（计算机应用技术专业论文）电力设备多媒体仿真培训系统的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文着眼于电力设备多媒体仿真培训系统的设计与开发，旨在提高培训效 率，缩短培训时间。首先，提出了开放型电力设备多媒体仿真培训系统的功能需求。 其次，对系统作了详细的总体设计，根据总体设计将系统划分为知识原理培训子系 统、仿真模型软件子系统、仿真操作和事故处理培训子系统和培训管理和评估子系 统。然后在# i n n t 平台上利用v c + + 、s q ls e r v e r 、a s p 等开发工具实现了数据库定 义、培训管理和评估子系统开发，并利用d i r e c t o r 与3 d m a x 等多媒体软件实现了 知识原理与设备结构的动画展示。最后，分析了系统当中用到的关键技术，并给出 一个多媒体仿真系统的实例。 关键字：电力设备，多媒体，仿真培训，数据库，图形系统 t h i sp a p e ri sa b o u tt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h em e d i at r a i n i n gs o f t w a r e u s e di ne l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t ，a i mt oa d v a n c ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n ds h o r t e n t h ew o r k i n gt i m e f i r s t l y , t h ea r t i c l et e l l su st h a tt h i ss o f t w a r ei sv e r yn e c e s s a r yf o r t h eo p e n i n ge l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t s s e c o n d l y , i tm a k e sad e t a i l e dw h o l ed e s i g n o ft h es o f t w a r e b a s eo nt h ew h o l ed e s i g n ，i ti n c l u d e st r a i n i n gs y s t e mo ft h et h e o r y , s y s t e mo fs i m u l a t i o n ，s i m u l a t i n gt h er e a la c t i o na n dt h et r a i n i n go fd e a l i n gw i t ht h e a c c i d e n t t h i r d l y ，t h r o u g hv c + + ，s q l ，s e r v e r ，a s pb a s eo nt h ew i n n tp a n e l ， t h i ss o f t w a r er e a l i z e dt h ed e f i n i t i o no ft h ed a t a b a s ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e s y s t e mo ft h et r a i n i n ga n dm a n a g e m e n ta n dt h es y s t e mo ft h ee v a l u a t i o n t h e s o f t w a r ea l s os h o w su sp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ee q u i p m e n tb y3 d m a xa n d d i r e c t o r a tl a s t ，t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h es o f t w a r ea n d s h o w su sa ne x a m p l e z h a n gl i z h u ( t e c h n o l o g yf o rc o m p u t e ra p p l i c a t i o n s ) d i r e c t e db yp r o f l iy u a n c h e n g k e yw o r d s ：d e c t r i cp o w e re q u i p m e n t , m e d i a , e m u l a t i o n - t r a i n i n y d a t a b a s e , g r a p h i c s y s t e m i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力设备多媒体仿真培训系统的设计 与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塑型堑笙日期：兰1 2 ：! ：j 。