一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法技术

本发明专利技术公开了一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，包括步骤：完成特高压虚拟实训系统交互过程的总体逻辑设计；完成系统交互过程总体建模，确立系统功能模块划分；设计完成任务驱动管理模块、数据模型管理模块和交互过程控制模块。本发明专利技术在沉浸式虚拟现实技术背景下，以用户体验设计为基本出发点，对特高压变电站虚拟实训系统交互过程进行优化设计建模，实现对系统交互过程的有效控制，实现用户与系统的体验式交互，提升用户实训学习体验。

An interactive interactive process design method for UHV power virtual training

This invention discloses a method of experiential interactive process design for UHV virtual training, including the steps: complete the overall logic design of the interactive process of UHV virtual training system, complete the overall modeling of the system interaction process, establish the division of the system function module, and design the task driven management module and the data model. The management module and the interactive process control module. Under the background of immersive virtual reality technology, with user experience design as the basic starting point, the interactive process of virtual practical training system in UHV substation is optimized, the effective control of the interactive process of the system is realized, the experience Interaction between users and the system is realized, and the user's training and learning experience is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法
本专利技术涉及一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，属于变电站协同仿真

技术介绍
特高压技术是电网领域最先进的技术前沿，也是支撑现代智能电网建设的关键。近年来，特高压工程不断建成投运，增加了电网安全稳定运行的压力，相关电力员工的技能水平急需得到培训加强。然而，电力培训必须以防范安全事故风险为前提，特高压培训难以贴近现场实际开展，电力仿真培训系统开发是解决这一问题的有效手段。同时，2016年是虚拟现实(VirtualReality，VR)技术发展元年，沉浸式虚拟现实仿真技术发展势头迅猛，能为用户提供身临其境的沉浸感和更加贴近现实的交互体验，对电力培训具有良好适用性，研究基于虚拟现实的特高压虚拟实训系统具有重要价值。与之相近的传统电力仿真培训系统的建模与研发过程主要包括两个关键环节：一是构建计算机虚拟环境，建立逼近电力实际的三维模型，并在此基础上合理组织三维数据；二是电力生产业务流程还原，开发与实际业务相匹配的功能模块，并通过逻辑程序控制，让用户通过人机交互操作触发相应功能应用，最终实现虚拟三维环境中进行实际生产业务流程模拟演练。然而，现有电力仿真培训系统主要侧重于利用增强仿真环境及仿真实体外观和动作过程外在表现的真实性，并未深入分析用户交互操作过程的逻辑流程，用户交互体验处理简单，系统的交互体验性较弱是其最大的不足。随着虚拟现实技术快速发展应用，基于虚拟现实的仿真培训系统与传统电力仿真培训系统存在差异，它不仅具有高度沉浸感和真实感的虚拟环境，更关键是要让用户实现与真实情况一致的交互操作，应该具备更优质的交互体验。当前技术背景下，以用户体验设计为基本出发点，对特高压变电站虚拟实训系统交互过程进行优化设计建模，使之既反映生产系统运行规律、工作环境和流程，实现对系统交互过程的有效控制，保证特高压虚拟实训系统的真实性和有效性。