一种电力职业培训系统及方法与流程

本发明属于系统培训领域，更具体地，涉及一种电力职业培训系统及方法。

背景技术：

随着城市建设的发展，电网的设备规模呈现井喷式增长趋势。但目前在运的电网设备的运行状态不容乐观，电网的工程建设问题、设备运维问题、专业队伍培育问题等问题愈发凸显，严重影响电网的安全稳定运行。

传统电力系统培训方式存在时间长、开销多、危险大和效率低等缺点。在内容上，传统方式以单向知识为主，其中包括文字、图片、视频和教具演示等。这导致其在形式上以教师为输出中心、学生作为知识的接受体。虽然有实际生产环境中的教学和实习，但是面向新手的内容往往以认知和体验为主。而处于实际工作中的设备往往由于其具有一定的封闭性或危险性，不允许新手进入或操作。以上原因导致了实操对象较少，一般由教师演示在生产过程中容发生的误操作。这一教学形式在某些特定场景中将会使实际生产设备发生很大损耗；同时学员实操时间少、花销费用大，教学过程中氛围可能比较沉闷枯燥，往往无法吸引学员的兴趣。并且在复杂的生产环境中，许多生产设备较为昂贵，一旦在教学时发生事故就可能会造成极大的人身和财产损失。因此，亟需一款运用新型技术的电力培训系统来提高整个队伍的操作水平。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电力职业培训系统及方法，其目的在于提供直观生动、具有可持续性、教学效果好和培训费用低的电力职业培训技术培训系统及方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电力职业培训系统，所述系统包括：模型管理模块、学习模块和考核模块，其中：

所述模型管理模块中，包括虚拟电力场景，教师预先设计虚拟电力场景，包括设备类、人物类、工具类、安全设施类、机械类和特效类中的一种或多种；

所述学习模块中，包括理论培训资源，教师预先设计理论培训资源，包括培训讲义、图片和视频中的一种或多种，将理论培训资源导入学习模块中，受训人员在所述学习模块中，根据理论培训资源的演示，学习虚拟电力场景内的理论知识；将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述学习模块中学习虚拟电力场景内的实操知识；

所述考核模块中，包括理论知识考题和实操考题；教师预先设计关于模型管理模块中的一种或多种理论以及实操题目和答案，将题目和答案导入所述考核模块中，且将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述考核模块中，进行理论知识的答题以及在虚拟电力场景下进行实操演示，所述考核模块根据题号来识别题目，并根据答案实时评改，所述考核模块中记录受训人员的理论成绩和实操成绩，若成绩合格，则培训通过，若成绩不合格，则培训不通过，重新接受配培训；

所述受训人员在学习实操知识或进行实操考核时，在虚拟电力场景下使用的教具为3d打印设备生产的3d模型教具，所述模型管理模块中导出stl格式或stp格式的模型文件，再通过3d打印切片软件对模型文件进行切片，生成路径文件，将所述路径文件逐一导入3d打印设备，成型3d模型教具，所述3d模型教具与所述模型管理模块中的场景相匹配；

所述3d模型教具包括损耗教具和模型沙盘，所述3d模型教具完成打印后进行去除支撑、打磨、上色及装配处理。

优选地，所述受训人员通过注册或由管理员授予登录电力职业培训系统的身份认证，进入电力职业培训系统时需要使用所述身份认证。

按照本发明的另一方面，提供了一种电力职业培训方法，所述方法包括：

在模型管理模块中设计虚拟电力场景；

受训人员接受在学习模块中虚拟电力场景的理论与实操培训；

受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的理论与实操考核；

综合考核成绩判定受训人员的培训是否通过。

优选地，所述在模型管理模块中设计虚拟电力场景，具体包括：设备类、人物类、工具类、安全设施类、机械类和特效类中的一种或多种。

优选地，所述受训人员接受在学习模块中虚拟电力场景的理论培训，具体方法包括：

受训人员在学习模块中，根据教师预设的培训资源，利用图片、视频或讲义演示学习理论知识。

优选地，所述受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的实操培训，具体方法包括：

将模型管理模块中的虚拟电力场景导入学习模块中，受训人员在学习模块中，根据教师预设培训流程对虚拟电力场景内的物体进行实际交互操作，完成实操学习。

优选地，所述受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的理论与实操考核，具体方法包括：

将模型管理模块中的虚拟电力场景导入考核模块中，受训人员在考核模块中，完成理论考题的作答，以及对虚拟电力场景内的物体进行实操考核。

优选地，所述综合考核成绩判定受训人员的培训是否通过，具体方法包括：

理论考题与实操考核的考题根据教师预设占比；

受训人员在考核模块中，进行理论知识的答题以及在虚拟电力场景下进行实操演示，所述考核模块根据题号来识别题目，并根据教师预设的答案实时评改，所述考核模块中记录受训人员的理论成绩和实操成绩，根据成绩占比判断受训人员的最终成绩，若成绩合格，则培训通过，若成绩不合格，则培训不通过，重新接受配培训。