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垂丝型登秒导师签名：墨至兰生支 日塑2 一 日期：竺2 ：，厂 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 电力工业是国民经济的先行工业。其发展速度应高于国民经济发展速度，通常 用电力弹性稀疏来说明电力工业与国民经济发展之问的关系：电力弹性系数c - - - - 电 力工业发展速度国民经济发展速度，只有电力弹性系数c 大于1 ，才能保证国民积 极的发展“。 电力设备的运行和维护是电力系统的两个主要部分，而电力设备的维护是电力 系统正常安全稳定运行的核心。目前，电力系统运行自动化水平比较高，而电力设 备维护技术相对落后。 随着电力工业的发展和技术的进步，其自动化程度越来越高，技术日益复杂， 要维持电力设备安全、可靠和经济的运行，对运行操作人员的专业知识、操作水平、 应变能力和熟练程度等方面提出了更高要求。这就需要对运行人员进行有效的培 训。而在实际中运行人员在实际设备上直接进行训练已不现实或不可能仿真作为 一门利用模型进行试验、研究和培训的技术，具有可控、安全、经济、节约时间、 允许多次重复的特点。因此利用仿真技术培训运行操作人员，上述问题可迎刃而解。 建立在相似理论、数学理论、控制理论、信息处理技术和计算机技术等理论基 础之上的系统仿真( s y s t e ms i m u l a t i o n ) ，随着计算机科学技术的不断发展，已集 成了多种高新技术领域知识。仿真技术特别是虚拟现实和多媒体技术已用于许多领 域中，引入多媒体仿真技术可以解决目前电力设备维护的低效率，低安全性的问题， 可以提高培训效率，缩短培训时间，降低设备维护造价，同时可以避免运用实际系 统时可能带来的危险性及高昂的代价o 。1 。 从2 0 世纪6 0 年代中期，研究人员就开始探索采用脱离实际设备的仿真装置对运 行人员进行培训。随着电力工业、计算机技术和仿真技术的发展，特别是计算机容 量和运行速度不断扩大和提高，仿真培训装置的开发迅猛发展，仿真资料得到积累， 仿真技术亦日趋完善和成熟，开发周期缩短，效率提高，成本降低。因此，当今世 界上已普遍采用仿真培训装置来培训运行人员，并已成为越来越普遍的培训方式。 1 2 电力设备仿真培训软件发展现状与特点 1 2 1 电力设备仿真培训软件的发展现状 国内外电力系统的培训仿真器从7 0 年代开始发展，开始主要集中在火电厂机 华北电力大学硕士学位论文 组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。国外7 0 年代就出现了实用的火电 仿真系统( 1 9 7 1 年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培训仿真 机) ，电网仿真系统( 1 9 7 7 年美国c d c 公司开发出第一套o t s 装置) 和变电站的仿 真系统( 7 0 年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统) 。我国于1 9 8 2 年研制成 功了第一套火电仿真机组，期间电网调度仿真机和变电站仿真机也在开发，并从8 0 年代末期开始陆续建立了电网和变电站的仿真培训系统，1 9 9 0 年研制出了第一台 d t s 东北电网仿真系统，到1 9 9 9 年，大多数的网调、省调都使用了电网调度仿 真器材”1 。 自2 0 世纪8 0 年代末至今，我国的仿真技术获得了极大的发展。在电力系统中， 应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电站仿真。变电站一 次设备仿真采用的是数字仿真技术。 目前，农网中( 1 l o k v 、3 s k y ) 变电所培训仿真系统主要有孤立变电所型的变电 站培训仿真系统和考虑简单电网的变电培训仿真系统砸1 。前一种类型的变电培训仿 真系统配置简单，造价相对较低；后一种在仿真了交电所的运行状况的同时简单考 虑到电网和变电所之间的相互影响，该类型的变电培训仿真系统在功能上比孤立变 电所型的仿真系统要强。 1 2 2 电力设备仿真培训软件特点 进入9 0 年代，计算机和网络技术的飞速发展，仿真行业呈现出蓬勃的发展势态， 仿真培训装置的品种也日趋繁多、功能各异，新一代大型仿真培训系统基本都具有 如下特点： 采用面向对象技术； 基于开放系统标准； 具有分布式体系结构； 应用高速网络技术： 广泛采用商用数据库； 大量运用多媒体技术。 1 ) 面向对象技术 “面向对象”是针对“面向过程”提出的，是从本质上区别于传统的结构化方 法的一种新方法、新思路。面向对象方法的基本思想是，将客观世界看成是由许多 不同类型的对象构成的，每个对象都有自己的内部状态和内在运行规律，不同对象 之间相互联系和相互作用构成了完整的客观世界。 p e t e rc o a d 和e d w a r dy o u r d o n 提出用下列等式来认识面向对象方法： 面向对象= 对象( o b j e c t ) 2 华北电力大学硕士学位论文 + 分类( c l a s s i f i c a t i o n ) + 继承( i n h e r i t a n c e ) + 通过消息的通信( c o m m u n i c a t i o nw i t hm e s s a g e ) ( 1 ) 对象、类和消息 对象是指一组属性( 数据) 集及其操作( 行为) 的封装体。