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的电力仿真培训系统交互建模技术普遍存在的问题是对用户交互体验处理简单，未能细致考虑用户交互操作过程的逻辑流程，主要关注实现虚拟仿真环境、仿真原件实体和作业流程的外在表现真实性，对影响用户体验的关键因素考虑不足，导致系统的交互体验性较弱的不足，本专利技术提供一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，包括步骤如下：步骤1：设计特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体逻辑，所述总体逻辑包括：用户应用层、数据支撑层、任务驱动层、过程控制层；步骤2：构建特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体模型，所述总体模型包括：基础管理模块、任务驱动管理模块、模型数据管理模块、交互过程控制模块。作为优选方案，所述用户应用层是系统交互过程的目标对象，用户通过与实训系统之间的感知和反馈，获得真实的视觉、听觉和触力觉反馈，开展不同类型的实训作业操作，获得逼近现实的学习体验；所述数据支撑层是系统交互过程的核心基础，需要实现对各类虚拟现实数据有效组织管理，提供更具有真实性和完整性的虚拟现实环境；所述任务驱动层提供系统交互过程的逻辑流程，需要在电力作业流程规范和电力安全规程约束下，把各项电力实训作业步骤和相应电气设备状态变化，通过一系列操作逻辑函数进行描述；所述过程控制层实现系统交互过程的友好控制，将用户学习者的交互操作准确映射为明确事件反馈到系统任务逻辑和信息数据，并给予学习者真实的视觉、听觉和力触觉反馈，实现用户与虚拟场景进行互动。作为优选方案，所述基础管理模块设计步骤如下：基础管理模块设计，主要包括系统初始化和流程判断两个关键环节；系统初始化对用户信息输入、实训任务参数进行初始定义，并进行初始实训任务选择分配；流程判断对实训流程循环是否结束进行判断，若实训任务最终结束，则评判并输出实训结果，若实训任务为结束，则实训流程继续循环。作为优选方案，所述任务驱动管理模块设计步骤如下：步骤1：实训任务流程单元化分解：电力各项实际作业具有严格的流程规范要求，为此基于电力实际作业规范指导，将每个特高压实训任务分解为若干个独立且不可中断的流程单元，每个流程单元代表一项实训流程，即针对一个电力设备完成的一项实训步骤，是实训操作流程描述的最小单元；步骤2：流程单元模型状态定义：流程单元F需要定义实训操作的作业信息描述，包括所有设备状态信息和操作响应关系，它的数据模型表示如下：F＝(M,Q,Σ,R,fΣ,η)其中：M表示当前流程单元的设备目标集合，模型数据管理需要根据实训作业对象将不同电力设备进行划分；Q表示电力虚拟设备元件的状态集合；Σ表示输入控制变量，由用户操作引发的所有动作事件作为有限状态机的输入变量；R表示实训约束集合，由电力设备安全规定、设备电气特性等约束构成；fΣ表示实训动作函数，描述了当前输入下，根据约束条件满足情况执行动作后，系统状态变化情况；η表示实训任务难度层级标识变量，用于指示任务流程的动态调整，难度层级越简单，系统的动作函数fΣ更为简单，作业过程更简单，并会给予更多提示指引；步骤3：实训流程单元的执行：让用户动作事件产生状态机输入控制变量，将当前设备状态与系统状态集和约束条件进行匹配，并依据动作函数完成虚拟设备的状态转变，模拟虚拟设备的实训操作动作过程，保证仿真动作逻辑的完整性；不同实训单元执行中，系统通过分析用户实训过程数据，动态调整不同流程单元的难度层级标识变量η，实现实训过程优化，提升用户体验。作为优选方案，所述模型数据管理模块设计步骤如下：步骤1：多分辨率分层处理特高压电力设备：首先，利用多分辨率金字塔模型，对每个电力设备元件建立包含三个层级的三维数据模型：关键特征数据层模型Mtop、全面信息数据层模型Mmid、精细完善数据层模型Mbot，Mbot、Mmid、Mtop的三维模型精细度越来越低，数据量也越来越小，包括：关键特征数据层模型M1，包含各元件设备结构的外观关键信息，实现设备的总体可视化呈现；全面信息数据层模型M2，包含各元件设备结构的全面信息，呈现设备的完整结构；精细完善数据层模型M3，包含各元件设备结构的精细信息，呈现设备的细致结构；为了提升虚拟现实三维模型的精细度和数据量，三维数据模型网格面数设计方法如下：得到精细完善数据层模型M3，它在X、Y、Z方向上的网格面数为Nx、Ny、Nz，整个三维模型有Nx×Ny×Nz个网格面数；在模型M2基础上进行面数缩减，X、Y、Z方向上的每2个相邻网格合并为1个，得到全面信息数据层模型M2的网格数量是Nx/2×Ny/2×Nz/2；同时，在模型M1的基础上进一步缩减面数，得到关键特征数据层模型M1的网格数量是Nx/4×Ny/4×Nz/4；步骤2：流程单元作业设备集合识别：设定第i个流程单元对应的虚拟现实场景需要调用的三维电力设备模型集合为Mi，该电力设备模型集合划分为三个部分：其中，代表当前实训流程单元的主要操作电力设备对象，需要加载精细完善数据层模型；是与相近的场景内主要电力设备，需要加载全面信息数据层模型；是虚拟场景内的其他各个电力设备，需要加载关键特征数据模型，每个设备的模型数据量最小；步骤3：模型数据动态加载策略：结合电力实训任务的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤1：设计特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体逻辑，所述总体逻辑包括：用户应用层、数据支撑层、任务驱动层、过程控制层；步骤2：构建特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体模型，所述总体模型包括：基础管理模块、任务驱动管理模块、模型数据管理模块、交互过程控制模块。