优选地，所述根据教师预设培训流程对虚拟电力场景内的物体进行实际交互操作，完成实操学习，其中，进行实际交互操作的教具为3d模型教具。

优选地，所述3d模型教具包括损耗教具和模型沙盘，所述3d模型教具完成打印后进行去除支撑、打磨、上色及装配处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

可交互的虚拟场景既能逼真地再现场景中的操作流程，又能实现在现实情况里难以实施、甚至无法完成的操作。受训人员可通过虚拟电力培训软件的考核模块来及时地进行自我评价，以了解对于相应课程知识的不足，从而能帮助学员自身更有针对性地学习。受训人员所完成的考核也会反馈给教师。教师既能了解学员的学习进度，还能有针对性地调整教学内容。该模式期望通过“受训人员自我反馈”以及“受训人员到教师的反馈”这两种路线，在提升受训人员自主学习效率的同时，减少教师的工作量。在虚拟现实仿真训练时，受训人员可通过3d打印的场景式教学沙盘了解实际生产环境下的操作流程和设备布局；同时，一些易损耗、成本高的培训教具也可用3d打印的低成本模型来代替。

附图说明

图1是实施例一中根据电力职业培训系统设置一款虚拟现实教学客户端显示界面；

图2是实施例一中三维模型的设计流程；

图3是实施例二中提供的一种电力职业培训方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一：

本实施例一中，提供一种电力职业培训系统，所述系统包括：模型管理模块、学习模块和考核模块，其中：

所述模型管理模块中，包括虚拟电力场景，教师预先设计虚拟电力场景，包括设备类、人物类、工具类、安全设施类、机械类和特效类中的一种或多种；

所述学习模块中，包括理论培训资源，教师预先设计理论培训资源，包括培训讲义、图片和视频中的一种或多种，将理论培训资源导入学习模块中，受训人员在所述学习模块中，根据理论培训资源的演示，学习虚拟电力场景内的理论知识；将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述学习模块中学习虚拟电力场景内的实操知识；

所述考核模块中，包括理论知识考题和实操考题；教师预先设计关于模型管理模块中的一种或多种理论以及实操题目和答案，将题目和答案导入所述考核模块中，且将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述考核模块中，进行理论知识的答题以及在虚拟电力场景下进行实操演示，所述考核模块根据题号来识别题目，并根据答案实时评改，所述考核模块中记录受训人员的理论成绩和实操成绩，若成绩合格，则培训通过，若成绩不合格，则培训不通过，重新接受配培训；

所述受训人员在学习实操知识或进行实操考核时，在虚拟电力场景下使用的教具为3d打印设备生产的3d模型教具，所述模型管理模块中导出stl格式或stp格式的模型文件，再通过3d打印切片软件对模型文件进行切片，生成路径文件，将所述路径文件逐一导入3d打印设备，成型3d模型教具，所述3d模型教具与所述模型管理模块中的场景相匹配；

所述3d模型教具包括损耗教具和模型沙盘，所述3d模型教具完成打印后进行去除支撑、打磨、上色及装配处理。

由于传统电力系统培训方式存在时间长、开销多、危险大和效率低等缺点。在内容上，传统方式以单向知识为主，其中包括文字、图片、视频和教具演示等。这导致其在形式上以教师为输出中心、学生作为知识的接受体。虽然有实际生产环境中的教学和实习，但是面向新手的内容往往以认知和体验为主。而处于实际工作中的设备往往由于其具有一定的封闭性或危险性，不允许新手进入或操作。以上原因导致了实操对象较少，一般由教师演示在生产过程中容发生的误操作。这一教学形式在某些特定场景中将会使实际生产设备发生很大损耗；同时学员实操时间少、花销费用大，教学过程中氛围可能比较沉闷枯燥，往往无法吸引学员的兴趣。并且在复杂的生产环境中，许多生产设备较为昂贵，一旦在教学时发生事故就可能会造成极大的人身和财产损失。

