光伏電站虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)①

胡昌吉,董 嫻,段春艷

1(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院,佛山 528137)

2(順德中山大學(xué)太陽能研究院,順德 528300)

光伏電站設(shè)計、施工、運(yùn)行維護(hù)等專業(yè)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性.為了鍛煉培訓(xùn)人員的動手能力,提升技能水平,在培訓(xùn)課程的整體教學(xué)設(shè)計上可以采用項目化教學(xué)方式,以項目為單位組織教學(xué),通過具體案例,按項目實(shí)施的順序逐步展開,讓培訓(xùn)人員在掌握技能的同時,引出相關(guān)專業(yè)理論知識,使其在技能訓(xùn)練過程中加深對專業(yè)知識、技能的理解和應(yīng)用,從而滿足培訓(xùn)人員職業(yè)生涯發(fā)展的需要.

然而,光伏電站培訓(xùn)項目的開展對實(shí)訓(xùn)條件的要求較高.首先是實(shí)訓(xùn)場地的要求.戶外環(huán)境的影響較大,雨天或風(fēng)沙較大的天氣不適合實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)的開展;其次是實(shí)訓(xùn)設(shè)備、部件、安裝工具和檢測設(shè)備的要求.光伏電站項目實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本較高.即便是培訓(xùn)人員分組實(shí)訓(xùn),也會受到實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)的限制;最后是實(shí)訓(xùn)安全的要求.在實(shí)訓(xùn)過程中,培訓(xùn)人員現(xiàn)場操作時不可避免的會遇到很多危險因素,如直流拉弧、短路故障等.尤其是對初學(xué)者來說,老師在實(shí)訓(xùn)過程中也很難掌握每個培訓(xùn)人員的動態(tài)來確保其安全.

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)在降低實(shí)訓(xùn)場地限制、解決實(shí)訓(xùn)成本過高、降低學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作時的危險性等方面具有很大的優(yōu)勢[1].虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺融合計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和多媒體技術(shù),將實(shí)訓(xùn)場景、設(shè)備、工具等虛擬化并以3D圖像顯示出來[2].學(xué)生通過計算機(jī)可以在虛擬的實(shí)訓(xùn)場景中漫游,并操作虛擬的實(shí)訓(xùn)設(shè)備,完成實(shí)訓(xùn)任務(wù),激發(fā)學(xué)習(xí)積極性,提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果.倫淑嫻等人構(gòu)建了新能源分布式發(fā)電虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺,建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)各設(shè)備和部件的模型,用于學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的工作原理、故障檢測、設(shè)備維護(hù)、性能檢測等知識,但在光伏電站設(shè)計、施工、運(yùn)維方面涉及較少[3].何帆等人在構(gòu)建太陽能光伏虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)思路方面也提供了一些參考,但欠缺了光伏電站設(shè)計與施工方面的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容[4].

為解決以上光伏電站實(shí)訓(xùn)教學(xué)問題,本文開發(fā)了一套光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺,主要用于虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué),向培訓(xùn)人員展現(xiàn)一個虛擬的3D光伏電站踏勘、設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的全過程,并讓其在過程中學(xué)習(xí)和活動,以實(shí)現(xiàn)對其專業(yè)知識的傳授和專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng).

1 光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的搭建

1.1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的功能

該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺分為學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)和考核3大功能模塊.

學(xué)習(xí)模塊的功能是讓學(xué)生學(xué)習(xí)光伏電站從踏勘到運(yùn)維全過程的相關(guān)知識,其包括對不同類型建設(shè)場址識別、氣象資源評估、陰影分析、設(shè)備選型、基本的電流電壓匹配、安裝角度計算和選擇、安裝施工關(guān)鍵知識點(diǎn)、光伏電站日常維護(hù)及故障處理、基本檢測設(shè)備運(yùn)用等.整個教學(xué)過程都會由技術(shù)工程師、施工現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人、電站站長等虛擬角色帶領(lǐng)學(xué)生人物到達(dá)指定的位置進(jìn)行講解介紹,每一個教學(xué)互動環(huán)節(jié)都有明確的圖畫指示標(biāo)志指引學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的操作,同時還有詳細(xì)的幫助提示文本指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí),提示文本參考資料包括相關(guān)教材、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等.在學(xué)習(xí)過程中,對于特別重要的知識點(diǎn)虛擬角色人物還會通過提問的形式檢查學(xué)生是否掌握該知識點(diǎn),如果學(xué)生回答錯誤,虛擬角色人物會要求學(xué)生重新學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)直到學(xué)生能給出正確的答案為止.