【技术特征摘要】
1.一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤1：设计特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体逻辑，所述总体逻辑包括：用户应用层、数据支撑层、任务驱动层、过程控制层；步骤2：构建特高压电力虚拟实训的体验式实训交互过程总体模型，所述总体模型包括：基础管理模块、任务驱动管理模块、模型数据管理模块、交互过程控制模块。2.根据权利要求1所述的一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：所述用户应用层是系统交互过程的目标对象，用户通过与实训系统之间的感知和反馈，获得真实的视觉、听觉和触力觉反馈，开展不同类型的实训作业操作，获得逼近现实的学习体验；所述数据支撑层是系统交互过程的核心基础，需要实现对各类虚拟现实数据有效组织管理，提供更具有真实性和完整性的虚拟现实环境；所述任务驱动层提供系统交互过程的逻辑流程，需要在电力作业流程规范和电力安全规程约束下，把各项电力实训作业步骤和相应电气设备状态变化，通过一系列操作逻辑函数进行描述；所述过程控制层实现系统交互过程的友好控制，将用户学习者的交互操作准确映射为明确事件反馈到系统任务逻辑和信息数据，并给予学习者真实的视觉、听觉和力触觉反馈，实现用户与虚拟场景进行互动。3.根据权利要求1所述的一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：所述基础管理模块设计步骤如下：基础管理模块设计，主要包括系统初始化和流程判断两个关键环节；系统初始化对用户信息输入、实训任务参数进行初始定义，并进行初始实训任务选择分配；流程判断对实训流程循环是否结束进行判断，若实训任务最终结束，则评判并输出实训结果，若实训任务为结束，则实训流程继续循环。4.根据权利要求1所述的一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：所述任务驱动管理模块设计步骤如下：步骤1：实训任务流程单元化分解：电力各项实际作业具有严格的流程规范要求，为此基于电力实际作业规范指导，将每个特高压实训任务分解为若干个独立且不可中断的流程单元，每个流程单元代表一项实训流程，即针对一个电力设备完成的一项实训步骤，是实训操作流程描述的最小单元；步骤2：流程单元模型状态定义：流程单元F需要定义实训操作的作业信息描述，包括所有设备状态信息和操作响应关系，它的数据模型表示如下：F＝(M,Q,Σ,R,fΣ,η)其中：M表示当前流程单元的设备目标集合，模型数据管理需要根据实训作业对象将不同电力设备进行划分；Q表示电力虚拟设备元件的状态集合；Σ表示输入控制变量，由用户操作引发的所有动作事件作为有限状态机的输入变量；R表示实训约束集合，由电力设备安全规定、设备电气特性等约束构成；fΣ表示实训动作函数，描述了当前输入下，根据约束条件满足情况执行动作后，系统状态变化情况；η表示实训任务难度层级标识变量，用于指示任务流程的动态调整，难度层级越简单，系统的动作函数fΣ更为简单，作业过程更简单，并会给予更多提示指引；步骤3：实训流程单元的执行：让用户动作事件产生状态机输入控制变量，将当前设备状态与系统状态集和约束条件进行匹配，并依据动作函数完成虚拟设备的状态转变，模拟虚拟设备的实训操作动作过程，保证仿真动作逻辑的完整性；不同实训单元执行中，系统通过分析用户实训过程数据，动态调整不同流程单元的难度层级标识变量η，实现实训过程优化，提升用户体验。5.根据权利要求1所述的一种特高压电力虚拟实训的体验式交互过程设计方法，其特征在于：所述模型数据管理模块设计步骤如下：步骤1：多分辨率分层处理特高压电力设备：首先，利用多分辨率金字塔模型，对每个电力设备元件建立包含三个层级的三维数据模型：关键特征数据层模型Mtop、全面信息数据层模型Mmid、精细完善数据层模型Mbot，Mbot、Mmid、Mtop的三维模型精细度越来越低，数据量也越来越小，包括：关键特征数据层模型M1，包含各元件设备结构的外观关键信息，实现设备的总体可视化呈现；全面信息数据层模型M2，包含各元件设备结构的全面信息，呈现设备的完整结构；精细完善数...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵剑，刘伟，戴威，李群，赵新冬，唐锦，卢茜，王继，陈健，
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