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标题

电力系统VR仿真综合实践平台的建设与共享

范文

高阳冷雪敏许傲然谷彩连刘宝良

摘? 要：由于行业特殊性，电力生产各环节因其风险高和成本高的特点，相关仿真实验要综合考虑经济性和安全性而无法做到跟行业对接，进而无法给学生提供真实的现场实践环境，运用VR技术构建电力系统VR仿真综合实践教学平台是解决以上诸多问题的有效途径。文章以产教融合、校企合作、智慧学习为思路，构建了两大平台、四大课程模块、四个能力培养层次的综合实践教学体系，开发了对接行业需求的实验教学内容、采用灵活多样并能够持续创新的教学方法、不断改进并研发贴近现场工作环境的实验技术、构建持续改进的实验评价体系及考核方法，在各方面产生了示范性的实验教学效果。

关键词：电力系统;VR仿真;综合实践平台;共享

中图分类号：G640? ? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2020）04-0081-04

Abstract： due to the industrial characteristics， power production for its high risk and high cost of each link， the characteristics of the simulation experiment should be comprehensive consideration of economy and safety but unable to do with industry docking， it can no longer be providing students with real practice environment， using the VR technology to build integrated power system VR simulation practice teaching platform is an effective way to solve the above problems. Based on the fusion， between production and education cooperation， wisdom， learning for thinking， build the two big platform， the big four course module， four ability training level of integrated practice teaching system， docking industry demand is developed in the experimental teaching contents， flexible and able to continuous innovation of teaching methods， continuous improvement and development close to the field work environment of experiment technology， the construction of a continuous improvement evaluation system and evaluation method， the demonstration experiment teaching effects in various aspects.

Keywords： power system; VR simulation; integrated practice platform;sharing

電力生产过程的各个关键步骤当中，（火力、水力、风力、核能、生物质等）发电环节、输电环节、变电配电等都存在高电压、大电流的运行特点，运行环境都存在安全性的要求。同时由于现有技术不能保证电量大量存储，电能即发即用，各环节必须同时完成。所以在真实的运行环境中对实际电气设备进行相关实验是不现实的，即使电力行业的运行人员和检修人员也要在专门的仿真培训系统进行培训，从而提升操作技能。传统的实验教学，平面虚拟二维三维技术很难满足就业单位对毕业生实践能力的要求。随着社会对人才越来越高标准的需求，亟需改革固有的实践教学模式，提高教学效果。

一、电力系统VR仿真综合实践基地建设

开展电力系统VR仿真综合实践基地建设，有助于推进现代信息技术与实践教学项目深度融合、同时利于拓展深层次实践教学内容、进一步开拓实践教学时间和空间维度、提升实践教学综合质量和整体水平。秉承工程化与实际化、虚实结合、校企共建、教学与培训一体化、课内外一体化原则。确保实施过程与实际环境高度结合，密切跟踪最新技术发展动态，与时俱进。在转型发展的大背景下，充分利用好社会各种优质资源，共商、共建、共管、共享。坚持以学生为本，从学生实际就业需求出发，注重对学生创新创业能力的培养、综合实践能力的提升培养，调动学生参与实验教学的积极性和主动性。建立稳定安全的开放共享运行模式，积极探索在线VR仿真实验教学平台可持续运行的有效模式。

在建设过程中深入发掘教育资源，两大综合实践教学平台（电力系统VR综合实践教学平台、电力系统VR综合实践共享平台），构建了虚拟仿真教学环境，并完善了现有的网络共享性实践资源条件。同时开发了四大实践课程模块、四大层次能力培养科学系统的实践教学培养体系。为打造国家级虚拟仿真实验教学示范中心，树立省市VR中心标杆建立良好基础。

二、基于VR技术的综合实践平台的构建

系统设计遵循国际标准，采用目前国际先进的技术。以需求导向明确、应用场景广泛、产业支撑强烈的实践项目为切入点，打造现场和虚拟仿真的融合平台。通过构建数字化、智能化共享平台，为使用者进行自主学习、多元化学习提供条件，搭建具有稳定开放性、持续扩展性、良好兼容性和对接行业前瞻性的VR仿真综合实践教学运行平台。功能模块接口准统一，能支持第三方硬件和软件的接入和系统升级，以满足远期规划要求。虚拟实习实训需要覆盖全部电力电气对象，实习实训内容需要覆盖学生实习和新员工实训的主要内容，同时还需要满足其他相关要求，虚拟实习实训软件系统思路如图1所示。

图1 虚拟实习实训软件系统

虚拟仿真实验教学共享平台建设坚持“应用驱动、共建共享、深度融合、统筹规划、持续发展”的原则，以学生个性化需求为主导，以自主学习创新为核心，共享信息化实验教学资源、共建优质核心实验教学资源，满足多学校和多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要。积极探索研发具有目标方式个性化、行业前沿智能化、形成专业布局合理、教学效果突出、信息资源泛在化的实践教学新体系，支撑电力行业实践教学质量全面提升。