对象中的属性只能通过 该对象所提供的操作来存取或修改。类是对象的抽象及描述，是具有共同属性和操 作的多个对象的相似特性的统一描述体。一个类中的每个对象都是这个类的一个实 例。消息( m e s s a g e ) 是面向对象系统中实现对象间的通信和请求任务的操作。消息 传递是系统构成的基本元素，是程序运行的基本处理活动。一个对象所能接受的消 息及其所带的参数，构成该对象的外部接口。对象接受它能识别的消息，并按照自 己的方式来解释和执行“1 ( 2 ) 封装性、继承性和多态性 所有面向对象程序都具有以下3 个共同的特性： 封装( e n c a p s u l a t i o n ) 是一种机制，它将某些代码和数据链接起来，形成一个 自包含的黑盒子( 即产生一个对象) 继承性( i n h e r i t a n c e ) 体现了现实世界中对象之间的独特关系。由于类是对具 体对象的抽象，而不同级别的抽象就形成了类的层次关系。 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 是指同一消息为不同的对象所接受时，可导致不同的行 为。多态性支持“同一接口，多种方法”，使高层代码( 算法) 只写一次而在低层可 多次复用。 面向对象技术由面向对象的分析( o o a ) 、面向对象的设计( o o d ) 和面向对象 的实现( o o p ) 三部分组成由于对象具有较稳定的数学模型，接口简单规范，采 用面向对象技术有利于软件系统管理和维护，提高了系统的可靠性、鲁棒性，使开 发出的软件的可复用性、可扩充性和可靠性都有明显的提高，有利于软件的商品化， 所以适合于大型软件系统的开发0 1 。 2 ) 开放系统 开放系统是按照开放的接口、服务和支持规范而实现的系统。开放式的系统可 采用具有最大市场销售量的标准化、通用化和序列化的计算机软硬件产品，可减少 应用程序对厂商的依赖性，降低应用系统的成本。系统的开放性体现在如下几个方 面： 可移植性。开放系统的应用软件与软硬件平台无关，应用系统从一种平台 移植到另一种平台上运行可无需修改或只需进行少量改动。 可伸缩性。包括规模的可伸缩性和技术的可伸缩性。规模的可伸缩性是指 当仿真系统节点机数量增加时，系统的性能得到保障；技术的可伸缩性是 指当节点处理机升级换代时，系统的性能相应增长。 3 华北电力大学硕士学位论文 可见，一个开放型系统应具有源代码级的兼容性和可移植性，软件投资可得到 长期保护；系统可以逐步建设、逐步扩充和升级，避免整个报废。 无论那一种类型的仿真培i j i i 系统，其开发都是很多人经历多年开发的结果作 为仿真培训装置开发商家，也会希望开发每一套装置付出的劳动能够用到后继产品 中，系统的开放型也就尤其显得重要。这样的系统的开发工期缩短、成本降低，重 复劳动减少。国内外著名仿真厂家几乎都开发自己的仿真支持系统就是开放型系统 发展的有力证明。 仿真培训软件要做到开放型，具体来讲，就是要采用通用的数据库存储形式、 通用的访问接口、程序结构模块化、能与其他厂家的相关软件协同工作。 3 ) 分布式体系结构 仿真培训软件系统是多个应用软件组成的软件系列，在仿真培训过程中各应用 软件同时运行。在大型仿真培训软件系统中采用集中式的体系结构，单机负载重， 对单机的性能要求高，投资大，可扩充性差并且可靠性不好，限制着系统的进一步 发展。 随着网络软硬件技术的发展，分布式系统逐渐彼人们认可和采用。分布式系统 采用标准的接口和介质，把整个系统按功能分布在网络的各个节点上，还能实现数 据冗余分布，降低了对单机的性能要求，同时大大地提高了系统地安全性和可靠性， 并且系统的可扩充性增强，局部功能升级也成为可能。 4 ) 高速网络技术 计算机网络技术是当今正迅速发展地新兴信息科学技术之一，是计算机、通讯 电子学、多媒体技术等学科相互渗透发展而形成的一门学科分支。采用网络技术可 以实现多用户之间的软硬件资源共享。新一代网络技术以其高速的网络传输速度和 大大降低了的传输时延，为新一代仿真培训系统良好的网络集成方案提供了后盾。 5 ) 商用数据库 仿真培训软件地数据，包括全部变量和常数，是仿真软件加工和处理的对象。 电力设备仿真培训软件系统是由多个软件包组成的，它们需要处理和加工的数据量 非常庞杂，必须对这些数据进行有效组合和协调处理。可以说，数据管理的好坏是 整个仿真培训软件性能高低的关键。 数据库系统是为了满足日益发展的数据处理需要，在文件系统基础上发展起来 的先进的、理想的数据管理技术。数据库技术区别于文件技术处理的最大特点是其 数据共享性，数据不再从属于特定应用，而是面向整个组织，数据虽然可能仍以文 件形式存在，但通常采用某种数据模型，讲全部数据组织成个结构化整体，系统 提供对不同数据文件交叉访问的手段和权限，消除了数据冗余存储，提高了可靠性。 其优点包括：数据独立性；在数据结构和应用程序间提供接口；提供统一的数据操 作手段，保证数据的安全性、完整性，使数据应用更加有效。