本实施例一中，电力职业培训系统设置一款虚拟现实教学客户端，如图1所示，在电力职业培训系统中实操工具选用3d模型教具，3d模型教具由3d打印设备生产，3d打印设备的路径文件来自于模型管理模块，在模型管理模块中导出stl格式或stp格式的模型文件，再通过3d打印切片软件对模型文件进行切片，生成路径文件，将所述路径文件逐一导入3d打印设备，成型3d模型教具，所述3d模型教具与所述模型管理模块中的场景相匹配。损耗教具是用于替代造价较高且损耗程度较高的电力耗材；模型沙盘用于替代一些往往因其复杂而危险的环境，不允许受训人员进行实地的观察学习、或是有些设备因为其成本昂贵和结构复杂而不允许在教学过程中进行拆解的大型的电力设备和电力设施。

本实施例为满足虚拟场景的交互要求、并在保证软件稳定性上尽可能还原真实场景，以unity3d引擎为开发平台来搭建，如图2所示。unity3d引擎集成了成熟的三维展示、网格划分、碰撞检测、vr接口、移动终端打包等特点，并支持ugui等较方便的ui设计模块。本实施例的软件系统在unity3d上并基于c#script进行开发。在界面开发时，可用unity3d引擎的ugui进行统一开发，这样能避免将unity3d场景嵌入其他界面框架后所存在的兼容性差、接口少等缺点。

虚拟电力培训软件基于unity3d引擎开发，其中涉及到的虚拟场景模型或用户界面的交互主要受开发者所编写的脚本控制。大部分脚本将以场景物体组件(component)的形式发挥控制作用。在设计控件的脚本时，要基于“单一功能脚本”的原则，根据单一功能进行脚本设计；在分别实现各个模块功能时，以用户界面为单位进行脚本设计，再通过主要界面对次要界面的调用来实现模块功能。

虚拟电力培训软件的功能如图1所示。虚拟电力培训软件的开发脚本按用途可分为四大类，分别为：

(1)control：包括控制虚拟电力培训软件界面或场景的主要交互逻辑的脚本；

(2)object：一些对象的实例类，如目录条目对象和考核题目对象；

(3)system：一些通用的或面向软件外部的操作，包括数据库操作、文件读写操作、调用系统对话框等；

(4)photon：和photonserver通信或操作有关的脚本。

为了避免出现受训人员重复或替代他人参加考核或者培训的情况，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，所述受训人员通过注册或由管理员授予登录电力职业培训系统的身份认证，进入电力职业培训系统时需要使用所述身份认证。在电力职业培训系统中，虚拟电力培训场景允许多名受训人员在同一场景中协同完成训练；在同一训练场景中，允许多组受训人员分别完成训练。虚拟电力培训场景的多人协同训练根据由字符组成的识别码来区分不同的训练组别。

电力职业培训系统通过远程访问服务器端的数据库来实现与用户信息相关的操作。数据库中的用户信息按用途不同，分别以“blogin”表和“buser”表进行管理：

(1)blogin记录了与用户登录相关的主要信息，包括用户名、密码、权限、最近登录时间和登录状态。

(2)buser记录了与用户考核相关的信息，以用户名为主键，其他列为答题卡和考试资格。其中答题卡以数字字符串的形式记录。

这两类用户信息的传递都对信息传输准确性有较高的要求。在unity3d的编辑器中，与访问用户数据库相关的方法由的“userdb”类实现。“userdb”类中的静态方法以tcp协议来访问服务器端的数据库信息。tcp协议具有可靠性高的优点，适用于安全性、信息准确性较高的用户信息传输。

电力职业培训系统中的多人协同操作功能本质是不同客户端间的通讯形式及所传递信息——即设计虚拟现实教学客户端和服务器端的分布形式，以及解决不同客户端之间所同步的信息内容及信息传递方式。

在三维场景式工程培训模式软件系统中，客户端与服务器端之间所传递的信息主要分为身份信息以及场景信息，两者对于信息传递的准确性和即时性要求不同：身份信息即用户的唯一身份标识，具有高准确性以及低即时性的要求；而场景信息即虚拟场景中场景模型的状态信息，包括模型编号、方位、种类等，这类信息具有高即时性的特点。因此如何根据通讯信息的特性来选择传递方式将直接影响软件系统的运行速度及虚拟环境的真实感。