實(shí)訓(xùn)模塊功能是讓學(xué)生熟悉光伏電站的真實(shí)環(huán)境,以及在真實(shí)設(shè)計施工和運(yùn)維過程中遇到的事件.在該模式中,學(xué)生控制的人物可以在不同階段的場景中自由走動和觀察,也可以通過與各方面負(fù)責(zé)人對話選擇相應(yīng)的工作階段和場景進(jìn)行操作.在進(jìn)行各階段工作的過程中,學(xué)生可以通過提示框獲取下一步如何做的詳細(xì)提示.

考核模塊的功能是考核學(xué)生對各個知識點(diǎn)的掌握情況,系統(tǒng)會隨機(jī)安排事件發(fā)生的順序,通過虛擬人物發(fā)布任務(wù)和提問的方式要求學(xué)生進(jìn)行各階段工作的關(guān)鍵操作并回答相關(guān)的重要知識點(diǎn)問題.這個過程中不會有任何的幫助提示,如果學(xué)生回答錯誤或進(jìn)行錯誤的操作,系統(tǒng)彈出出錯對話框告訴其正確答案或正確操作方法并扣分.最后根據(jù)完成的時間和扣分情況給出綜合評分并作出評價.

1.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺采用Unity3D引擎進(jìn)行開發(fā),Unity3D是一個用于制作三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時三維動畫的專業(yè)開發(fā)工具[5].其開發(fā)的軟件可以發(fā)布到 Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要 HTML5)、Windows phone 8 和 Android 平臺,也可以利用 Unity Web player插件發(fā)布網(wǎng)頁軟件,支持 Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽.

該虛擬實(shí)訓(xùn)軟件分為客戶端和服務(wù)器端.客戶端用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行訪問,服務(wù)器端由數(shù)據(jù)服務(wù)器、文件資源服務(wù)器、以及Web服務(wù)器組成,其軟件架構(gòu)見圖1.Web服務(wù)器用于存儲瀏覽器讀取的網(wǎng)頁文件.用戶數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲用戶信息數(shù)據(jù),管理員進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)器后臺對用戶信息進(jìn)行登記,分配用戶名和密碼,用于登錄軟件平臺.文件資源服務(wù)器用于存儲VR場景資源文件.

2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)內(nèi)容及實(shí)施

2.1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的操作界面簡潔美觀,學(xué)生無需特別訓(xùn)練就可熟悉當(dāng)中操作.對于場景中的關(guān)鍵三維模型,學(xué)生可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放以便從不同角度進(jìn)行觀察.場景中的工具操作、物品互動、參數(shù)設(shè)置等都可以通過簡單的鼠標(biāo)、鍵盤操作實(shí)現(xiàn).表1將詳細(xì)列現(xiàn)實(shí)操作表現(xiàn)的具體要求.

圖1 光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺軟件架構(gòu)圖

表1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的表現(xiàn)形式要求

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺包括5個場景,每個場景中包括2D圖形和3D模型,平臺采用Solidworks和 3Ds Max共同來完成場景模型與光伏電站設(shè)備模型的構(gòu)建,具體建設(shè)內(nèi)容見表2.

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可完成5個實(shí)訓(xùn)項目,每個實(shí)訓(xùn)項目中包括若干個實(shí)訓(xùn)任務(wù),通過實(shí)訓(xùn)任務(wù)的開展來幫助學(xué)生掌握相關(guān)的專業(yè)知識和技能,具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容見表3.