在仿真培训系统理所 4 华北电力大学硕士学位论文 当然的应该采用数据库系统来管理其庞杂的数据“。 在对实时性要求不高的仿真培训系统中，例如，多媒体仿真培训软件系统中采 用商用数据库的应用非常广泛。基于c l i e n t s e r v e r 体系的分布式大型商用关系数 据库方案可以很好的解决仿真培训系统数据的分布存储、网上一致性、安全性以及 资源开放性，在全范围仿真系统中充分利用c l i e n t s e r v e r 体系的商用数据库，也 已成为仿真系统发展的另一趋势，国内一些厂商在基于c 1 i e n t s e r v e r 体系的分布 式大型商用数据库的应用方面进行了一些有益的尝试。 6 ) 多媒体技术 所谓多媒体技术( m u l t i m e d i a ) ，从文字上理解，多媒体应该是文本、图形、 动画、图像、声音等两种或两种以上媒体组成的结合体；从计算机专业角度出发， 多媒体技术是指利用计算机把多种信息、媒体集成并控制起来的技术，是一种基于 计算机技术的综合技术，它包括数字化信号处理技术、音频和视频技术、计算机软 件和硬件技术、人工智能和模式识别技术、通信和图像技术等，是一门跨学科的综 合性技术“。“。多媒体技术通过多种感官向人提供信息，全方位调动人体感官和思 维想象，加速和改善了人对信息地理解。 多媒体仿真是使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。它采用不同媒体形 态描述不同性质的模型信息，建立反映内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真 模型，并在多媒体计算机上运行，产生定性、定量相结合的系统动态演变过程，从 而获得关于系统的感性和理性知识。多媒体仿真属于感受计算的一种，试图通过将 仿真所产生的信息和数据转变为可感受的场景、图示和过程，以辅助人们进行决策。 它充分利用文本、图形、图片、三维二维动画、影像和声音等多媒体手段，将可 视化、临场感、交互、引导结合等一起产生一种沉浸感，使仿真中的人机交互方式 向自然更靠近一步。 在计算机网络技术、多媒体技术以及超文本技术地基础上形成了超媒体技术， 它与网络数据检索、查询密不可分。超媒体技术将文本、多媒体对象( 如图像、音 频、全息图或全运动视频) 等信息按照人的联想思维方式( 菲线性方式) 自然地连 接，它以这种方式实现对无顺序数据地管理“”。直接地连接或连接使读者可以从一 处移到另一处，或另一文档，就像读者在翻阅百科全书的参考目录一样。超媒体的 使用能从多达成百上千的信息中快速、简便地搜寻所选的信息，它是多媒体、网络 与数据库技术的结合，它将信息组织和信息查询推向一个新的高度。 科学技术的飞速发展推动着计算机领域的飞速发展，如视频、声频信息的快速 压缩与解压缩技术、高容量只读光盘c d r o m 的出现，人们已经拥有快速处理、存 储、传输多媒体信息的能力。由于多媒体技术在教学方面具有传统技术手段所无法 比拟的优势，因此，将多媒体技术应用于电力设备仿真培训系统中也可以成为必然 选择，而开发出正确且有效的适用于电力设备的多媒体仿真培训应用软件就成为科 s 华北电力大学硕士学位论文 研人员责无旁贷的任务。 1 3 课题的任务 国内在电力设备仿真培训软件方面的研究也已有二十多年的经验，开发了一批 适合国情、性能优良的软件，并培养了一批专门人才。仿真培训已成为运行人员培 训不可或缺的手段。 多媒体仿真培训软件虽然受目前计算机硬件水平的限制而不能达到实时仿真 的要求，但由于多媒体仿真培训软件具有投资小、开发时间短、形象生动、对软硬 件维护要求不高等特点，随着计算机容量和处理能力的进一步发展，对多嫫体信息 的处理速度也会更快，多媒体仿真培训软件将不仅用来作为大型全范围仿真系统的 补充，也可以独立应用于各中、小型电厂和许多电力公司及学校，因此具有广泛的 前景。适应仿真培训软件的发展趋势，研究电力设备多媒体仿真培训的共性技术， 开发一个电力设备多媒体仿真培训软件专用平台，也很有必要。这就是本课题的任 务。 电力设备多媒体仿真培训软件专用开发平台将可用于开发适合不同层次人员 的电力设备多媒体仿真培训系列软件，包括知识、设备结构原理、安全及仿真操作 培训等以及相应的其它培训管理软件，并可为电力调度自动化、变电站综合自动化、 电力部门管理信息系统等提供相应的接口和多媒体界面。 目前，本论文的主要任务是，在对电力设备多媒体仿真培训软件分析的基础上， 充分考虑开发平台的整体要求，提出其主要的功能需求，并做出相应的总体设计； 在实现的过程中，则侧重于仿真培训系统中知识与工作原理模块及培训管理和评估 模块的开发与实现。 1 4 论文的组织 本文通过对电力设备仿真培训软件的发展趋势和软件功能模块的分析，提出了 开放型电力设备多媒体仿真培训软件开发平台的功能要求。在对其具体功能要求分 析基础上，对电力设备多媒体培训仿真系统作了详细的总体设计，根据总体设计将 系统划分为知识原理培训子系统、仿真模型软件子系统、仿真操作和事故处理培训 子系统和培训管理和评估子系统。并在w i n n t 平台上利用v c + + 、s o ls e r v e r 、a s p 等 开发工具实现了数据库定义、培训管理和评估子系统开发，并使用d i r e c t o r 与3 d m a x 等图形软件实现了知识原理与设备结构的展示，使两个子系统能协调运行。