在实现多人协同功能时，将使用photonserver框架作为服务器端场景同步软件的开发。photonserver是一个实时套接字服务器和开发框架。photonserver具有快速、易于使用且易于扩展等优点。该框架的服务器端架构是在windows系统平台上用c#编写的，与unity3d引擎保持了一致。它的免费开放版本具有最多100个并发，这对于三维场景式工程培训软件系统的需求来说已经足够。

模型管理模块没有使用虚拟场景的需求。为保证软件系统的整体性，选择以winform框架作为模型管理模块的界面开发平台。winform是基于.netframework平台的客户端开发技术，可以使用c#编程，这与unity3d引擎保持了一致性。.net提供了大量windows风格的控件和事件，具有上手简单，开发快速的优点。为了实现对文件的管理，选用visualsvnserver来实现对文件的传输和管理。visualsvnserver是一种是开放源代码的版本控制系统的服务器端应用。

结合虚拟现实技术和3d打印技术的三维场景式工程培训模式在维护时会涉及大量三维模型文件及其衍生的文件，如模型在渲染后生成的.fbx文件、用于3d打印的模型切片文件等。模型管理模块将以三维模型文件为核心、模型的衍生文件为附属来统一管理模型资源。

模型管理模块以sqlserver数据库和visualsvnserver版本库为开发核心，并基于c#编程语言建立三维模型数据库。sqlserver数据库的作用是以模型编号作为唯一标识，管理三维模型的相关信息。visualsvnserver版本库软件作为模型资源的文件管理模块，用于在客户端与服务器之间传输三维模型文件及其衍生文件。

模型管理模块的功能包括：三维模型记录的添加、检索、修改、查询及三维预览等功能；同时还具有分布式管理和多版本维护的特性。模型库以“客户端/服务器”架构进行布置，通过局域网进行通讯连接。模型管理模块和虚拟现实客户端共享同一个数据库以保证用户能够通过同一个访问权限规则对两者进行访问。

实施例二：

本实施例二中，提供一种电力职业培训方法，如图3所示，能够克服当前电力职业培训的接受信息被动、枯燥乏味、培训成本高、学时不足和实操风险等问题，所述方法包括：

s101：开始。

s102：在模型管理模块中设计虚拟电力场景。

s103：受训人员接受在学习模块中虚拟电力场景的理论与实操培训。

s104：受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的理论与实操考核。

s105：综合考核成绩判定受训人员的培训是否通过。

s106：结束。

本实施例二中，教师首先在模型管理模块中预先设计虚拟电力场景，包括设备类、人物类、工具类、安全设施类、机械类和特效类中的一种或多种。然后，教师在学习模块中预先设计理论培训资源，包括培训讲义、图片和视频中的一种或多种，将理论培训资源导入学习模块中，受训人员在所述学习模块中，根据理论培训资源的演示，学习虚拟电力场景内的理论知识；将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述学习模块中学习虚拟电力场景内的实操知识。

受训人员在学习模块中，根据培训讲义、图片和视频等单向信息流的演示，按照工作流程对虚拟电力场景内的物体进行交互操作，从而实现知识体系的构建、以及操作流程和内部构造的学习。

受训人员可根据自我评价的学习效果，进行局部的知识提升，完成以受训人员为中心的有针对性自主学习。

受训人员的在线客观题考核成绩将通过网络上传至服务器；

教师可通过电力培训软件系统的用户管理模块对所有学员的在线职业考核测评记录。

教师既能了解学员的学习进度，还能有针对性地调整教学内容。该模式期望通过“受训人员自我反馈”以及“受训人员到教师的反馈”这两种路线，在提升受训人员自主学习效率的同时，减少教师的工作量。

培训结束后，受训人员参加考核，教师预先设计关于模型管理模块中的一种或多种理论以及实操题目和答案，将题目和答案导入所述考核模块中，且将模型管理模块中的虚拟电力场景导入所述学习模块中，受训人员在所述考核模块中，进行理论知识的答题以及在虚拟电力场景下进行实操演示，所述考核模块根据题号来识别题目，并根据答案实时评改，所述考核模块中记录受训人员的理论成绩和实操成绩，若成绩合格，则培训通过，若成绩不合格，则培训不通过，重新接受配培训。

