesh)实现了CSCW的终端组播功能，用于联邦成员间交互彼此的三维绘图信息，这些绘图数据不影响仿真事件的时空一致性，只是达到协同仿真系统视觉上的“你见即我见”，用来提高虚拟现实环境下的沉浸式逼真度；步骤三：用CSCW组播技术来扩展仿真工作站RTI利用RTI所支持的HLA服务来扩展libRTI线程，使其增添CSCW的终端组播功能；在RTI的libRTI库中包含RTI成员大使和RTI回调大使两类接口，应用程序在实现这些RTI回调大使接口时，或是通过主动调用RTI成员大使接口来查询并执行，或是通过响应libRTI线程发来的消息来执行；对于实时数据的传输，则通过响应libRTI线程发来的消息来执行；步骤四：学员分别以监护员、操作员、负责人的角色交互，完全按照变电站实际运行的工作流程，协同完成一个任务；在协同作业过程中，学员按照各自的角色、任务分工在仿真系统上进行仿真实操，用户之间采用文字或/和语音通信方式进行沟通交流；在学员操作时，包括大电网仿真程序在内的所有联邦成员依旧按固定的仿真步长协同推进，采用的推进策略是既受限又受控；同时学员联邦成员和教员联邦成员在时刻监听libRTI线程利用windows消息机制发来的运动和操作消息，并负责在显示线程中更新画面的显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机协同工作的沉浸式电力培训协作方法，其特征是：步骤如下：步骤一：构建基于虚拟现实技术的交互培训系统基于虚拟现实技术的交互培训系统，包括立体弧幕、图像虚拟现实头盔、动作捕捉器、位置跟踪器、仿真工作站、主工作站和网络交换机，选用高速以太网组网，采用1GbE的网卡和网线来构建高速以太网，其两个节点间单向传输512字节包的速度是75微秒；采用虚拟现实头盔和立体弧幕投影两种沉浸式立体显示方式；主工作站用来供教员进行虚拟操作，并将视频信号传送到融合机并通过6台投影输出到大型弧幕上；仿真工作站通过数据线连接动作捕捉器，实时获取操作人和监护人人体的动作捕捉数据并驱动虚拟人与虚拟场景的设备实现交互操作；主工作站通过负责人佩戴3D眼镜的方式，沉浸式地体验变电站一二次设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，进行变电站设备虚拟巡视、检查、漫游、操作及事故案例处理过程；动作捕捉器实时获取学员运动关键位置的空间坐标和运动姿态数据，并实时将数据传送给网络中的仿真工作站，以更新虚拟人物角色相应的关节旋转角度，从而实现虚拟人物的控制和场景交互操作；图像虚拟现实头盔配套位置跟踪器，通过实时追踪头盔上的位置感应点，实时获取头盔的空间位置和方位并传送给网络中的仿真工作站，来实时更新头盔内显示的三维影像和大型弧幕上的仿真场景；步骤二：选用CSCW组播技术使仿真工作站实时通信采用CSCW的终端组播方式，由HLA的时间管理来解决CSCW所面对的并发问题，培训仿真中所用的CSCW组播通信仅完成HLA的非受控受限的消息的收发，扩展的RTI的通信方式：其中心方框代表RTI的服务进程，四周圆圈代表被联邦成员所调用的libRTI线程；一侧星型拓扑保留HLA/RTI所有六大类服务的功能，而另一侧新增四个联邦成员间的网状通信拓扑(Mesh)实现了CSCW的终端组播功能，用于联邦成员间交互彼此的三维绘图信息，这些绘图数据不影响仿真事件的时空一致性，只是达到协同仿真系统视觉上的“你见即我见”，用来提高虚拟现实环境下的沉浸式逼真度；步骤三：用CSCW组播技术来扩展仿真工作站RTI利用RTI所支持的HLA服务来扩展libRTI线程，使其增添CSCW的终端组播功能；在RTI的libRTI库中包含RTI成员大使和RTI回调大使两类接口，应用程序在实现这些RTI回调大使接口时，或是通过主动调用RTI成员大使接口来查询并执行，或是通过响应libRTI线程发来的消息来执行；对于实时数据的传输，则通过响应libRTI线程发来的消息来执行；步骤四：学员分别以监护员、操作员、负责人的角色交互，完全按照变电站实际运行的工作流程，协同完成一个任务；在协同作业过程中，学员按照各自的角色、任务分工在仿真系统上进行仿真实操，用户之间采用文字或/和语音通信方式进行沟通交流；在学员操作时，包括大电网仿真程序在内的所有联邦成员依旧按固定的仿真步长协同推进，采用的推进策略是既受限又受控；同时学员联邦成员和教员...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱华，赵涛，王雷，徐正清，黄继杰，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司锦州供电公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21