计算机仿真在电工特种作业培训中的应用.doc

计算机仿真在电工特种作业培训中的应用传统的培训方法大多是在实际系统中进行的。随着工业和科学技术的发展,系统的规模日益庞大、复杂,系统的造价日益昂贵,训练时因操作不当引起的破坏和危险性也大大增加。因此,提升系统运行的安全性事关重大，关键在于人员培训。为了解决培训问题,需要有这样的系统,它能模拟实际系统的工作状况及环境,又可避免采纳实际系统时所带来的危险性及高昂代价,这就是培训仿真系统。 依据特种作业事故的基本特点，人为因素是事故发生的主要原因。要保证电工特种作业安全,必须控制电工作业人员的不安全行为；要控制电工作业人员的不安全行为,必须提升他们的安全技术素养和安全操作技能，这主要靠培训来完成。目前，电工特种作业培训主要以授课演示加实物模拟平台训练的方法。由于电的危害性，在实物模拟平台上进行训练也存在许多危险；加之实物模拟平台数量有限，受时间、地点等限制，不能供人员反复使用。这些因素直接影响培训效率和质量。这就要求我们制定出更为有效且具有重复性好、安全性高、经济性好、效率高等优点的电工特种作业仿真培训平台。 计算机仿真培训原理仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及应用领域有关专业技术为基础，以计算机系统与相关物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统进行研究的多学科综合性技术。计算机仿真培训原理图。计算机仿真培训系统的组成如图1所示，主要由三个模块组成，即前台多媒体培训仿真界面、信息响应和计算机后台分析计算模块。后台分析计算是计算机仿真培训系统的核心，它包括计算机仿真模型、仿真模块、仿真结果分析、资源库和多媒体计算机网络。用户在前台操作，通过响应模块将用户的操作信息传递给后台，在后台通过仿真模型的判断和运算，做出决策，并将决策信息由后台经过信息处理与响应模块传递到用户操作前台多媒体培训仿真界面，实现交互操作训练。 计算机仿真建模。从电气的工作状况看，电工作业应该是一种连续性作业方式。为此，可将电工作业看作是一个连续性的系统。由于连续系统讲究连续性这一特征，可以在该连续的系统中设置多个控制连续性的关键触发器，便于在计算机上实现电工特种作业培训，达到预期效果。系统所要设置的关键触发器数量可通过仿真控制树建模确定如图2所示。其中，T表示仿真控制树的顶上事件；Ai表示仿真控制树上的分事件i=1，2；Xi表示仿真控制树上的事件触发器i=1，2。该仿真控制树的结构函数为：T=X1*A1=X1*(X2+A2)=X1*(X2+X1*X3)=X1*X2+X1*X1*X3=X1*X2+X1*X3解算得仿真控制树的最小割集为：MSC1：X1 ，X2 MSC2：X1， X3 通过计算该仿真控制树的最小割集，可以确定出在该系统中应该设置的触发器的个数n1=3即信号量的个数和仿真动画模块个数n2=3即进程个数。这样就可依据信号量和进程来制定仿真控制。信息处理与响应。信息处理与响应采用的制定方法是信号量和进程。进程是资源分配的基本单位，也是独立运行的基本单位。一个进程的生命周期可以划分为一组状态，这些状态刻画了整个进程。在进程的运行过程中，由于系统的并发运行及互相制约的结果，使得进程的状态不断变化。通常，一个进程至少可划分为三种基本状态，即就绪状态、执行状态和堵塞状态。进程并非固定处于某一个状态，其状态会随着自身的推动和外界条件而发生变化如图3所示。进程状态变化图说明了系统中每个进程可能具备的状态以及这些状态发生变化的可能原因。 信号量是一个确定的二元组(s, q)，其中s是具有非负初值的整型变量，q是一个初始状态为空的队列。整型变量s表示系统中某类资源的数目，当其值大于0时，表示系统中当前可用资源的数目；当其值小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被堵塞的进程数目。除信号量的初始值外，信号量的值仅能由操作改变。利用信号量的状态变化对进程和资源进行管理。培训界面与系统面向对象制定技术。面向对象方法类似于人们对实际问题的自然的思维处理方式,它将客观世界即问题领域看成是由一些互相联系的事物即对象组成。