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在线式电气仿真网络培训系统技术构架
[发布时间] 2018-05-29 [点击数] 186

在线式电气仿真网络培训系统技术构架

 

冯伟   唐剑云

(上海电力工业学校,上海 200240)

 

【摘  要】  本文在目前集成化电气仿真支撑系统的模式上,提出了电气仿真网络培训系统的技术构架,简要地分析了这种构架的基本特征和功能,并为它的实现提出了可行性的论证。

【关键词】  集成化支撑系统,网络仿真技术,在线应答,流媒体播放

电气仿真是整个电力系统运行与维护交互培训中的一个重要组成部分,它能形象真实地模拟出系统的各种运行状态,并接受运行人员的相关操作指令。目前,电气仿真系统大多对某一特定的网络进行组态,汇集发电厂及变电站终端。这套系统在早期以硬件模拟平台为主体,外型上能基本做到与被仿真的发电厂及变电站现场格局保持一致,然而近年来不断被软件化。在内部运行机制上,各种模拟操作都受到集成化仿真支撑系统的监视与管理。支撑系统内核采用了模块式图形建模技术,这种技术不必通过复杂的交互式命令来组建和调试网络模型,而是通过图形编辑,以画线方式建立图形模块之间的相互连接。这种高度集中化的管理系统对于相对稳定的仿真对象具有十分重要的意义。

1.在线式仿真培训技术的提出

电力系统本身的不断完善和发展,特别是系统结构的复杂化和异动性能的增强,对运行人员提出了越来越高的要求。显而易见,集成化仿真支撑系统逐渐暴露出它的局限性。下列图1所示为变电站电气仿真装置硬件配置图,它的运行受到集成化仿真支撑系统的控制。不难看出该集成化仿真支撑系统的主要特点。首先,它被约束为一个自我锁定的系统,仿真系统的功能及应用范围已经预先设计并被固定下来,受训人员只能被动式地接受系统所固有的设计方案。如果我们在某个层次上提出新的质疑,系统可能无力解决。而当电气仿真需要提供新的内容时,就必须重新建模并进行相应的调试。同时,它又是一种机械化式的系统,整个电气仿真装置在运行中虽然达到了现场中的逼真度,然而其仿真智能化将大受限制。从人员培训的角度来看,通常要求学员了解得更多,以便在实用中有发挥的余地。我们要提出的问题是,当仿真操作达到某一进程时,为什么会这样,接下去又会怎么样,仿真系统应该为我们提供诸多与实际相符合的演示,以增强受训人员的感性认识。或者,倘若我们提出了某种要求,则仿真系统应能给出相关的定性分析,即从设备的结构及工作原理等角度做出这种进程的理论论证。只有这样,才能使受训人员真正有所收益。要实现这种智能化,仿真系统必须具备在线应答功能,即在任何进程上的在线跟踪与功能传播(虽然我们并不一定要求仿真系统对这一功能进行实时演示),而这种对答功能通常集中反应在对硬件结构以及操作软件的更新上。

另外一个重要的不足之处是集成化仿真支撑系统的封闭性。从整个结构流程来说,这种仿真系统实现了管理服务器与模拟平台及现场的并行式链接,因而它排除了所有的外部设备对系统的影响,这就使得所有的受训人员被限制在一个特定的环境内。

2.开放式网络技术构架的新特征

电气仿真培训系统必须实现多元化和智能化,这是目前依据培训结构和目标提出来的具体要求。受训人员需要知道,发电厂及变电站现场所碰到的问题,一方面需要在仿真系统中通过模拟被重演,又要能根据理论知识解释这一客观现象,并能被推广到更为广泛的智能化领域。如果在模拟操作中出现了预期的症状,系统必须能推断这种症状出现的根源,进而对这种症状做出说明。作为更高的培训目标,需要电气仿真培训系统能形象地演示事件的全过程,这正是对仿真培训系统提出的本质要求。

与之相联系,在整个仿真系统中,应当驳接更多的媒体外挂程序,以实现真正的在线式培训。只要在某一环节中受训人员提出知识请求,仿真培训系统就能播放相应媒体解说演示片断;另一方面,受训人员应被允许以对等的方式将自己的新内容输入系统,以便让系统自动生成新的媒体内容并被添加相应的摸块中而构成其固有的组成部分。这种新型的技术构架具体表现在以下几个方面。

