孫廷昌，肖楚偉，李亦凡，張衛(wèi)君，李雪強(qiáng)，劉 欣，羅 茜，孔吉宏，邱 洋

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州510630；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

0 引言

三維可視化技術(shù)作為一種高效的展示與交互技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域由原來的航天、軍事、國(guó)土地質(zhì)等行業(yè)，越來越多的應(yīng)用到“智慧城市”、“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運(yùn)維中[1]。據(jù)AutoDesk 公司統(tǒng)計(jì)，三維可視化可提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力66%，減少50%～70%的信息需求，縮短5%～10%的建設(shè)周期[2]。因此研究應(yīng)用三維可視化技術(shù)手段，建立抽水蓄能運(yùn)行維護(hù)培訓(xùn)系統(tǒng)，將大大提升運(yùn)維人員的技術(shù)水平及安全意識(shí)。

國(guó)內(nèi)常用的三維培訓(xùn)平臺(tái)，多以固定動(dòng)畫腳本寫成的三維動(dòng)畫培訓(xùn)課件為主，靈活性和擴(kuò)展性不足，系統(tǒng)建設(shè)完成后很難再補(bǔ)充或更新培訓(xùn)內(nèi)容。中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻有限公司與中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所合作，將三維虛擬仿真技術(shù)與水電廠監(jiān)控技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建出了一套基于仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的抽水蓄能三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)。本文將介紹該平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，并以南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)峰公司三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)項(xiàng)目為例，討論涉及到的設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)方式。

1 抽水蓄能水電站運(yùn)維仿真系統(tǒng)需求分析

隨著南網(wǎng)雙調(diào)公司自動(dòng)化智能化技術(shù)的應(yīng)用和人員結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化調(diào)整，南網(wǎng)所屬蓄能電廠現(xiàn)場(chǎng)管理和運(yùn)維隊(duì)伍均十分高效精簡(jiǎn)。而抽水蓄能水電站工況和流程較常規(guī)水電站復(fù)雜，運(yùn)維和檢修工作十分重要，對(duì)人員培訓(xùn)和崗評(píng)工作提出了更高的要求。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)要逐步替代傳統(tǒng)培訓(xùn)考試模式，利用三維可視化技術(shù)直觀高效的特點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維和檢修的協(xié)同的培訓(xùn)考試平臺(tái)。

針對(duì)南網(wǎng)培訓(xùn)中心對(duì)運(yùn)維培訓(xùn)和考評(píng)的要求與特點(diǎn)，我們建立的三維仿真系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

（1）仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)圍繞“教-學(xué)-練-考-評(píng)”這一完整的培訓(xùn)考核評(píng)價(jià)體系。

（2）三維場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)應(yīng)直觀生動(dòng)的再現(xiàn)抽水蓄能電廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為運(yùn)維培訓(xùn)提供操作場(chǎng)景和平臺(tái)。

（3）系統(tǒng)應(yīng)明確對(duì)學(xué)員操作培訓(xùn)和考評(píng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)具備自動(dòng)測(cè)評(píng)的能力。

（4）系統(tǒng)應(yīng)具備記錄學(xué)員操作和成績(jī)自動(dòng)分析功能。

2 整體設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站三維運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)部署在南網(wǎng)雙調(diào)公司內(nèi)網(wǎng)上，采用C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足安全性、響應(yīng)速度、操作復(fù)雜程度的需求。圖1為該系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 功能設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站三維運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)按照崗位培訓(xùn)不同階段的需求，分為培訓(xùn)、考試、技能競(jìng)賽3大功能，其中培訓(xùn)和考試又分為理論考試和操作考試。理論培訓(xùn)和考試方式與傳統(tǒng)方式基本一致，而操作培訓(xùn)和考試則主要在三維可視化界面和仿真監(jiān)控界面進(jìn)行，模擬中控室值班員操作步驟和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員操作步驟。

根據(jù)南網(wǎng)雙調(diào)公司培訓(xùn)考試評(píng)價(jià)體系，整個(gè)系統(tǒng)總體分為培訓(xùn)、考核、技能競(jìng)賽等3大模塊。其中，按培訓(xùn)和考試場(chǎng)景需求，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作界面分為模擬監(jiān)控系統(tǒng)界面和三維虛擬電廠界面，覆蓋實(shí)際運(yùn)維人員工作內(nèi)容，涵蓋中控室值班，現(xiàn)地處理操作，日常巡檢等工作場(chǎng)景。按用戶角色需要，教學(xué)人員和培訓(xùn)人員的適用權(quán)限、管理功能、瀏覽內(nèi)容應(yīng)予以區(qū)分。

操作培訓(xùn)和考試是本系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)基于中國(guó)水科院自動(dòng)化所研發(fā)的OTS2000仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)，是一套以設(shè)備仿真數(shù)學(xué)模型為驅(qū)動(dòng)的三維虛擬仿真平臺(tái)，其平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

目前水庫(kù)僅有大壩處設(shè)監(jiān)控兩處，還需在保護(hù)區(qū)沿省道太邢線布設(shè)視頻監(jiān)控8處。達(dá)到對(duì)龐莊水庫(kù)庫(kù)區(qū)24 h監(jiān)控的目標(biāo)，對(duì)污染水源行為及情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

學(xué)員在模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面的操作指令下發(fā)至后臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)演算，并通過驅(qū)動(dòng)將后臺(tái)演算的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋即時(shí)上傳至模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠界面。通過這種數(shù)據(jù)交互機(jī)制，可以更為準(zhǔn)確靈活的描述抽水蓄能機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行過程及物理上的相互影響，較通過動(dòng)畫腳本驅(qū)動(dòng)的方式更加真實(shí)，易擴(kuò)展。結(jié)合模擬監(jiān)控界面和三維虛擬電廠場(chǎng)景，可以給培訓(xùn)者更加直觀優(yōu)化的體驗(yàn)，有助于提高培訓(xùn)效果和效率。

