ТРЕНАЖЕР ОПЕРАТИВНОГО И ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ПЕРСОНАЛА НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ
SIMULATOR FOR OPERATIONAL AND MAINTENANCE STAFF ON THE BASIS OF VIRTUAL REALITY MODELS OF TRANSFORMER SUBSTATION

Изобретение относится к области информационных технологий и вычислительной техники, а именно к виртуальным тренажерам персонала на основе моделирования подстанций в трехмерном виртуальном пространстве с обеспечением интерактивного взаимодействия оперативного и эксплуатационного персонала подстанций заказчика в целях его обучения методам безопасного проведения работ, в том числе в нештатных ситуациях и способам тренировки с использованием указанных виртуальных тренажеров.
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является система моделирования электрической подстанции для обучения операторов (патент Китая №203165263, 28.08.2013), включающая в себя систему управления, систему динамического захвата движения и систему отображения. Система управления включает в себя управляющий компьютер, который может принимать и передавать сигналы и может выполнять динамическое моделирование движения в соответствии с принимаемыми сигналами. Система отображения включает в себя шлем, используемый для отображения виртуальных сцен. Динамическая система захвата движения и система отображения связаны с системой управления. Управляющий компьютер может выполнять динамическое моделирование движения в соответствии с сигналами, полученными от динамической системы захвата движения и отображения виртуальных сцен на экране перед операторами в режиме реального времени.
Недостатком ближайшего аналога является упрощенная логическая часть тренажера, которая не представляет возможности математического моделирования энергообъекта, доступные в патентуемой системе. В частности, в аналоге не представлены возможности моделировании релейной защиты и автоматики энергообъекта, моделирования и расчета электрического режима.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, заключается в создании инструмента для подготовки и тренировки навыков оперативного и ремонтного персонала с целью снижения аварийности и предотвращения травматизма при работе в электроустановках с использованием современных технологий создания виртуальной реальности.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении качества обучения персонала за счет обеспечения максимального приближения к реальным оперативным переключениям и условиям на энергообъекте. Предлагаемый тренажер позволяет моделировать реальное оборудование, проводить тренировки на моделях существующих электрических подстанциях, тренировки, связанные с проверкой рабочего места, осмотром состояния оборудования (например, визуальная проверка изоляторов на наличие сколов и трещин), а также тренировки, отражающие реальные временные затраты на перемещение по подстанции и совершение переключений, за счет наличия системы навигации и анализа действия пользователя в виртуальной среде.
Заявленный технический результат достигается за счет предлагаемого способа тренировки оперативного и эксплуатационного персонала трансформаторной подстанции на основе моделей виртуальной реальности, загруженных на ПК в виде ядра с логической частью тренажера и графической трехмерной оболочкой тренажера, содержащей виртуальную модель трансформаторной подстанции, визуализируют на экране шлема виртуальной реальности, подключенного к ПК, графическую трехмерную оболочку виртуальной подстанции, загруженной в ПК, принимают от логической части тренажера, загруженной в ПК, бланк инструкции выполнения тренировки, отображаемый на дисплее шлема, осуществляют оперативные переключения органов управления в виртуальной среде посредством устройств управления, подключенных к ПК, в соответствии с полученной инструкцией, отслеживают посредством ИК-камер изменение положения тела оператора, информацию об изменениях положения тела и об оперативных переключениях передают через протоколы взаимодействия в логическую часть тренажера, после пересчета режима, данные о положении коммутационных аппаратов и показания приборов передают в графическую оболочку тренажера и отображают на экране шлема виртуальной реальности.
Предлагаемый способ тренировки осуществляется посредством тренировочной станции, включающей ПК с машиночитаемым носителем, содержащим логическую часть тренажера и графическую трехмерную оболочку, клавиатуру, мышь, джойстик, шлем виртуальной реальности, а также периферийные устройства навигации пользователя в виртуальной среде, подключенные к ПК, состоящие из инфракрасной камеры, треккеров мелкой моторики рук и всенаправленной беговой дорожки.
Благодаря наличию системы навигации пользователя в виртуальной среде обратной связи с пользователем обеспечивается возможность создавать такие визуальные эффекты в виртуальной среде, как подсветка органов управления в виртуальной среде при наведении пользователем на него указателя, а также имитация пожара или электрической дуги, возникающих при некоторых ошибочных действиях оперативного персонала. Указанная особенность позволяет проводить наглядные тренировки персонала в максимальном приближении к реальным оперативным переключениям на энергообъекте, что повышает качество обучения оперативного и эксплуатационного персонала трансформаторной подстанции.
Далее решение поясняется ссылками на чертежи, на которых приведено следующее:
Фиг. 1 - принципиальная схема взаимодействия блоков системы и пользователя.
Фиг. 2 - блок-схема тренировочной станции.
