一种特高压钢管塔仿真培训系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种特高压钢管塔仿真培训系统及方法，包括：依次连接的数据层、中央处理器、应用层以及若干分布式操作终端；数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；应用层包括：设计模块；加工模块；施工模块；试题考核模块；模拟考核模块。本发明专利技术有益效果：本发明专利技术利用三维展示、虚拟仿真直观展示特高压钢管塔设计、加工、施工中不可见部分和钢管塔工程应用关键技术，实现图像化和可视化培训，提高受训人员对理论的理解和掌握，缩短培训时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电网技术技能培训，尤其涉及一种特高压钢管塔设计、加工及施工的 仿真培训系统及方法。
技术介绍
随着我国能源战略西移，特高压长距离、大容量、低损耗输送电力的特点成为远距 离输电的首选，发展特高压输电技术已经纳入国民经济和社会发展第十二个五年规划纲 要。特高压输变电架设中，大负荷杆塔大部分开始采用钢管塔。而钢管塔设计、加工工艺和 质量对塔的服役稳定性具有非常重要的影响。同时，钢管塔的重量大、塔基根开大、塔身高， 这对组立施工人员的技术水平和经验要求极高，而目前我国施工人员数量庞大，知识水平 参差不齐。因此，对于针对特高压钢管塔设计、加工、施工专业知识及新技术应用等方面培 训的需求日益增加并更为迫切。以往对于特高压钢管塔设计、加工施工技术人员和管理人 员的培训方式只能以图片、文字、讲师讲解、汇报等形式展开，这种传统的培训方式存在以 下缺点： 1)传统培训方式形式单一，多理论灌输，不够直观形象，较为枯燥。需要投入很大 的资金和时间。培训时间和成本高。 2)贯穿设计、加工、施工流程的整体效果不全面，培训可视化细节不够，受训人员 理解不深入，培训效率不高。 3)传统方式多为集中培训和考核，受训人员不能自主安排培训时间、培训内容及 培训频率，自由度低，缺少互动性。 4)因设备、场地、时间等限制，现场实训机会少，培训中不能满足受训人员对设计、 加工、施工等重要操作进行实地演练的需要。客观条件限制下，受训人员需要等待实地培训 机会，人员整体技术水平和实际作业水平无法得到提升。 5)在一些实际现场培训中，由于操作故障、误操作等原因，可能带来设备损耗、人 身伤亡等事故，安全隐患风险高。 6)钢管塔设计、加工、施工未形成系列化、标准化、流程化培训机制，各培训内容无 连续性，培训、考核未形成统一整体。 综上，为增加实践感受、强化培训效果从而从根本上提升受训人员技术水平，采用 虚拟仿真技术进行人员培训成为一种高效、新颖、互动性高、参与性强的培训模式。我国已 成功研制出多套仿真培训系统，如变电站仿真培训、化工仿真培训，输配电线路施工仿真培 训系统。四川大学制造科学与工程学院研发的铁塔虚拟预组装系统，基于Pro/E软件来进 行铁塔虚拟预组装，验证在实际装配中零件之间出现干涉和孔位错误现象。南京工程学院 研发的基于三维图形引擎的铁塔组立虚拟施工系统，是在可视化的虚拟施工系统平台上进 行组织设计、评价确定铁塔吊装方案，并对方案进行交底或预演。但是到目前为止，国内还 没有一套专门针对输电线路建设中特高压钢管塔设计、加工、施工三方面技术培训需求进 行开发的仿真培训系统，单纯通过建模软件创建的铁塔、工器具等模型，不能完全从视觉上 高度还原真实景观，仿真系统中未提供进行针对特高压钢管塔加工、施工仿真交互模拟演 练和试验|吴块和功能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出了一种特高压钢管塔仿真培训系统及 方法，该系统及方法使得培训人员可以互动参与特高压钢管塔设计、加工及施工学习过程， 学员能够自由安排培训项目，允许学员在培训仿真培训系统学习中发生各种错误，同时演 示出因为操作错误造成的种种后果且不会带来任何实际危害，还可以制造各种不同的工况 来提高培训操作人员实际处理问题的能力。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： 一种特高压钢管塔仿真培训系统，包括：数据层、中央处理器、应用层以及若干分 布式操作终端； 所述数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数 据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库； 所述应用层包括： 设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选 择、节点与标准化设计、构件计算内容分别进行模拟演示； 加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示 焊接工艺仿真动态效果； 施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容进行图像化和可视化的模拟 操作，并能够对运输工器具进行选择； 试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考 核测评； 模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模 拟操作考核测评； 所述数据层与中央处理器进行通信，中央处理器与应用层的各模块以及分布式终 端分别通信。 所述加工模块中钢管塔焊接标准化工艺包括：机加工、焊接和镀锌。 所述施工模块中铁塔组立施工包括：内悬浮外拉线抱杆组塔、SXD160塔基组塔、 外拉线落地抱杆组塔、双平臂下顶升抱杆组塔和双平臂上顶升抱杆组塔。 所述特高压钢管塔仿真用的各种设备的三维模型包括：钢管塔、抱杆、工器具、机 具高精度三维模型，具有颜色、质感、规格属性信息。 所述试题考核模块和模拟考核模块自动实时进行考核时间统计，并对考核内容的 正确性进行自动评分。 所述仿真培训系统基于Unity3D图像引擎和Pro/E建模，能够进行钢管塔组立施 工方案三维动画培训和抱杆安装、拆卸交互模拟操作，并针对错误操作、限距、过载情况进 行风险预警或提示。 -种特高压钢管塔仿真培训系统的方法，包括： 所述仿真培训系统包括分别对特高压钢管塔设计、加工以及施工的模拟培训形 式，每一种培训形式都分为模拟部分和考核部分； 在进行特高压钢管塔设计或加工模拟培训时：分别调取仿真数据库中用于模拟特 高压钢管塔设计以及焊接标准化工艺的数据，将所述数据存储至前台第一数据缓存区；根 据操作终端的实际要求，调取前台第一数据缓存区的相关数据进行展示； 在进行特高压钢管塔施工模拟培训时： 调取仿真数据库中用于模拟铁塔组立施工过程的数据，将所述数据存储至前台第 二数据缓存区； 根据操作终端的实际要求，调取前台第二数据缓存区的相关数据，利用分形算法 建立虚拟三维施工场景，建立高精度钢管塔施工相关的工器具数学模型，并为每个数学模 型设置用于接收信息并作出反应的反应器，设置各数学模型之间的逻辑控制关系；将所述 工器具数学模型导入到虚拟三维施工场景中； 根据各数学模型之间的逻辑控制关系，将现场施工的实际操作步骤转化为开发平 台下的程序逻辑算法，在虚拟的三维环境中模拟现场施工操作过程。 所述每一种培训形式的考核部分均分为试题考核和模拟考核；具体方法为： 分别调取试题数据库和模拟操作数据库中相应的数据，将所述数据存储至前台第 三数据缓存区； 对于试题考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关试题数据，根据系统设 定的评分机制和考核时间机制，对操作终端返回的数据内容进行打分，如果分数超过系统 设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核失败； 对于模拟考核，操作终端调取前台第三数据缓存区的相关操作数据，根据系统设 定的评分机制和考核时间机制，记录操作终端的每一个操作触发事件并打分，所有操作完 成后统计最后得分，如果所述最后得分超过系统设定的分数阈值，则考核通过；反之，考核 失败。 所述每个数学模型或模型集合必须是收敛的，以保证系统能稳定输出结果；所述 反应器的精度可调，且在可调范围内连续且收敛，保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，包括：数据层、中央处理器、应用层以及若干分布式操作终端；所述数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库；所述应用层包括：设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选择、节点与标准化设计、构件计算内容分别进行模拟演示；加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示焊接工艺仿真动态效果；施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容进行图像化和可视化的模拟操作，并能够对运输工器具进行选择；试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考核测评；模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模拟操作考核测评；所述数据层与中央处理器进行通信，中央处理器与应用层的各模块以及分布式终端分别通信。

【技术特征摘要】
1. 一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，包括：数据层、中央处理器、应用层以 及若干分布式操作终端； 所述数据层包括：用于提供特高压钢管塔仿真用各种设备的三维模型以及相关数据信 息的仿真数据库，并提供学员考核用的试题数据库和模拟操作数据库； 所述应用层包括： 设计模块：用于将特高压钢管塔设计包含的材料的选择与验收、设计原则、塔型选择、 节点与标准化设计、构件计算内容分别进行模拟演示； 加工模块：用于模拟钢管塔焊接标准化工艺，并通过定义工艺参数和动作来展示焊接 工艺仿真动态效果； 施工模块：用于将铁塔组立施工过程的技术作业内容进行图像化和可视化的模拟操 作，并能够对运输工器具进行选择； 试题考核模块：用于调取中央处理系统试题数据库中的数据，对学员进行题库考核测 评； 模拟考核模块：用于调取中央处理系统模拟操作数据库中的数据，对学员进行模拟操 作考核测评； 所述数据层与中央处理器进行通信，中央处理器与应用层的各模块以及分布式终端分 别通信。2. 如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述加工模块中 钢管塔焊接标准化工艺包括：机加工、焊接和镀锌。3. 如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述施工模块中 铁塔组立施工包括：内悬浮外拉线抱杆组塔、SXD160塔基组塔、外拉线落地抱杆组塔、双 平臂下顶升抱杆组塔和双平臂上顶升抱杆组塔。4. 如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述特高压钢管 塔仿真用的各种设备的三维模型包括：钢管塔、抱杆、工器具、机具高精度三维模型，具有颜 色、质感、规格属性信息。5. 如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述试题考核模 块和模拟考核模块自动实时进行考核时间统计，并对考核内容的正确性进行自动评分。6. 如权利要求1所述的一种特高压钢管塔仿真培训系统，其特征是，所述仿真培训系 统基于Unity3D图像引擎和Pro/E建模，能够进行钢管塔组立施工方案三维动画培训和抱 杆安装、拆卸交互模拟操作，并针对错误操作、限距、过载情况进行风险预警或提示。7. -种如权利要求1所述的特高压钢管塔仿真培训系统的方法，其特征是，包括： 所述仿真培训系统包括分别对特高压钢管塔设计、加工以及施工的模拟培训形...

【专利技术属性】
技术研发人员：方建筠，宋云京，唐燕玲，王德州，李洪涛，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网技术学院，
类型：发明
国别省市：北京;11