2.1  硬件操作与软件操作相并存

硬件操作是指受训人员根据系统工程师或教练员的意图,在模拟的电气设备现场以及控制操作平台进行相应的设备仿真操作,操作的信息被接口转换器翻译成支撑系统所能识别的数字信号,并通过输入输出设备被支撑系统接收和实时处理,最后将处理结果再转换成模拟量返回后台及现场设备,并在后台表现出真实的现象。受训人员根据在终端平台上所看到的结果来做进一步的分析和判断,以便为后操作做准备。这一过程称为完全意义上的仿真。纯软件操作模式可以完全脱离硬件仿真平台。我们可以将现场设备做成块内置在专门的应用软件中,直接以编码或图形交互的形式进行操作。只要在用户计算机显示屏幕上打开相应的仿真系统界面,借助于键盘和鼠标或其他输入设备,通过设备图形或菜单来选中操作请求,计算机便能迅速做出相应事件响应,同时通过屏幕及音响,逼真地反应出仿真动态效果。

支撑控制系统可以设置相关功能,只打开硬件操作环境或软件操作环境,或者两种操作环境同时打开。硬件操作具有强烈的直观性,提高了仿真度,同时可提高受培训人员的操作技能,然而设置硬件平台需要昂贵的造价。软件操作模式则克服了这一缺陷,并能在脱离硬件环境的条件下达到完全相同的效果。更为重要的是,软件操作模式可以同时实现多项操作以及多用户操作,以便为不同要求的受训人员提供不同的培训内容。但是这种操作的不足是直观性相对欠缺,仿真度相对较低,对新进学员缺乏现场直感,而且对支撑系统提出了更高的要求,包括需要更多的显示终端和提供更多的接口支持。

2.2  在线应答与媒体教学

在线应答技术是仿真培训系统亟需整合与改进的重要内容,这其中包括相当强大的智能化手段,需要操作系统有更大的容量和更高的编程设计要求,包括对应的容错性能。理想的在线应答技术能够实时解答受训人员的疑难问题,同时提出相应的解决方案。媒体教学则可以和实时培训相配合,指导受训人员提高理论水平与现场岗位技能。强大的媒体功能可以绘声绘色地演示设备的详细结构、工作机理以及运行程序的全过程,达到完全逼真和可感性接受的程度。

2.3  提供强大的网络支持

理想的仿真培训系统同时也是一个智能考核系统。通过设计开发仿真培训系统局域网并接受网络服务器的管理,是对用户实现网络支持的基础。更为重要的是,通过对局域网与互联网的相连接,在遵守共同的网络协议的情况下,便可构成互联网的一部分。在这种环境下,受训人员可以不必亲临培训基地,只需通过开放式互联系统,在任何位置注册登录仿真培训网站,便可完成相应的培训任务。网络系统可以为每一个被培训的授权用户建立子页,并保留相关信息。这样,受训人员完全可以足不出户,直接将个人电脑构成仿真培训网络的客户终端。

3.网络技术构架的实现

要实现上述仿真培训系统的开放式网络技术构架和智能化功能,势必要对整个硬件环境提出相当高的要求,这其中包括原有的仿真支撑控制系统的所有硬件结构,同时外加更多的硬件接口、数据通讯译码器和网络适配器等。在软件方面,首先必须开发专用仿真培训网站,以及相应的多媒体应用系统,以便与操作系统构成一个整体,同时可将多种网络协议通过转换贯穿整个体系。不仅如此,网络管理员、网络工程师或培训教练员的相关技能也应作相当程度的提高,以适应整个系统的正常运转,加强协同工作性能。所有专业技术人员必须具备相当精湛的电气专业知识和实践能力,同时还需掌握网络的运行机制以及对网络的管理与维护技术。这是对整个运行环境提出的基本要求。

 

上述图2为具有网络技术构架的开放式电气仿真培训系统原理框图。从图中可以看出这种构架的本质特征。在整个结构体系中,利用网络总线实现各环节之间的相互联络和数据传输,其中起关键作用的部分是网络服务器和公共交换机。网络服务器用来提供强大的网络支持和网络数据库的调用,而公共交换机则可以在集成化电气仿真支撑系统与网络主机以及用户工作站(包括内部客户机和外部用户终端)之间实现对等式数据交换。

3.1  网络构架的工作机制

在开放式网络仿真培训系统中,网络主机控制整个网络协同工作,集成化仿真支撑系统既是它的内核,又是它的子域,这种技术构想可以使集成化仿真支撑系统具有相对独立性,以便在网络关闭或解体的情况下仍可照常运行。更为重要的是,网络服务器可以在网络主机的监控下,一方面为集成化仿真支撑系统提供新的数据来源,另一方面也将相应的驱动程序和应用软件、特别是与之相匹配的功能指令模块加载给集成化仿真支撑系统,支撑系统便可实现集成优化,使各类群体的受训用户提出的新任务得以被支持和正确处理。