具体章 节及安排如下： 第二章电力设备多媒体仿真培训系统总体设计。本章在对电力企业的多媒体 6 华北电力大学硕士学位论文 仿真培训的目标要求基础上提出了系统性能要求，并对系统进行了模块划分，通过 消息模块使各个模块间建立了关系。通过模块间的传递提出了数据管理和访问的方 式与要求。 第三章知识培训及管理评估子系统设计与实现。本章主要介绍了知识培训子 系统与管理评估子系统的实现过程，对于知识字系统主要介绍了二维动画与三维动 画的实现过程。对于培- p i l 管理和评估子系统主要介绍了系统的框架结构实现与数据 库设计过程。 第四章培训系统在网络教育系统软件中的应用本章主要介绍了知识培训及 管理评估子系统的应用实例。 第五章总结与展望。对本论文的工作进行总结，指出了本文中许多值得研究 和探讨的问题，对今后的工作傲了展望。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力设备仿真培训系统总体设计 2 1 仿真培训系统功能目标分析 电力设备安全是一个复杂的系统工程，具体的电力设备多媒体仿真培训系统应 具有如下功能：基础理论知识培训、设备结构及工作原理培训、电力设备运行技能 培调、仿真操作和事故处理培训、对受训者的智能指导和对培训的管理和评估。 2 。1 1 知识培训 知识培训的主要培训内容是发电厂或电网的运行人员所必备的电器、电子及计 算机等方面的基础知识。这类知识往往能从教科书上查到。充分利用多媒体技术全 方位调动人体感官和思维想象，加速和改善人对练习的理解就成为实现该功能的主 要途径。 2 1 2 设备结构及工作原理培谢 设备结构及工作原理培训的目的是针对设备结构原理，有时还会包括先进技术 进行培训。例如对电力一次设备和二次设备的结构和工作原理的培训。为了说明设 备结构及其工作原理。可能会用到各种二维平面结构图、动态图、拆装图等。 2 1 3 仿真操作和事故处理培训 仿真操作和事故处理培训的目的是加深运行人员对操作规程的理解和提高对 事故的处理和应变能力。仿真操作和事故处理培训需要建立一个逼真的仿真环境， 在此环境中，受训者能监视和控制设备的运行，同时能完成在运检过程中的各种操 作n 4 1 。 受训者通过图形画面，利用鼠标和键盘控制系统的运行，因此需要图形系统的 支持。对图形系统有如下要求：第一，图形画面上有可操作点；第二，在受训者发 出命令后，系统能模拟控制和操作的执行；第三，执行控制和操作后系统信息要反 馈给受训者“”。控制和操作的执行一般采用事件驱动的办法，即系统存在一个消息 队列，每个事件的发生将触发某种消息，通过对消息的处理实现对真实系统的仿真。 2 1 4 对受训者的智能指导 在仿真操作和事故处理培训过程中，受训者需要时，仿真系统应能提供适当的 8 华北电力大学硕士学位论文 指导。这些指导是智能的，要根据系统的执行状态、运行规程和受训者的信息提供， 是一种智能化在线的帮助“。一个完整的智能指导系统往往是一个专家系统。 2 1 5 对培训的管理和评估 培训管理系统针对不同受训者提供不同的培训方案，记录他们的培训进程；评 估系统根据学员信息、培训内容、历史记录等提供评估报告。 2 2 系统性能要求 电力设备培训仿真系统用于对变电运行人员进行全面的运检培训，主要从设备 原理、操作方法、注意事项等方面来进行。因此要求系统能够实现： 设备图片展示：用户点击，知识讲解。 故障处理仿真：能仿真演示自动化系统处理故障过程。 事故处理培训：能模拟事故产生，要学员进行事故处理。 技术指标和参数：系统响应时间应小于5 秒；图形调出时间应小于3 秒。 系统应该具有开放性，用户应该在授权范围内增加相应的内容。 2 3 主要功能模块研究 按照仿真培训软件的功能，本论文对电力设备多媒体仿真培训系统进行了总体 设计，将系统软件分为知识原理培训子系统、仿真软件模型、仿真操作和事故处理 培训人机接口及培训管理和评估等几个子系统组成，培训系统结构总体框图如图 2 - 1 所示。 2 3 1 知识原理培训子系统 知识培训和设备结构及工作原理处理的都是多媒体素材，最终表现形式都是超 媒体窗口，他们的任务就是充分利用多媒体技术加速和改善人对信息的理解，方便 信息的查询和定位。由于它们在数据及其组织和表现形式上具有共同点，并可以成 为单独的培训体系，或用于仿真操作及事故处理培训中，作为学员的一种帮助，可 将它们视为一个子系统，狠为知识原理培训系统。 将用来讲授基础知识、设备结构、工作运行原理等知识的多媒体素材成为知识 数据，则形成知识原理培训系统需要的数据包括知识数据和知识数据之间的组织关 系，例如数据的分门别类和数据之间如何按照用户的要求在超媒体窗口中组织和链 接起来等。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 仿真模型软件子系统 图2 - l 培训系统结构总体框图 仿真模型软件用来描述设备和系统特性的数学表达，即用数学模型来描述电力 设备及其运行、监视和控制。一个完整的仿真模型软件系统可以实现电力设备的正 常运行、异常和事故等全部工况的数学范式，也就是说它能连续地计算发电机组在 正常和异常工况下的各种参数。 仿真模型软件需要的数据为电力设备的各种数据，包括设备和元件的参数、设 备和元件之间的连接和控制关系等。 