为了使得虚拟场景更加生动和真实，容易贴近真实场景，所述在模型管理模块中设计虚拟电力场景，具体包括：设备类、人物类、工具类、安全设施类、机械类和特效类中的一种或多种。本实施例二严格按照《国家电网公司带电作业操作法》配电线路部分及国家电网公司《电力安全工作规程(线路部分)》所要求的各项规定，通过建立与带电作业相关的场景、设备、人物、工器具、管理文件素材模型和管理系统，利用3d动画技术制作仿真动画课件，为电力职业培训建立一个3d培训平台，符合实际需求，能够保证项目系统稳定运行。

所述受训人员接受在学习模块中虚拟电力场景的理论培训，具体方法包括：

受训人员在学习模块中，根据教师预设的培训资源，利用图片、视频或讲义演示学习理论知识。

为了让教师能够在不需要具备较多软件开发知识的前提下对虚拟电力培训软件客户端中的教学内容进行更新，在开发时需要实现在用户界面层面的开放式教学资源更新。可更新的教学资源根据更新方式分为三种，分别是文本更新、图片与视频资源更新，以及场景更新。文本资源更新是基于对目录配置文件的直接读写来实现的。图片与视频资源以原文件的形式存于unity3d的可读写文件夹中，而将其本地存储路径存于目录配置文件中。场景内容将以unity3d的热更新模块——assetbundle资源打包功能进行单独打包。三维模型的设计流程如图2所示。与图片、视频资源文件的更新原理类似，assetbundle文件被存储于unity3d的可读写文件夹中。当相应文件被调用时，assetbundle文件中的内容将会被解压并在表现层中加载。同理可实现考核模块的实施。

所述受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的实操培训，具体方法包括：

将模型管理模块中的虚拟电力场景导入学习模块中，受训人员在学习模块中，根据教师预设培训流程对虚拟电力场景内的物体进行实际交互操作，完成实操学习。

所述受训人员在考核模块中完成关于虚拟电力场景的理论与实操考核，具体方法包括：

将模型管理模块中的虚拟电力场景导入考核模块中，受训人员在考核模块中，完成理论考题的作答，以及对虚拟电力场景内的物体进行实操考核。

所述综合考核成绩判定受训人员的培训是否通过，具体方法包括：

理论考题与实操考核的考题根据教师预设占比；

受训人员在考核模块中，进行理论知识的答题以及在虚拟电力场景下进行实操演示，所述考核模块根据题号来识别题目，并根据教师预设的答案实时评改，所述考核模块中记录受训人员的理论成绩和实操成绩，根据成绩占比判断受训人员的最终成绩，若成绩合格，则培训通过，若成绩不合格，则培训不通过，重新接受配培训。

所述根据教师预设培训流程对虚拟电力场景内的物体进行实际交互操作，完成实操学习，其中，进行实际交互操作的教具为3d模型教具。

所述3d模型教具包括损耗教具和模型沙盘，所述3d模型教具完成打印后进行去除支撑、打磨、上色及装配处理。

打印3d模型教具的具体步骤包括：

通过电力职业培训系统的模型管理模块导出stl格式或stp格式的模型文件，再通过3d打印切片软件对模型文件进行切片，生成路径文件；

将路径文件逐一导入3d打印设备，成型3d打印电力培训教具；

对3d打印电力培训教具进行去除支撑、打磨、上色及装配等处理；

受训人员通过操作3d打印电力培训教具完成实操训练。

在电力行业中,由于电是很危险的，每一个生产环节中都可能存在安全隐患，并且不是每一个生产现场都可以进去的；同时电力设备的昂贵,一旦发生事故损失惨重，而利用3d与打印技术的电力培训系统，不仅能节省培训系统的硬件投资，降低危险，学员还可以真实地模仿他们所做的工作，熟悉环境和设备，操作那些复杂且不能出错的设备。还能使那些环节联系更加密切，使受训员工进入每个部分进行深入了解，往往会学到现实当中无法接触的东西。

应用于电力系统培训的虚拟现实培训系统基于虚拟现实技术，打破了上述传统培训方式的局限性，允许学员能在虚拟环境中进行自主的、不受生产环境约束的学习以及训练。虚拟现实技术的加入也缓解了电力系统培训教具不足和学时不足的限制，并将危害到人身安全和设备安全的风险降到最小。但是，虚拟现实系统通常需要费力的建模和昂贵的专用渲染硬件，因此渲染质量和场景复杂度也经常受此限制。对3d打印技术而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个形状复杂的电力系统产品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。像变压器、隔离开关都价格不菲，而通过3d打印出来的产品，可以代替昂贵的电力培训耗材，大大节约培训成本。

本领域的技术人员容理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。