Фиг. 3 - блок-схема алгоритма проведения тренировки.
Фиг. 4 - общий вид тренировочной станции.
На фиг. 1 представлена общая схема взаимодействия между подсистемами: логической частью тренажера (ЛЧТ) и 3-D оболочкой. Ввиду того, что создаваемая система является интеграцией двух подсистем: ЛЧТ и 3-D оболочки, то действия человека, выполняемые в последней (которая является интерфейсом для пользователя), передаются на исполнение в ЛЧТ и их последующую фиксацию в ней. Информационный обмен между подсистемами будет осуществляться посредством локального программного транспортного интерфейса (API СОМ) и основан на транзакционной модели. Все элементы, представленные в визуализации и доступные для управления, будут иметь свой уникальный идентификационный номер (ИН). К таким элементам будут относиться органы управления оборудования в первичной цепи, ключи управления вторичных цепей, измерительные устройства, средства индивидуальной защиты и т.д. За каждым элементом будет закреплен определенный набор доступных действий, которые сможет совершать пользователь в ходе тренировки. Транзакцией называется обмен пакетами данных между подсистемами. Алгоритм обмена изображен на фиг. 3.
В соответствии с фиг. 3 последовательность информационных потоков при функционировании системы следующая.
Блок 1. Пользователь для начала работы в многопользовательском режиме запускает приложение «Тренажер», осуществляет выбор соответствующего режима и подлежащий отработке сценарий тренировки.
Блок 2. После указанных выше действий пользователя в качестве выходной информации от ЛЧТ и, соответственно, входной для графической 3-D оболочки на данном этапе выступает сцена обучения (виртуальная подстанция) и заложенный сценарий тренировки.
Далее блоки 3 и 4 соответствуют прохождению первой транзакции между ЛЧТ и 3-D оболочкой с целью запуска симуляции для данного пользователя. Это действие выполняется всегда при запуске системы на тренировочной платформе и является неотъемлемым этапом для начала работы.
Блок 3. После выгрузки сцены обучения и заложенного сценария в графическую 3-D оболочку ЛЧТ посредством сетевого интерфейса UDP проводит опрос параллельно работающих тренировочных платформ на предмет того, запущены ли уже симуляции их. Если симуляции уже запущены, то их выполнение временно блокируется на период полной загрузки (следующего Блока 4) на данной тренировочной платформе. Блокировка потока выполнения предусмотрена для того, чтобы корректно выгрузить данные в запускаемую симуляцию о текущем состоянии оборудования, доступного для управления, и таким образом обеспечить синхронизацию данных на параллельных симуляциях, часть из которых могла быть запущена раньше. В случае если на нескольких платформах одновременно начался запуск симуляции, то выполнение первых транзакций выполняется поочередно.
Блок 4. После блокировки потока выполнения (если она имеет место), 3-D оболочка получает от ЛЧТ ИН всех элементов, участвующих в запущенной симуляции и доступных для управления, и данные о первоначальном состоянии элементов. После выполнения данного действия тренировочная платформа готова к работе и проведению тренировки.
Далее непосредственно начинается процесс тренировки. Алгоритм, который реализуется при выполнении любого действия пользователем, описывается блоками 5, 6, 7, 8. Так как тренировка является совокупностью последовательных действий, то информационный обмен между подсистемами в ходе нее полностью описывается этими блоками.
Блок 5. Пользователь выполняет действие в графическом интерфейсе, например, поворачивает ключ управления линейного силового выключателя на отключение.
Блок 6. От 3-D оболочки в ЛЧТ проходит транзакция с информацией о типе воздействия на элемент с ИН N (ключ управления).
Блок 7. Отклик ЛЧТ на совершенное воздействие: заносится изменение в коммутационную модель электрической части подстанции, фиксируются изменения во вторичных цепях (сигнализации, управления и т.д.), осуществляется пересчет электрического режима, изменившегося после изменения состояния системы.
Блок 8. Осуществляется обратная транзакция от ЛЧТ в 3-D Оболочку: передача данных о визуализации по элементу N (например, после отключения выключателя необходимо изменить сигнализацию на щитах пункта управления, показания измерительных приборов, положение и т.д.).
Блок 9. Условно отображает все множество действий, выполняемых пользователем в ходе тренировки, которые также описываются блоками 5-8.
Блок 10. После завершения тренировки пользователем выполняется завершение симуляции. При этом ЛЧТ определяет число правильных и не правильных действий при совершении тренировки и оценивает их в баллах с соответствующими весовыми коэффициентами. Если достигнуто пороговое число баллов, то тренировка прошла успешно, иначе - неуспешно.