2 3 3 仿真操作和事故处理培训人机接口子系统 学员通过仿真操作和事故处理培训人机接口来监视、控制电力设备的运行。它 包括了电力设备的各种信息的显示和刷新、操作点判断、消息事件的触发等。 仿真操作和事故处理培训人机接口的数据有画面数据、操作规程等各种人机接 口中要用到的原始数据、系统的实时运行数据及有利于人机接e l 实现而产生的一些 中问数据，例如系统运行历史数据等“”。 2 3 4 培训管理和评估子系统 培训管理和评估包括学员管理、培训方案管理、培训评估等内容。它可以设置 和选择培；j i l 内容、管理培训过程、记录培训历史数据，并根据培训记录给出学员的 1 0 华北电力大学硕士学位论文 评估报告，刷新学员培训历史等。 培训管理和评估需要的数据包括学员数据、培训方案、学员活动记录、评估标 准等。 2 3 5 消息处理 仿真模型软件的激活需要有消息时间的发生，由实时数据库中数据的变化引起 图形系统动态数据、衍生数据、智能数据的刷行，即消息事件的发生决定了软件模 块的运行状态n ”。 在本软件开发系统中，不再是完全靠w i n d o w s 本身来管理各种消息，而是开发 自己的消息处理机制，即生成自己的消息队列，并自己管理消息队列。消息处理模 块是消息对立的管理者它监视开发系统中消息时间的发生、处理消息时问，达到 协调各软件模块的运行。这种消息的统一处理缓解有两个好处： 软件的调试过程中，可以通过调试人机接口认为地改变消息队列，利用消息处 理模块控制仿真培训系统运行。 系统中发生过的各种时间，包括学员地操作、事故或故障地发生，都可以有明 确的历史记录，为培训管理提供了捷径，并能对仿真培训进行离线再分析。 2 4 功能模块间关系 系统中各软件模块之间的关系如图2 - 2 所示 图2 - 2 系统中软件模块之间的关系 其中的实心细箭头代表的是消息流，空心粗箭头代表的是数据流，可见各模块 之间仅通过消息时间和数据发生关系，各模块可以独立开发、扩充。 l l 华北电力大学硕士学位论文 该系统中所有的用户界面、数据访问链路和应用逻辑都分开了，便于整个开发 系统体系结构的升级由此可见，该开发系统是一个可扩充的开发型软件系统。 2 5 数据管理和访问 2 5 1 系统需要管理的数据 系统需要管理的数据有： 电力一次与二次设备的具体设备数据 电力设备的模型数据及模型软件 电力设备的系统描述数据，包括设备之间的逻辑控制关系、电气设备的连 接关系等 仿真培训系统管理数据 多媒体素材、多媒体素材的组织形式数据 知识原理数据 仿真培训系统人机接口数据，包括仿真培训人机接口中要用到的各种图形 和图表描述( 趋势曲线、变化曲线、统计图表、报表) 等 学员信息 评估标准和结果形式的描述数据 可见，电力设备仿真培训系统需要管理的数据繁多，同一数据可能被培训系统 的多个模块所用，如果没有统一的管理方式和存储方式，数据共享程度较低，数据 之间不容易保证一致性。同时，不同人员对数据的访问权限应该是不同的，系统维 护人员、开发工程师以及学员、教员的权限各不相同。 数据库技术将全部数据组织成一个结构化整体，系统提供对不同数据文件交叉 访问的手段和权限，在数据结构和应用程序间提供接口；提供统一的数据操作手段， 消除了数据冗余存储，提高数据的可靠性、数据独立性，保证数据的安全性“t ”。 因此系统中应采用数据库技术来管理和维护数据。 2 5 2 数据库系统要求 系统数据库应该达到以下要求： 实现系统数据和设备数据的分离 实现离线静态数据与在线动态数据的分离 支持多应用的并发运行 支持多种访问方式 1 ) 系统数据和设备数据的分离 华北电力大学硕士学位论文 系统需要提供对软件开发的管理，它本身会有管理数据。同时系统本身就考虑 了仿真培训软件的共性技术，并不是每一个具体的培训软件的开发都从零开始，而 是可以直接利用或修改平台提供常见的设备、仿真模型、甚至电厂模板开发新的仿 真培训软件。为了避免数据破坏，系统数据和电力设备数据应分离。 2 ) 离线静态数据与在线动态数据的分离 根据仿真培训系统数据的刷新频率对数据类型进行划分： 静态数据。指仿真培训系统建成后很少改变，或者虽然改变，但没有实时性要 求的数据，如系统参数、知识原理系统的知识信息等。 动态数据。例如记录电力设备实时状态信息的数据、系统的历史数据等 数据的刷新频率不同，对数据访问速度的要求也不同。提高整个仿真培训系统 的实时速度，其中的一个关键就是提高动态数据的访问速度。为了将来提高多媒体 仿真培训的实时性，应实现离线静态数据库与在线动态数据库的分离。 3 ) 支持多应用的并发运行 仿真培训系统中的数据不再从属于特定应用，而是面向整个系统，各应用软件 共享数据。因此，数据库系统必须保证各软件的并发运行，系统提供对不同数据的 交叉访问的手段和权限 4 ) 支持多种访问方式 我们希望未来的数据库系统能够提供对目前流行的多种语言的支持，使开发人 员能够使用各种强大的自己熟悉的开发工具进行开发，开发效率能够达到最高。支 持多种访问方式，可以有两种方式来考虑： 对数据的访问提供标准的接口。如提供标准s q l 语言进行访问、提供o d b c 接口 等。目前的商用关系数据库基本都提供这一类接口。 数据库服务的支持。数据库服务的支持是指：提供可供多种语言使用的数据库 服务例程，满足应用系统对数据的存取的需求。 目前对多媒体仿真培训系统的实时性要求不高。采用商用数据库，也就一般能 满足该要求。 