基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法技术方案

本发明专利技术公开了基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括建立变电站协同仿真培训系统架构模型；基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。本发明专利技术基于混合异构层次化过程建模技术及基于Petri网共享子网合成技术的并发控制模型，实现了电力检修任务的层次化过程建模、分布式协同并发控制、异步消息延时控制，结合Unity3D虚拟现实引擎技术开发了变电站协同仿真培训系统，实现了多人协同开展配电倒闸检修操作的典型场景应用，破解了变电站多工种参与检修仿真训练的培训困境，对其他多人协作的作业场景开发具有一定的借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法
本专利技术涉及一种基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，属于变电站协同仿真领域。
技术介绍
随着电力行业的高速发展，电力系统中新设备、新技术的应用日趋广泛和复杂，对电力系统运行检修人员提出了更高的要求，而培训正是提高电力系统运行操作人员素质及保证电力系统安全、稳定运行的重要手段之一。由于电力系统的特殊性，很难在实际运行的系统和设备上对人员进行培训，因此，近年来，采用与实际电力系统运行状况相似的变电站仿真培训系统成为主要的解决办法。然而，目前国内电力行业变电站培训仿真系统主要采用Virtools、VRML等传统仿真工具实现的桌面式单人仿真操作方式，其真实感、临场感、表现力和交互性都有待改进，并且无法适用于两票三制培训、倒闸操作培训等大部分多工种协同交互的场景。虚拟现实技术的高速发展及在工业领域的不断普及，使变电站运维检修作业培训技术从传统的实装培训、桌面仿真发展到以计算机仿真技术和虚拟现实技术结合的虚拟实操训练阶段。同时，由于变电站运维检修任务复杂度和要求的不断提高，特别是针对多个复杂电气设备及多工种人员参与的作业任务，变电站虚拟实操训练正逐渐向分布式网络协同化操作新模式转变，因此基于分布式网络的变电站协同虚拟仿真培训应运而生。变电站虚拟协同仿真培训系统，就是以计算机、分布式网络和虚拟现实软硬件等技术为基础，将分散在不同地点、运行于不同计算平台的虚拟现实变电检修工作场景通过网络连接在一起，共享一个逼真的虚拟变电站操作环境，使得多个变电检修人员在其中同时、同步的协作进行特定作业的训练任务。近年来，分布式虚拟现实网络环境下协同仿真问题受到了国内外研究者的广泛关注，并在操作过程建模、协同并发控制等不同领域的问题研究取得的很多成果，但对支持分布式网络环境下多人协同交互的变电站运维检修仿真系统研究有限。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括以下步骤，建立变电站协同仿真培训系统架构模型；基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。变电站协同仿真培训系统架构模型包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层；协作交互层：为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示；表示驱动层：负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新；业务控制层：负责管理任务场景，并对分布式环境下协同用户进行并发控制，同时模拟仿真计算。协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块；虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户交互行为并进行数据转换。表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块以及并发监听模块；变电站操作场景加载器：根据用户所处的位置、选择的任务场景，将电气设备资源按照一定的顺序和状态加载；电气设备资源库：将虚拟变电站中电气设备资源加载到本地客户端；协同对象管理模块：负责其他协同对象的动态地加入、行为状态更新以及退出；并发监听模块：建立客户端与服务端的网络通信，负责监听本地共享资源的变化并向服务端发送变更通知，同时接受服务端发送的共享资源变更通知，进行共享资源更新。业务控制层包括场景任务管理模块、并发控制模块及仿真计算模块；场景任务管理模块：负责建立标准化作业任务场景；并发控制模块：当多个用户对同一共享资源对象操作而引起冲突时，由并发控制模块采用并发控制算法来解决一致性和同步问题；仿真计算模块：集成电力仿真计算模块，对客户端用户设备模拟操作数据进行模拟计算后更新电气设备数据，并触发结果数据同步到共享场景的客户端。基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统的过程为，标准化作业流程的混合异构层次化过程建模；基于Petri共享子网的并发控制模型。标准化作业流程的混合异构层次化过程建模包括，任务层建模；作业层建模；设备原子动作层建模。任务层模型：通过定义主体电气设备，从电气连接关系分析角度出发，表述主体电气设备间的电气连接约束关系和倒闸操作流程控制信息；作业层模型：描述以主体电气设备的某一工作状态或作业结果为目标的动态操作行为及其顺序约束关系；设备层模型：对作业过程所包含的具有操作响应逻辑的电气设备和工器具的具体动作行为和控制逻辑进行描述。