При осуществлении аварийных тренировок, когда при проведении оперативных переключений происходит отказ либо авария по не зависящим от пользователя причинам (момент отказа либо аварии определен заранее и заложен в алгоритм тренировки), предполагается реализовать следующий алгоритм. Так как визуализация этого события предполагает соответствующую транзакцию от ЛЧТ в 3-D оболочку, а генерация транзакций от ЛЧТ не предусмотрена, то с определенной дискретностью, 3-D оболочка будет параллельно посылать запросы в ЛЧТ на предмет наступления аварийного события.
На фиг. 4 изображен общий вид тренировочной подстанции и указаны следующие элементы:
11. Шлем виртуальной реальности.
12. Треккер положения рук.
13. ИК-камера.
14. Всенаправленная беговая дорожка.
15. Системный блок рабочей станции.
16. Монитор рабочей станции тренажера.
Тренировочная станция представляет собой персональный компьютер с машиночитаемым носителем, содержащим программное обеспечение, разделенное на два функциональных ядра: логическую часть тренажера (ЛЧТ) и графическую 3D оболочку. Также на компьютер устанавливаются необходимые программы для связи периферийного оборудования в единый комплекс. Неотъемлемой частью тренажера является шлем виртуальной реальности, являющийся средством отображения виртуальной реальности. Для отслеживания локальных перемещений тренируемого персонала, используется ИК-камера.
Набор периферийных устройств включает в себя:
- клавиатура служит для навигации по тренировочной станции;
- мышь - служит для навигации по тренировочной станции;
- шлем виртуальной реальности - служит для отображения 3D-оболочки;
- инфракрасная камера - служит для отслеживания положения тела и движений тренируемого и передачи информации в 3D-оболочку;
- джойстик служит для навигации пользователя в виртуальной среде;
- всенаправленная беговая дорожка.
Коммутационный модуль является подсистемой логической части тренажера и отвечает за хранение информации о топологии электрической схемы энергообъекта, текущем состоянии элементов схемы, их расчетных характеристиках. Также коммутационный модуль выполняет анализ схемы с точки зрения правильности топологии при ее построении и отладке.
Модуль защиты является подсистемой логической части тренажера и выполняет анализ схемы с точки зрения возможности локализации неисправности, возникшей в узле или зоне. Анализ выполняется автоматически, когда принципиальная электрическая схема сети открывается в приложении «Аниматор схем». При этом создаются списки зон защит, узлов схемы и взаимных блокировок, доступные для просмотра пользователем. Ввод информации о повреждении элемента приводит к отключению участка сети, что также может быть использовано для сверки схемы.
Система расчета режима представляет собой встроенный в логическую часть тренажера алгоритм, предназначенный для расчета установившегося электрического режима сети переменного тока моделируемого объекта.
Перед началом тренировки необходимо загрузить логическую часть тренажера и графическую оболочку (с помощью клавиатуры и мыши), настроить работу шлема виртуальной реальности. Эти функции может выполнять инструктор или администратор системы. Тренируемому необязательно обладать навыками подготовки системы к работе. Надев шлем виртуальной реальности, пользователь начинает тренировку на виртуальной модели трансформаторной подстанции. В предварительно загруженной логической части тренажера записана соответствующая тренировке эталонная последовательность действий, называемая сценарием тренировки. Сценарий содержит правильную последовательность действий, которые должен выполнить пользователь в ходе тренировки. Основным местом проведения тренировки является:
- общеподстанционный пункт управления, содержащий щиты управления;
- открытое распределительное устройство;
- закрытое распределительное устройство;
- другие производственные помещения энергообъекта, задействованные в процессе переключений.
В ходе тренировки пользователь взаимодействует с органами управления в виртуальной среде. Информация об изменениях передается через протоколы взаимодействия в логическую часть тренажера, и, после пересчета режима, данные о положении коммутационных аппаратов, показания приборов передаются назад в графическую оболочку тренажера.
Для совершения переключений пользователю необходимо подойти к органу управления на расстояние в виртуальной реальности, не более чем эквивалентное расстоянию вытянутой руки в реальности. Перед глазами пользователя в центре изображения всегда присутствует красный квадрат (прицел), используемый для взаимодействия с элементами графической оболочки. Для осуществления взаимодействия с элементом графической оболочки пользователю взглядом необходимо навести на него прицел. При наведении прицела на органы управления, включается их подсветка, помогающая пользователю с выбором оборудования. Подсветка представляет собой появление красной линии по контуру выбранного элемента, чем достигается его выделение на фоне текстур. Если элемент выбран верно, то пользователь нажимает на клавишу джойстика, чем и осуществляет воздействие на этот элемент.
