摘要：目前，断路器检修的很多培训工作缺乏生动性和直接性，真实设备上进行培训会受到时间、场地等多种条件的限制，培训成本高，培训科目有限。基于Unity3D的虚拟仿真技术针对以上问题找到了很好的解决办法。本文首先介绍了目前断路器实操教学存在的问题，介绍了Unity3D平台，并以实际教学为例介绍了基于Unity3D的虚拟仿真技术在断路器检修教学中的应用，最后分析了这种技术应用在实际教学中的意义。
关键词：断路器 Unity3D
1引言
目前培训中心对于断路器检修的很多培训工作，主要由教师通过文本、图片进行讲解，学生再到实际设备上练习的培训模式，这种方式缺乏生动性和直接性。此外，当今断路器制造技术发展迅速，新的型号、灭弧方式层出不穷，而培训中心无法投入所有型号的真实断路器以学生练习[1]。而且，在真是仪器上受训还会受到时间、场地等各种烦外界条件的限制，训练成本高，训练时间短，训练项目较少。传统教学的局限性使得断路器培训教学质量受到了严峻挑战。
虚拟仿真是构建一个虚拟的环境，对仪器设备的内部结构进行高度模拟，当人们进入这个模拟环境并与其交互时，就会产生“身临其境”的感觉，从而达到与真实检修情况相一致的目的。国内外的专家学者对虚拟仿真技术在教学方面的应用做了大量的研究，并开发了大量的相关软件，如：CAD、Multisim、LabWIEW、Matlab、Ansys等[2]。
教育部与2017年发表的 《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中指出，实验教学的建设水平直接决定其整体质量[3]。而开展虚拟仿真试验教学项目建设，能够加速相关专业知识与现代信息技术的深度融合，拓展教学内容的广度和深度，从而有效提升培训教学的水平和质量。
2断路器检修教学存在的问题
2.1教学的相关内容与设备相对滞后
由于断路器设备价格昂贵、现场教学过程中解体困难、相关技术更新也非常迅速。培训中心由于教学资金短缺、教学场地有限等各种原因，不能大批量地购买新型断路器供学生练习使用。只能使用一些各局更换下来的老旧型号断路器用于教学。由于相关高压设备的落后，学生受训后也普遍反映受训时使用的设备与现场设备有较大差距。
2.2教学手段相对枯燥
断路器相关检修项目的实操教学主要由老师通过PPT、黑板进行理论知识讲解，学生再进入实操场地练习的形式进行。这种方法很难形象、直观地将结构、原理、与系统间的连接关系讲解得透彻、清楚。而且这种传统教学方法带来的效果也会随受训学生人数增加而大大降低。因此我们需要打破传统方法，使用新的教学方式，从而提高教学质量。
2.3仪器设备数量有限
由于培训中心场地、资金有限，实操过程中，不可避免地出现“僧多粥少”的情况，往往即使通过分组方式同时进行实操，但仍然需要排队轮流进行练习。从而导致培训效率低下，一天下来每位学生的训练次数非常有限。同时，不同的受训人员对于理论知识和现场实际经验的掌握程度各不相同，因为人员、设备、时间等多方面因素的限制，导致学员只能按要求进行一遍操作流程，没有时间再针对薄弱环节，专门进行训练，无法实现真正意义上的“因材施教”。
3 Unity3D平台
Unity3D由丹麦的UnityTechnologies公司开发，是一个适用于多平台的游戏开发工具。因具有容易上手，开发轻松，编写方便，功能齐全，开发周期短等优点，已成为众多团队制作3D时的首选工具[4]。在使用Unity3D进行断路器的仿真建模过程中，该引擎的优势同样得到体现和发挥：一、可定制的IDE环境，在使用材质编辑器的过程中，更加直观方便，“所见即所得”，有效避免了繁琐复杂的代码编制过程；二，基于Mono的脚本开发，Mono的桥接使得C++图形引擎与GC的内存安全语言结合，在减少安全隐患的同时，也使得编写过程更加容易；三、多平台发布，该引擎能够满足大部分项目的需求，在支持PC、CONSOLE的同时，也可在WINDOWS、XBOX、PS2等近十个平台进行发布[5]。
4基于Unity3D的虚拟仿真技术在断路器检修中的应用
4.1课程内容方面
课程的内容安排有，各组件内气体回收及高纯氮冲洗，灭弧室拆卸，灭弧室检查，灭弧室复装，充入SF6气体及检漏，回装一次引线，拆除原套管，套管检查，更换新套管，操动机构外壳箱拆除，机构箱检查，气动机构润滑，操动机构传动部分检查，操动机构合闸弹簧检修，缓冲器检查，分闸电磁铁、合闸电磁铁检查，更换分合闸电阻，空压机检查，安全阀更换，加热器检查，电磁阀检查，汽水分离器检查，逆止阀检查，更换放水阀。根据课程需求开发的教学应用如图1所示。