持续开发建设VR仿真综合实践平台门户网站，网站展示的内容包括：实验教学项目相关信息、实验项目介绍视频、实验课件资料、通知公告、实验项目共享信息情况、实验教师团队简介、网络需求、项目架构及关键技术、实验项目所体现的行业优势特色、后期建设规划、实验项目申报书等。门户网站展示的栏目和内容可根据学校的需求自行添加。平台不限客户端数，支持同时在线人数2000人以上。

三、虚实结合实践教学体系的构建

（一）开发切合电力行业的实验教学内容

利用先进的VR虚拟技术，沉浸式的教学环境，以虚实结合和实用为先为原则，重点建设电力系统中高电压，大电流的运行环境，模拟真实不可逆的破坏性故障及相关高压实验，解决现存电力专业实践高危险和高成本的问题，同时紧密结合电力行业的电力互联网发展方向，注重实验环境信息化，自动化，互联化和智能化的建设，开发贴合电力系统及其自动化专业理论基础知识，立体化、多元化、具体化的理论与实践基础实验课程，开发可自主研发拓展的虚拟实验环境，激发学生自主创新能力，让学生可以在虚拟环境中模拟实践操作，创造性的去实践，利用开放性的实验接口，鼓励在校教师结合高校人才培养需求和办学特色开发相应的虚拟实验项目。

（二）采用网络化教学方法

利用虚拟仿真项目信息化，网络化的优势，采用线上视频预习和理论答题方式进行实践学习的准备工作，让学生熟悉相关设备操作及理论知识，实践教学中以问题为导向，实际案例为引导，让学生通过互动操作教师和学生同时线上操作方式提升实践能力，同时配合文字，图片，动画及相关VR视频让学生全方位体验电力运行状态及电力故障的具体过程。同时采用网络自动化评审方式，自动化对学生考核，在成绩反馈的同时利用网络实现线上问答及评价。

（三）引用多元化的实验技术

电力系统VR虚拟仿真实践平台在采用常见多媒体，大数据和3D建模技术同时，为了迎合建设坚强智能电力物联网的发展，将引入电力行业以应用的相关技术最大程度贴合实际电力系统运行情况，建设虚拟环境将还将应用人工智能，云调度，超级计算和无线传感等多种技术，提高虚拟实验教学的真实性和有效性。同时加强虚拟展示设备的安全性和可控性，切实做到对学生视听的多层式，全方位的保护。

（四）构建全方位的评价考核体系

建立持续性和全方位的评价和考核体系，采用互评模式在对学生实践技能科学性的评定同时，根据学生的反馈建立虚拟实践平台的提升通道，在保证专业性和实用性基础上，最大程度贴合学生实际学习情况和理论水平。同时建立激励式评价方式和开放共享平台，利用高校实验联盟等多种形式，鼓励高校间远程学习和实验资源共享。

（五）产生示范性的实验教学效果

虚拟仿真实验教学效果显著，受益面大，学生实验兴趣浓厚，自主学习能力明显增强，实践创新能力明显提高。通过开展在线教学服务或技术支持等，积极发挥对专业类内实验教学信息化建设的示范引领作用。

四、综合实践课程模块和层次能力的培养

教学体系完善的过程即教学模块合理设置、教学层次细分的过程，依据学生对接行业所处区域，学生学历能力层次和学生类型，综合考虑各类型学生运用实验教学平台的不同需求，构建了“递进式”实践教学模块，设定了多层次教学目标。其中，教学模块细分为：VR+多环节实验实训教学模块、VR+多学科自主创新模块、VR+多层次工程实践教学模块、VR+综合实践教学模块。四大层次指的是，基本技能实践层次、创新技能实践层次、专业技能实践层次、综合技能应用实践层次，各层次变化由浅入深，并且层次间的铺垫作用较显著。各实践课程模块同对应层次能力培养相互融合，互相渗透，内容不断优化升级，其适用性和有效性也持续得到检验和证明，目前已取得阶段性成果。

（一）VR+多环节实验实训模块（第一实践课堂）

实践教学内容体系中的实践环节包括实验、实习实训、课程设计和毕业设计等，通常称为“第一实践课堂”。注重對学生基础理论知识的深入理解和验证性应用能力的培养，主要是针对基本技能的基础性重复操作能力的锻炼。

传统实践环节的真实环境难以打造，设备投资昂贵，危险性高，普通物理仿真、动态模拟仿真等很难调动学生的积极性和主动参与性。VR技术独有的沉浸感、交互性和构想性是区别于传统三维仿真技术、3D影视的核心特征，能够让学生在实验实训过程中产生充分的存在感和自主性，排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。通过自身的感知、运用肢体进行协调运动、对虚拟环境中的可视对象和可操作对象进行主动交互运维操作。例如电力系统构AR互动教学墙，学生可以通过手机AR应用功能，快速了解电力系统的“发、输、变、配、用”五大环节;220kV智能站VR实景漫游系统，学员佩戴VR眼镜，通过观看VR教学视频，720°全方位“进入”智能站，“身临其境”参观变电站内室内室外一次设备、二次设备;变电一次设备VR虚拟仿真模型库，学生通过自主学习，能够对设备外观、内部结构、动作机构工作原理等进行深入学习，全面了解变电一次设备。