Запуск системы заключается в загрузке необходимого программного обеспечения и настройки периферийных устройств. После запуска системы и настройки начинается тренировка. Отображение виртуальной среды осуществляется посредством шлема виртуальной реальности. Процесс тренировки заключается в выполнении пользователем действий в соответствии с заложенным сценарием обучения. Сценарий тренировки составляется в соответствии с нормативными документами по проведению оперативных переключений (бланками по оперативным переключениям). В ходе тренировки пользователю необходимо перемещаться по модели подстанции, воздействовать на органы управления, использовать средства индивидуальной защиты, вывешивать запрещающие плакаты и т.д. Для перемещения и воздействия на элементы пользователь использует джойстик, всенаправленную беговую дорожку, шлем виртуальной реальности, треккеры мелкой моторики рук и ИК-камеру. Эти инструменты являются главными средствами навигации. Пользователь сам визуально определяет свое положение в виртуальном пространстве. Можно выделить четыре вида двигательной активности пользователя:
1. Движения рук (мелкая моторика рук)
Здесь для распознавания используются треккеры мелкой моторики рук (на шлеме виртуальной реальности закрепляются устройства жестового управления, распознающие движения рук в поле зрения пользователя). Также для реализации взаимодействия с элементами графической оболочки может использоваться джойстик, с помощью рычагов которого осуществляется перемещение пользователя в пространстве, а с помощью кнопок - взаимодействие с выбранным виртуальным объектом.
2. Крупные движения тела (движение корпуса)
Этот вид движений отслеживается ИК-камерой, синхронизированной со шлемом виртуальной реальности. ИК-камера калибруется и фиксирует начальное положение шлема виртуальной реальности в пространстве. Далее во время тренировки ИК-камера отслеживает отклонение положения шлема в пространстве от начального.
3. Перемещения в пространстве шагами
Для реализации этого движения в виртуальной реальности используется всенаправленная беговая дорожка. Джойстик может использоваться для перемещения (имитация шагов при нажатии кнопки на джойстике) при отсутствии всенаправленной беговой дорожки или в дополнение к ней.
В любой момент тренировки пользователь может открыть бланк переключений для понимания последовательности выполнения действий посредством зарезервированной для этой функции кнопки на джойстике. Бланк появляется перед глазами пользователя в графической оболочке. Бланк переключений является оперативным документом, в котором указано, какое переключение производится, и приведен перечень действий, необходимых для выполнения в ходе переключений. В ходе тренировки программа оценивает правильность выполняемых действий и после окончания тренировки выдает отчет о проделанных операциях. Оценка осуществляется в специально созданном для этого в логической части тренажера модуле оценки. В него запрограммирована эталонная последовательность действий тренировки (ее сценарий). В ходе тренировки происходит описанный выше информационный обмен между ЛЧТ и графической частью. ЛЧТ передает информацию о выполненных пользователем действиях в модуль оценки и сравнивает получаемую последовательность с эталонной. При совпадении фактического и эталонного действий пользователю начисляются баллы. Их количество зависит от важности выполненного действия: различным действиям присваиваются соответствующие весовые коэффициенты. В результате формируется отчет фактических действий пользователя и его оценка в баллах. Анализ отчета позволяет определить готовность тренируемого к работе на реальном объекте и допущенные ошибки и недочеты.
Основным преимуществом разрабатываемого тренажера является наличие визуальной составляющей - графической 3D оболочки и ЛЧТ, работающие совместно. Тренировки, проводимые на разрабатываемом тренажере, будут наглядными и максимально приближенными к реальным оперативным переключениям на энергообъекте. Наличие графической 3D оболочки и использование технологий виртуальной реальности позволяет:
- моделировать реальное оборудование, проводить тренировки на моделях существующих электрических подстанциЙ;
- проводить тренировки, связанные с проверкой рабочего места, осмотром состояния оборудования (например, визуальная проверка изоляторов на наличие сколов и трещин), что невозможно на существующих тренажерах по оперативным переключениям;
- проводить тренировки, отражающие реальные временные затраты на перемещение по подстанции и совершение переключений;
- создавать такие визуальные эффекты, как пожар или электрическая дуга, возникающие при ошибочных действиях оперативного персонала.
Тренажер предназначен для эксплуатации в центрах подготовки персонала электросетевых компаний и крупных потребителей электрической энергии. Тренажер может быть использован как для подготовки дежурных электромонтеров подстанции, так и для тестирования оперативного персонала. Тренируемый персонал заранее оповещается о сценарии и целях проводимой тренировки (например, тренировки по выводу в ремонт трансформатора). Начав тренировку, персонал открывает бланк переключений в виртуальной среде и начинает последовательно выполнять указанные в бланке действия. За ходом тренировки следит контролирующий персонал, при необходимости дающий советы по взаимодействию с тренажером. После окончания тренировки программой создается протокол, указывающий ошибки (нарушение последовательности действий, невыполнение действия, выполнение лишнего действия или неправильное действие), совершенные в ходе работы.
Области использования системы: подготовка нового персонала и аттестация, повышение квалификации работающего персонала, проведение противоаварийных тренировок.