图1 基于Unity3D的断路器模型
4.2课程安排方面
虚拟仿真平台使得只能在课堂完成的理论教学和只能在实操场地完成的技能实操有机的结合在一起。实操课时有限，不是所有项目都能训练得到，比如这一期的实操场地教学任务安排的是套管更换，操动机构检查，但是对于灭弧室的内部结构、灭弧过程和灭弧的相关原理就不能通过现场实际操作给予学生直观的印象。而此时虚拟仿真平台就可以发挥它的作用，提升课堂内的学习效率，如图2所示。同时断路器的分闸合闸过程在实际设备中是不能看到的，而仿真模型却能够轻松实现。
图2 断路器的灭弧室结构
4.3利用虚拟仿真平台进行实践考核
虽然实操考核过程中，受训学员们通过统一的标准化作业流程进行操作，已然能够在保证安全、避免习惯性违章的情况下，较为流畅地完成受训项目，但是在学员完成操作后，考官指出操作过程中的问题时，学员往往因为考试时紧张，对遗漏或出现问题的环节没有印象，回放现场录像查找势必耗费大量时间。考核本身不是目的，关键是让学员达到培训目标要求，快速发现存在的问题并迅速有效解决，最终能够将所学技能有效地应用于实际工作中。
虚拟仿真平台针对以上问题提出了很好的解决方案，教师不仅可以就整体断路器检修项目对学员进行考核，还能够设置考核模块，针对学员的薄弱环节有目的的进行考核。在考核完成后，学员可以在平台上查询、回放自己的操作过程及当时出现的问题。这种考核方式较客观地反应了学生对相关培训的掌握情况，并通过考核对所学知识和技能进行进一步的巩固和提升。
5基于Unity3D的虚拟仿真技术应用在实践教学中的意义
5.1提高效率
虚拟仿真上的练习虽然不能完全代替学员亲自到真实的断路器前进行的实际操作，但它能够让学员在进行真实断路器操作前，对断路器本身的结构特点、整个检修流程、准备工作安排、危险点及预控措施等都有了全面的了解，如图3所示。经过大量的反复练习，当学员再到现场断路器前操作时，便能够做到胸有成竹。这大大提高了培训教学的效率。
图3 虚拟仿真系统的作业指导
5.2降低损耗
实操教学中，安全工器具、高压设备的损坏原因主要有两个：一个是学员实操经验不足，操作失误导致工器具和设备的非正常损坏;另一个是短时间内的重复操作，造成的正常损耗。受训学员往往存在实际现场经验不足或习惯性违章行为，因而极易造成仪器设备的非正常损坏。同时，受训学员人数众多，而且为达到相应的教学效果，就需要学员们反复在设备上进行练习，这也就势必会增加设备的磨损和耗材的使用。而如果利用虚拟仿真平台，学员可以先在平台上进行反复练习，在掌握重点、难点和注意事项后，再进入场地进行实操训练，则可以大大降低第一种损耗，并能够有效地控制第二种损耗。
5.3增加安全可靠性
当学生在Unity3D平台下针对断路器检修出现误操作时，不会对现实中的人员和设备造成损坏。因而，学员可以在虚拟仿真上进可能的犯错，在学员们将自己操作中存在的违章行为全部暴露在系统面前，并看到了这种种违章行为带来的严重后果后，学员实操过程的安全性和可靠性会得到大幅度的提升。
6结语
现有的断路器检修教学过于依赖断路器设备实物，暴露出传统实操教学存在很多问题。该文介绍的基于Unity3D虚拟仿真技术能够大大丰富断路器检修的教学环节，能够有效改善电气设备落后、教学过程枯燥、断路器设备不足、教学时间有限等缺点。同时具有提升效率、降低损耗、增强安全可靠性等优点，是未来教学发展的必然趋势。
参考文献
[1]相茂英,马纯永,韩勇,霍鹏,王春.基于Unity3D的化工设备虚拟培训系统研究[J].计算机技术与发展,2014,24(07):196-200.
[2]杨雁冰.基于Unity3D的电工仿真实训教学平台的设计[J].信息系统工程,2018(05):175.
[3]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.
[4]张应中,徐可新,阎崇毅,罗晓芳.高压断路器弹簧操动机构的优化与仿真[J].高压电器,2014,50(04):66-71.
[5]刘亚丰,余龙江,卢群伟,苏莉,吴元喜.教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设[J].实验科学与技术,2018,16(02):195-198.
论文作者:崔鹏,李巨宝
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
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