每个对象都有自己的内部状态和运动规律,不同对象间的互相作用和互相联系构成了完整的客观世界,问题的解由对象和对象之间的通讯来描述。利用对象概念来刻画客观世界,具有直观性和可理解性的优点。消息是对象之间进行通信的一种数据结构,对象之间是通过传递消息来进行描述的。将面向对象技术应用于仿真领域，从理论上突破了传统仿真手段的局限性,它由组成系统的对象及对象之间的互相作用关系来对现实世界进行建模,实现了从问题领域的分析、制定到实现的平滑过渡,与人们熟悉世界的自然思维过程相一致,增加了仿真研究的直观性,为复杂系统的仿真建模提供了一种有效的方法。因此,在电工安全培训仿真系统的制定中,我们采纳了面向对象的技术。 电工特种作业仿真培训系统的组成从电工培训内容上看，电工特种作业仿真培训系统可由工具、仪表、动力、照明和安全操作组成。其中，工具主要采用动画演示和讲解为主。而仪表、动力、照明和安全操作则主要采用仿真训练为主。依据电工特种作业的具体要求，系统应该具有示范培训、训练培训和培训考核等功能，其组成如图4所示。示范培训系统主要包括电工元件演示模块、电工原理仿真演示模块、线路运行与调试演示模块和故障分析与排除演示模块；仿真培训系统主要包括电工安全操作技能培训模块和故障分析与排除培训模块；仿真考核系统主要包括电工安全操作技能考核模块和故障分析与排除考核模块。 作业人员首先通过示范培训系统对电工作业进行基础培训教育，在此基础上，理论联系实际，进入仿真培训系统学习，主要进行各种电工安全操作技能培训(如仪器选择和接线)和事故分析与排除培训。在作业人员熟练、安全、准确地掌握了培训内容的基础上，由培训负责单位安排作业人员进行培训考核，考核成绩直接进入作业人员的信息库保存，便于绩效跟踪。 电工特种作业仿真培训系统的软件制定由于电工特种作业仿真培训系统的内容很多，这里仅以带互感器的三相电度表接线培训模块的软件制定为例，说明电工特种作业仿真培训系统软件的制定过程。该培训模块的界面制定工具有FLASH MX、Adobe Photoshop、3DS MAX；仪表的制定采纳的是OpenGL、Adobe Photoshop、3DS MAX；系统的后台制定采纳的是 Visual C+6.0；系统的多媒体响应采纳的是Flash Action。带互感器的三相电度表接线培训模块的仿真操作界面如图5所示。其中，G1G6为画面控制；F1F12为控制设定；I、P、A、M、C、T、S、？为状态控制。 依据该仿真模块的需要制定了6种画面，分别为演示培训界面、操作培训界面、培训考核界面、状态组界面、报警组界面和帮助界面。在该模块的各个系统界面中都设置了控制栏，其功能说明如下：主界面的左边培训选择键，用于培训人员选择培训的内容，点击其中的任一选择键，都将对当前系统进行初始化，防止误操作，提升培训效率和质量。 眉头左边设有画面的调出控制栏，当鼠标指定某个控制按钮时，该按钮所代表的画面如故障排除、事故分析等即被调出。在眉头的右边有该画面的按钮名称显示，说明该画面已经被调出。眉头右边设有时钟和日历，用于记时。时间和日期由计算机操作系统设定或修改。眉脚的方块软键是教师培训主管指令键，共计12个，分别对应计算机键盘F1F12键位。用于显示成绩、设定事故、考题入库、考题选择、设定工况、设定时标等控制。该控制设定软键在培训界面上是不可见的，只有在网络的控制主机上可见，并有专人操作和设定。在眉脚的右边有该画面的按钮名称显示，说明该控制设定已经被设定。在用户操作界面中可以向控制台提出申请进行考核培训。界面右边的方块软键是电工仿真培训系统的实时状态的控制键，用来显示培训的效果与学员故障，为事故处理提供操作信息，并可经过交互来排除故障和事故处理的执行。同时，该实时状态信息也将通过网络进入培训员工的个人考核数据库，便于教师和员工交流讨论。电工作业既有连续事件，又有离散事件。对此，该系统对连续性事件和离散事件分别采用仿真控制树和进程控制建模。此外，系统采纳面向对象技术进行系统制定，系统由仿真操作界面、信息响应和后台分析计算处理三部分组成。依据电工培训的实际要求，电工培训系统按示范培训系统、仿真培训系统和仿真考核系统三个部分来构建。