2 6 本章小结 本章在对电力企业的多媒体仿真培训的目标要求基础上提出了系统性能要求， 并对系统进行了模块划分，通过消息模块使各个模块间建立了关系。通过模块间的 传递提出了数据管理和访问的方式与要求。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章知识培训及管理评估子系统设计与实现 软件设计是软件开发的起点，是软件工程的技术核心。在设计阶段中设计人员 要根据已经确定的各项需求导出相应的体系结构。这就是本章要完成的工作。 电力设备多媒体仿真培训系统仿真软件是一个大型的、复杂的软件系统。为了 确保这样一个大型软件系统的质量、可扩充性、可重用性，提高系统开发的成功率， 必须借助科学的软件开发方法和管理方法。因此，本文决定采用面向对象的方法作 为电力设备仿真培训软件的开发方法。 面向对象的软件开发方法之所以能够成为目前软件工程界公认的主流软件开 发技术，主要是由于面向对象方法有以下三方面的优势阍： 1 ) 从认知学的角度来看，面向对象方法符合人们对客观世界的认识规律。 2 ) 面向对象方法开发的软件系统易于维护，其体系结构易于理解、扩充和修 改面向对象方法开发的软件系统由对象类组成，对象的封装性很好地体现了抽象和 信息隐蔽的特征。 3 ) 面向对象方法中的继承机制有力支持软件的复用。 总之，将电力设备多媒体仿真培训仿真软件开发成基于面向对象方法学的仿真 软件，即面向对象的仿真软件( o r i e n t e do b j e c ts i m u l a t i o ns y s t e m ，o o s s ) ，会 使仿真软件也同时具有了面向对象方法的优势。即采用面向对象的建模方法，认为 客观系统是由各种相互作用的对象组成，这符合人们的思维方式，也能使用户非常 自然地实现从物理模型到计算机模型的过渡。同时它又具备面向对象软件的数据抽 象、信息隐藏、继承和动态链接等特点，因而使得仿真更为直观、自然，也使得这 类仿真软件具有更优良的模块性、可重用性、可维护性和灵活性。 3 1 设计思路 系统的设计和开发适应电力设备仿真培训软件的发展趋势，因此要求系统是开 放型系统，采用标准化、通用化的计算机软硬件产品，能与其它厂家的相关软件协 同工作；保证充分的多媒体支持；系统可以逐步建设、逐步扩充和升级。 3 1 1 应用程序总体架构 一个数据库应用程序在逻辑上通常由两部分组成：一是数据库访问链路，二是 用户界面，这就是数据库应用程序的体系结构。按照数据库应用程序的体系结构可 以把它们分为三类：单层应用、两层应用和多层应用。数据库应用程序的体系结构 1 4 华北电力大学硕士学位论文 取决于是使用本地数据库还是远程数据库、同时访问数据库的用户数以及数据库中 需要存储那些类型的信息”。 在多层数据库应用程序中，客户应用程序需要一个或多个应用程序服务器通 信，它们依次和数据库服务器通信。这些中间层程序叫应用程序服务器，因为它们 为客户应用的需要服务。一个应用程序服务器像一台数据中继器，响应和处理客户 申请的数据，并把它们传送到数据库，别的应用程序服务器可能只处理安全问题。 应用程序服务器的目的之一是保护数据不受侮辱企图的客户应用程序的侵害。同 时，客户程序可以做得比较小巧，因为相当大的一部分工作由中间层去做了，这就 是所谓的“瘦”客户。瘦客户更容易安装、配置和维护，因为它不需要包含数据库 访问链路。多层的体系结构还可以把数据处理的任务分布在几个不同的系统中完 成。系统在实现过程中采用三层结构的应用程序总体架构。如图3 一l 所示。 应用层 交换层 数据层 i 客户端 二i 稚 v i7 “7 ”数据交换标准煳7 。 ， k 数据处理、发布，i i 数据授验、分析 数据接收、抽取 数据交换标准咀。 图3 - i 应用程序总体架构 数据层 主要是从各业务系统的数据，数据源主要有以下两种方式： 1 ) 数据库：主要指专门用于存储企业业务数据的各种关系数据库系统，可以 通过数据库厂商提供的o d b c 访问，它是最常用的也是访问最方便的一种数据源。 2 ) 文件；主要指各个子系统自定义的特定格式的文件，用于存储相关的数据 信息。 通过连接不同的数据源提取原始数据后，并对这些数据进行分析处理，从而抽 取实际需要用于数据交换的数据信息。 交换层 1 5 华北电力大学硕士学位论文 各个参与数据交换的业务系统的数据是通过交换层进行数据编码的。不同业务 系统采用不同的数据源，数据格式存在差异，如何在各个异构系统之间以统一中间 格式( x m l ) 表示数据是交换层必须解决的问题，也就是数据映射问题”“。 应用层 通过应用程序实现的客户需求以及通过交换层返回的执行结果。 3 1 2 数据库类型选择 一个数据库系统的能力、复杂性和功能性与其基础结构和物理布局有关。 从数据库采用的数据模型来看，流行的数据库系统采用的数据模型主要有层次 模型、网状模型、关系模型等。层次数据库和网络数据库中，数据按层次树结构或 网状结构组织：与网状、层次模型相比，关系模型结构简单，具有较强的集合处理 能力，使得在关系数据之上开发应用系统的进程大大加快，受到用户普遍欢迎。在 所有的数据模型中，关系模型占主要地位，近9 0 都采用关系模型。本平台采用关 系数据库。 从数据库的存储和访问方式看，所有的数据库可以分为两种类型：本地数据库 和远程数据库。