VR仿真第一实践课堂，通过两大平台融合，以学生为主体配置学习资源，针对电力生产过程全产业链多环节设置自主实践流程。学生可以随时随地学习和自主掌控节奏，能够从根本上激发学生学习的热情和兴趣，加深其对理论知识的验证性理解，激发其对实践内容的创新性探索。切实保证多环节实验实训具有实践意义和导向作用。同时解决了传统实验无法及时跟踪现场实际的问题和学生学习实践与电力安全生产之间的矛盾。

（二）VR+多学科自主创新模块（第二实践课堂）

在智慧学习和应用转型发展的大背景下，高校越来越重视学生创新创业能力的培养，学生的双创、自主实践、学科竞赛和其他科技活动通常被称为“第二实践课堂”，注重对学生创新技能和创造能力的培养。运用VR技术可增强学习者对学习内容的感知程度、认知程度，从而使学生深化概念和萌发新的联想，启发学生的创造性思维。为学生创新创业提供孵化基地、搭建实验和实践教学平台。利用先进VR技术还对课程教学进行创新和改革，并横向拓展能源、动力、机械等其他专业的课程教学与实验。

VR仿真第二实践课堂的开设和成功运用，持续提升了我校学生的双创能力，每年有近30%的学生参与教师各类应用项目、参加专业竞赛，学生的创新创业能力和应用能力得到锻炼。同时学生就业质量，专业相近度，毕业生期待吻合度、工作满意度、用人单位对毕业生满意度明显提升。

（三）VR+多层次工程实践模块（第三实践课堂）

学生参加社会实践、顶岗实习、产学合作教育等称为“第三实践课堂”，本实践模块不仅适用于学生，同时针对新兴产业岗前培训、职业技能鉴定、课程创新、科学研究等提供服务平台，重点培养专业技术应用能力。

例如220kV主变压器检修VR虚拟实训系统，以220kV主变压器为主体，建立其精细化模型，并开发变压器的典型检修案例，主要对其检修过程进行仿真。仿真内容包括检修操作流程、工器具摆放、备品备件摆放、工器具的选择和使用等;220kV 3D智能变电站仿真培训系统，为智能变电站生产人员建立了全方位、全过程、全场景的运行、检修维护、安全等方面高逼真度培训环境，构建高效、全面、系统的专业化变电站生产培训平台，可以满足变电站生产及相关从业人员实现多层次、全方位、个性化的培训需要。

1. 可用于智能变电站生产人员的运行、检修、安全技能培训、考核和鉴定。

2. 可用于变电站和智能电网生产指挥、标准化管理、事故应急管理的辅助决策。

3.可推广到各生产运行和修试单位进行相关专业的教学、实习、科研。

（四）VR+綜合应用模块

利用我校现有的省级实验中心和虚拟仿真教学中心为基础，结合新建VR虚拟仿真实践基地，建立全方立、体化智能感知系统，实现对电力专业全专业链VR虚拟仿真，涵盖从电工、电机的基础仿真培训到智能变电站、新能源接入电站、微电网以及大电网的运行维护、设备检修等各个方面。纵向覆盖电力生产全过程，横向拓展能源、动力、机械多学科，同时施行对外开放，进行品牌建设。

信息化和智能化的高速发展要求电力从业人员不断更新技能、重塑技能，以适应更快的技能贬值周期，适应未来行业的动态变化。针对不同的学习者定制培训内容，帮助其通过专业知识的发展阶段，利用分析和反馈来创建适应学习者进步的具有挑战性的场景。遵循“多层次融合、多维度培养”原则，优化产教融合，在资源共享，技术创新与服务，学生就业与创业等方面加强与企业合作，共同培养能分析问题、能构建模型、能应用软件、能立足行业的高素质复合应用型人才。

通过产教融合，以全方位智能化感知为引领，申报承担科研项目和横向应用项目，做优做强科研平台，产出优秀科研成果，并尽快转化为现实生产力，服务地方转型发展。

五、结束语

本文通过构建电力系统发电、输电、变电、配电及智能电网全过程的VR仿真教学体系，形成虚实结合的实践教学环境和产学研联合开发与建设的共享共建模式。有效解决了传统教学模式所存在的系列问题。开发了对接行业需求的实验教学内容、采用灵活多样并能够持续创新的教学方法、不断改进并研发贴近现场工作环境的实验技术、构建持续改进的实验评价体系及考核方法，产生了示范性的实验教学效果。既锻炼了学生的综合实践能力，又提高了教师队伍的整体水平，促进了双师双能队伍的建设，每年电力专业毕业电网就业率高达80%，学生就业质量，专业相近度，毕业生期待吻合度、工作满意度、用人单位对毕业生满意度明显提升。

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