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术将虚拟现实、协同交互等技术集成到变电检修仿真培训系统中，实现了多人协同开展配电倒闸检修操作的典型场景应用，破解了变电站多工种参与检修仿真训练的培训困境，对其他多人协作的作业场景开发具有一定的借鉴意义。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为变电站协同仿真培训系统架构模型图；图3为电力虚拟仿真操作过程分层模型图；图4为电缆更换作业等效电气图；图5为作业层状态变迁算法流程图；图6为作业过程Petri网模型图；图7为Petri网共享子网PN1结构图；图8为Petri网共享子网PN2结构图；图9为异步消息并发控制模型图；图10变电站协同仿真系统响应时间对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，包括以下步骤：步骤1，建立变电站协同仿真培训系统架构模型。作为一个针对变电站多人协同的仿真培训系统，在设计思想上应该包括：1、构建变电站虚拟电气设备资源模型，实现物理特征、电气特性的模拟，实现电气设备的操作演示及电气状态变化；2、实现标准化变电检修作业过程的建模，通过建立操作流程、操作行为及虚拟电气设备元件和响应状态之间的逻辑关系模型，为用户提供虚拟仿真环境中，按照实际作业流程及电气设备的动作行为和状态变化约束条件下的完整仿真操作；3、实现多人共享虚拟环境下协同感知的一致性；4、实现同一共享作业场景环境下的协同仿真，分布在不同地点的检修人员利用虚拟现实终端设备根据任务调度和分配进行协作交互。基于上述设计思想，变电站多人协同仿真培训系统按照CSCW的系统层次可以包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层，如图2所示。协作交互层：该层位于最上层，为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示。协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块。虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，是将电气设备、其他协同用户等对象加载形成的虚拟变电站各项任务场景集合，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性，包括设备温度、线路带电信息、开关状态等；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户的语音、动作等交互行为并进行数据转换。表示驱动层：该层基于专业虚拟现实3D引擎打造的虚拟现实终端功能驱动的核心部分，它部署在每个用户的客户端，负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新。表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：包括以下步骤，建立变电站协同仿真培训系统架构模型；基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。

【技术特征摘要】
1.基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：包括以下步骤，建立变电站协同仿真培训系统架构模型；基于虚拟现实建立变电站协同仿真培训系统。2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：变电站协同仿真培训系统架构模型包括协作交互层、表示驱动层和业务控制层；协作交互层：为用户提供可交互的变电站虚拟环境，接受用户的输入操作并对模拟结果进行展示；表示驱动层：负责驱动虚拟现实变电站，对变电站的场景和电气设备资源，进行动态加载、渲染展示及状态更新；业务控制层：负责管理任务场景，并对分布式环境下协同用户进行并发控制，同时模拟仿真计算。3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：协作交互层包括虚拟变电站模块和交互处理模块；虚拟变电站模块：用以构建虚拟变电站，负责对电气设备外观进行模拟，并根据具体操作场景实时模拟电气设备的物理特性；交互处理模块：根据电气设备的行为模型特征提供与用户的互动操作，捕捉用户交互行为并进行数据转换。4.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的变电站协同仿真培训系统构建方法，其特征在于：表示驱动层包括变电站操作场景加载器、电气设备资源库、协同对象管理模块以及并发监听模块；变电站操作场景加载器：根据用户所处的位置、选择的任务场景，将电气设备资源按照一定的顺序和状态加载；电气设备资源库：将虚拟变电站中电气设备资源加载到本地客户端；协同对象管理模块：负责其他协同对象的动态地加入、行为状态更新以及退出；并发监听模块：建立客户端与服...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴威，邵剑，刘伟，徐滔，唐锦，吴俊，郭晏，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，国家电网公司，国网江苏省电力有限公司，江苏省电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32