显然在这种技术构架中,集成化仿真支撑系统不仅保留了原有的所有功能,而且对用户的在线支持得到了发挥。网络服务器可以在同一时间获取摸拟控制平台以及配电设备现场上的所有信息,这些信息将被传输到网络主机,在由网络主机同步处理并传输到各个域内工作站平台,并使这些信息受控地通过网络互联而对外发送。

3.2  媒体演示与播放机制

在这种开放的网络培训仿真体系中,媒体演示与播放已成为其重要的内容。数据库中储存并管理着大量的媒体数据信息,而且可以不断被动态刷新。

整个系统中包含着两种类型和特征的数据库。一种是由集成化仿真支撑系统所管理的数据库,这种数据库媒体信息以直接存储器存贮方式被调用,运行速度快,传输率高,通过网络总线传输可以不经任何数据处理而被模拟平台以及域内客户机所访问;同时,控制主机还可以将这些数据经过技术转换加工后发送给网络服务器。当受训人员在线发出媒体演示请求指令后,相应的驱动程序就会被执行。这种直接的媒体播放方式称为管道式播放。另一种是由网络控制主机直接控制的网络数据库,控制主机接受任何形式的用户合法请求,可以将这类数据发送给指定的访问者。网络数据库信息可以在网络控制主机的监控下,利用网络服务器为远端客户提供在线服务。为防止数据在传输过程中造成信息失真、图像掉帧或免遭网络病毒感染,同时为了节省用户的下载时间,网络数据通常采用压缩传输技术。

当远端客户通过拨号上网访问网络数据库时,网络服务器受令向客户发送信息。一般情况下,考虑到网络媒体信息数据量大,电缆传输速率较慢,为减少用户下载过程中的冗长等待时间,因而在客户端采用目前较为先进的流媒体播放技术。这种技术使得数据下载与解压播放可以同时进行,大大提高了用户的访问速度。流媒体技术需要获得网络在线支持,同时为客户提供相应的专用媒体播放器。

3.3  用户登录与授权机制

通过开放式互联网,已成为人们获得信息的重要手段。利用开放式网络技术(而不仅仅是特定局域的框架式网络)进行电气仿真培训,已成为未来的发展趋势,并将迅速被推而广之。然而,服务于某一企业的专业培训网站不同于普通的公共娱乐性网站,在构建时有它的独特性和严密性,不经任何专项授权的用户将被拒绝作受训访问。培训网站在被用户访问的过程中,针对于某一培训目标,需要受训的登录用户完成一系列的专业性操作,或者接受系统的专项培训指导,或者完成在规定时间之内的考核性操作。这种操作一旦完成并被登录者所确认,网络控制系统便将其锁定,除网络系统管理员之外,任何造访者都无法对其再行访问。与此同时,网络控制系统能针对登录者的操作自动生成相关的操作后信息,这种操作后信息一方面被控制系统用来建立培训统计档案,另一方面可以被发送到控制系统为登录用户所建立的网络子页中,以供用户开放式访问。专业培训网站的这一特殊功能,为从事网络考核提供了极为重要的条件。

在用户的登录机制中,采用密码验证与在线注册相结合,不被注册的用户不能获得登录许可证。登录许可证是用户获得网络控制系统认可并可深入系统内层进行访问的凭证。注册的过程同时也是请求网络系统为用户建立信息子页的过程,在这一过程中,用户可以完成包括缴纳培训费用、申请加入会员、选择不同的登录权限等一系列操作。如果登录用户放弃注册,则用户的登录许可证不能被系统所授予,并且访问权限被限制在只对网站的公共信息浏览上。

网络控制系统为访问者提供的所有授权均被限制在受训员的范围之内,不同的授权可以实现不同的培训和操作目标。这些授权主要包括非受训权、在线培训权、在线考核权以及永久会员权等。网络控制系统允许用户在培训访问过程中作规定期限的临时中断,以便于用户在特定情况下需要临时退出培训环境。控制系统可以为用户保留中断状态,建立相应的操作信息,当用户以相同的身份重新登录时,自动默认地回到这一状态。一旦用户的专项权限操作过程全部完成,网络控制系统便为用户建立完整的信息结果,并将这一信息发送到网络公共信息查询数据库中,同时(可选地)清除用户的注册及其专项操作授权。

4.结束语

高性能的在线式、开放式网络仿真培训技术已成为一种发展趋势,它不提高了培训效率和培训操作自动化,同时也实现了分离式培训机制。当然,要完全实现网络在线式、开放式仿真培训,还有一个艰难的组网过程,它首先需要程序设计开发人员加紧这一领域的创意和设计开发,以尽快实现网络与专业的结合,培训与实时考核的结合。




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