本地数据库位于本地磁盘上，如果有几个用户同时访问数据库，本 地数据库采用基于文件的锁定策略，因此，本地数据库又叫基于文件的数据库。 远程数据库通常位于远程计算机上，用户通过s q l ( s t r u c t u r e dq u e r y l a n g u a g e ) 来访问远程数据库中的数据，正是基于这个原因，远程数据库有时候也 叫s q l 服务器或者n q r d r m s ( r e m o t ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 。远程数据库非 常适合于几个用户同时访问，与那些基于文件锁定策略的本地数据库不同的是，远 程数据库提供了基于事务的多用户支持。远程数据库所能存储的数据也比本地数 据库多得多，甚至有时候并不在一个服务器上，而是分布在几个服务器上。使用远 程数据可褥应用程序称为两层或多层应用程序，因为数据库和应用程序位于彼此不 依赖的系统( 层) 中。 数据库究竟使用本地数据可还是远程数据库取决于几个方面的因素。例如，表 格中要存储多少数据、有多少用户要同时访问数据库、对数据库的性能有什么要求。 如果数据库中的信息不需要在几个用户之间共享，则使用本地数据库，可以获得较 快的访问速度，而且不必购买昂贵的服务器。不过，本地数据库所能存储的数据容 量是有限的。如果需要存储很多的信息，最好改用远程数据库。 数据库设计是数据库及其应用系统的技术，是信息系统开发和建设的核心技 术，具体说，数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式， 建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户地应用需求( 信 息要求和处理要求) 。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 准备进一步发展 系统设计的要考虑整个仿真软件平台扩充性、可移植性，使系统可以逐步建设、 逐步扩充和升级。 随着数据和用户的增加，平台可能会逐步平滑地过渡到多层体系结构，开发平 台地发展可能会有三个阶段：第一阶段，开发平台使“单用户”、“交互式”、“单主 机”体系结构，此时确定平台的功能；第二阶段，开发平台具有“多用户”、4 数据 共享”、“单主机”的体系结构。第三阶段，开发平台进一步扩展至“多用户”，“分 布访问”，“数据共享”，。应用程序系列化”的体系结构。 因此，在目前系统的设计和开发过程中，考虑体系结构的可伸缩性，要把用户 界面、数据访问链路和应用逻辑分开。 3 2 知识培训子系统设计与实现 3 2 1 知识培训子系统功能设计 知识培训子系统主要是通过二维动画形式展示设备的结构原理及其注意事项， 并在对结构原理认识的基础上通过三维动画对设备做整体的感性认识。基于这一 点，本论文对知识培训子系统进行了总体设计，将系统分为三大模块，如图3 2 所 刁霉 知识培训子系统 图3 - 2 知识子系统总体框图 1 ) 功能概述 功能概述模块由功能介绍、功能演示和功能操作三部分组成，其中功能介绍部 分主要介绍数控电力设备各部位的功毹及操作方法，使操作者对电力设备有一个比 较清晰的认识；功能演示的主要任务就是将设备运行时操作的每一个步骤自动演示 给操作者，使操作者对电力设备有一个初步的感性认识。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 功能操作部分是功能概述模块的重点部分，它利用s h o c k w a v e3 d 技术、d i r e c t o r 动画技术，创造了一个如同操作真实电力设备一样的三维虚拟环境，在这个环境中 的三维模型的旋转和运动，完全受控制面板中各开关键及各档位旋纽的控制，操作 失误后，系统将会及时给出提示，以便操作者加以改正，从而掌握正确的操作电力 设备的方法。 2 ) 综合操作 综合操作模块是在功能概述熟练掌握的基础上设计的，主要任务就是进行完全 模拟训练。它由综合操作、系统初始化和工艺类设置等三部分组成。 3 ) 系统帮助 系统帮助模块为操作者提供了操作软件的使用说明、电力设备的操作步骤。另 外还增加了注意事项，避免操作者在操作过程中出现错误操作方式。 3 2 2 设备原理图演示的动画生成 d i r e c t o r 中可以通过。f r a m e - b u - f r a m e ”( 单帧控制) 和。t w e e n i n g ”( 夹映) 来形成动画效果。 单帧控制可以手动创建动画中的每一帧，通过对动画中每一帧的修改，可以改 变精灵在舞台上的位置、大小、形状、颜色等。当两帧之间的变化不是很大时，播 放时其中的画面就会产生运动的效果，连续的运动或者变化就产生了动画。”。 夹映是将同属于一个精灵，但在时间上有一定间隔的两帧的位置大小形状颜色 或者混合值等属性的差异在两帧之间产生连续的过渡帧。 d i r e c t o r 的动画基本制作方法有逐步记录、实时录制等几种方式，在本系统的 二维动画实现过程中采用了逐步记录的方法。 逐步记录的方法的方式利用“s c o r e ”记录精灵每一帧的信息，包括位景、大 小、造型成员等。由于“s c o r e ”窗口中每个精灵的每一帧都是一个基本单元，所 以在“s c o r