表2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺中的場景和圖像模型列表

表3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺中實(shí)訓(xùn)項目及實(shí)訓(xùn)任務(wù)

2.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)施

本虛擬實(shí)訓(xùn)平臺直接在支持WebGL的網(wǎng)頁瀏覽器輸入網(wǎng)址進(jìn)行訪問,推薦使用支持WebGL效果比較好的Firefox瀏覽器.用戶登陸實(shí)訓(xùn)仿真平臺界面后,可以通過鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行操作,詳細(xì)使用說明見圖2.

每個3D場景都會有一套UI(用戶界面)系統(tǒng),提供用戶最常用的功能,如查看當(dāng)前實(shí)訓(xùn)任務(wù)列表,快速切換實(shí)訓(xùn)位置地點(diǎn),查看幫助信息等,見圖3.

圖2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的使用說明

圖3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的場景按鈕說明

用戶登錄虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺后,可以根據(jù)需要選擇練習(xí)模式或是實(shí)訓(xùn)模式,見圖4.其中練習(xí)模式可以讓用戶隨意在所有場景中漫游、練習(xí)使用儀器設(shè)備,這適合平時的單個實(shí)訓(xùn)任務(wù)教學(xué);而實(shí)訓(xùn)模式則必須按照分配的任務(wù)進(jìn)行,用戶不能隨意切換位置或場景,必須完成了當(dāng)前任務(wù)才能進(jìn)行下一步操作,這適合實(shí)訓(xùn)考核過程以檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.

圖4 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的模式選擇

用戶選擇了模式后,進(jìn)入任務(wù)系統(tǒng)界面,如圖5所示.任務(wù)系統(tǒng)作為實(shí)訓(xùn)軟件的核心組件,它管理和控制著整個實(shí)訓(xùn)的操作流程,包括頂部當(dāng)前任務(wù)提示框、任務(wù)列表、角色與電腦互動、控制設(shè)備運(yùn)行、組裝與拆解等.當(dāng)學(xué)生完成某一實(shí)訓(xùn)任務(wù)后,可以在任務(wù)列表中查看到,如圖6所示.

光伏電站實(shí)訓(xùn)過程中需要使用到一些工具,例如在光伏電站現(xiàn)場勘查中需要使用卷尺、指南針等測量工具,因此,在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的工具系統(tǒng)欄中顯示了在場景中拿取到的物品、工具等,當(dāng)物品圖標(biāo)填滿背包欄時可拖動底部滑條搜索要使用的物品工具,見圖7.

圖5 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的任務(wù)系統(tǒng)

圖6 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的任務(wù)列表

圖7 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的工具系統(tǒng)欄界面

2.3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的運(yùn)行效果

本虛擬實(shí)訓(xùn)平臺依據(jù)光伏電站企業(yè)真實(shí)項目案例進(jìn)行設(shè)計和制作,因此,平臺上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的操作流程與實(shí)際光伏電站項目設(shè)計開發(fā)流程一致,具有很強(qiáng)的工程示范價值.該平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院16級光伏工程技術(shù)專業(yè)的兩門專業(yè)核心課程《并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與施工》、《光伏電站運(yùn)維與管理》的實(shí)踐教學(xué)中.由于本虛擬實(shí)訓(xùn)平臺用戶采用第一人稱視覺進(jìn)行三維場景漫游與互動,具有很強(qiáng)的代入感,學(xué)生利用平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)的興趣較高.平臺的實(shí)際運(yùn)行效果表明,該平臺仿真程度高、數(shù)據(jù)可靠,功能達(dá)到了設(shè)計要求,具有很強(qiáng)實(shí)用性和靈活性,軟件整體運(yùn)行效果理想,有利地提高了光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平.

3 結(jié)論與展望

光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺為光伏專業(yè)培訓(xùn)人員搭建了一個可以完成光伏電站開發(fā)全流程的實(shí)訓(xùn)平臺.通過實(shí)訓(xùn)案例,驗證了該平臺的靈活、高效的特點(diǎn),可幫助光伏發(fā)電專業(yè)學(xué)生和相關(guān)工程技術(shù)人員快速掌握光伏電站設(shè)計、施工和運(yùn)維技術(shù).