圖2 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

培訓(xùn)管理也是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，培訓(xùn)管理應(yīng)分為兩部分，學(xué)員信息管理和培訓(xùn)資料庫(kù)管理。學(xué)員信息包括學(xué)員姓名、學(xué)習(xí)記錄、崗位級(jí)別、成績(jī)記錄等。培訓(xùn)資料庫(kù)則包括培訓(xùn)案例庫(kù)、仿真系統(tǒng)工況庫(kù)、故障庫(kù)、在線操作庫(kù)等。仿真培訓(xùn)案例庫(kù)包含正常操作案例、故障處理案例和設(shè)備巡檢案例等，是總結(jié)梳理運(yùn)維人員常用的操作票、故障處理手冊(cè)、巡檢操作手冊(cè)的結(jié)果。

（1）培訓(xùn)案例庫(kù)

培訓(xùn)案例庫(kù)中保存正常操作案例和故障處理案例。案例中保存該案例的名稱，適用工況，案例類型，適用培訓(xùn)學(xué)員等級(jí)，注意事項(xiàng)等基本信息，以及案例需執(zhí)行操作列表，包含每一步的操作描述，下令點(diǎn)名，下令類型，操作類型，與不同操作之間的邏輯關(guān)系等。教員可以在教員站對(duì)培訓(xùn)案例庫(kù)進(jìn)行增刪修改等操作。

（2）培訓(xùn)工況庫(kù)

培訓(xùn)工況庫(kù)中保存著不同工況條件下抽水蓄能電廠模型設(shè)備的狀態(tài)值及模擬量值，以滿足不同操作案例對(duì)初始工況的要求。除了系統(tǒng)交付時(shí)工況庫(kù)預(yù)留的基礎(chǔ)工況，教員也可以將操作平臺(tái)的當(dāng)前工況保存，新增為工況庫(kù)中的新工況。

（3）培訓(xùn)故障庫(kù)

培訓(xùn)故障庫(kù)中保存著引發(fā)設(shè)備故障或事故的故障點(diǎn)及其故障狀態(tài)的狀態(tài)值。一個(gè)故障處理案例根據(jù)復(fù)雜程度可能由單一故障點(diǎn)或多個(gè)故障點(diǎn)構(gòu)成。在系統(tǒng)加載正常工況后，再?gòu)墓收蠋?kù)中調(diào)取故障點(diǎn)，將其值強(qiáng)置為故障狀態(tài)值，即可在模型中觸發(fā)故障流程，生成故障工況。

4 崗位定級(jí)應(yīng)用

培訓(xùn)人員的崗位定級(jí)是該仿真系統(tǒng)的重要應(yīng)用之一。崗位定級(jí)的考評(píng)主要是測(cè)試培訓(xùn)人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理問題的能力和水平。過去通常采用問答題的形式，由考官評(píng)判操作人員執(zhí)行的正確性和合理性，受人為因素影響較大，而且答題記錄也不便于后期分析整理[4]。

操作票考評(píng)功能。該應(yīng)用主要考驗(yàn)學(xué)員獨(dú)立寫票能力，可以在運(yùn)行專業(yè)崗評(píng)實(shí)施過程中，對(duì)考生操作票試卷進(jìn)行預(yù)判，輔助考評(píng)員進(jìn)行打分。程序通過對(duì)比考生答案與標(biāo)準(zhǔn)答案，對(duì)考生答案的每一項(xiàng)操作步驟進(jìn)行標(biāo)記，作為考評(píng)員評(píng)分依據(jù)，以及考生要求查閱試卷的依據(jù)，這樣一方面可以提升評(píng)卷效率，另一方面可以提高客觀性。

案例操作考評(píng)功能。該應(yīng)用主要考察學(xué)員具體執(zhí)行操作的能力，系統(tǒng)在學(xué)員完成案例的過程中，記錄學(xué)員的每一步操作，用自動(dòng)評(píng)分功能對(duì)比培訓(xùn)案例庫(kù)中保存的標(biāo)準(zhǔn)操作，對(duì)每一項(xiàng)操作進(jìn)行標(biāo)記，案例操作結(jié)束后，對(duì)學(xué)員整體操作進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分，并給出缺失項(xiàng)目。教員可在系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分的基礎(chǔ)上，調(diào)閱學(xué)員操作記錄，對(duì)系統(tǒng)評(píng)分進(jìn)行更正。

通過上述考核工作，可以更加客觀、公平、準(zhǔn)確的進(jìn)行崗位定級(jí)工作，為南網(wǎng)培訓(xùn)中心建立成熟的培訓(xùn)考評(píng)體制。

5 結(jié)語

本文以南方電網(wǎng)清遠(yuǎn)蓄能電廠為模擬對(duì)象，展現(xiàn)了三維可視化與仿真在抽水蓄能電站管理培訓(xùn)中的建設(shè)思路及應(yīng)用效果。三維可視化技術(shù)可以直觀表達(dá)海量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬各種信息的融合和綜合展示，結(jié)合科學(xué)合理的案例庫(kù)和故障庫(kù)設(shè)置，可以靈活的設(shè)置修改培訓(xùn)內(nèi)容。通過這套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以使技術(shù)人員迅速熟悉抽水蓄能電廠，更好的利用培訓(xùn)教案資源，為公司的未來發(fā)展提供更好的業(yè)務(wù)支持和人才保障。