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摘要：在深刻理解电气工程专业卓越工程师培养要求的基础上，将基于虚拟现实技术的变电站巡视仿真系统充分灵活地应用到电气工程专业卓越工程师培养方案中，将多个教学环节与教学内容和知识能力大纲精细地结合起来，以期有良好的教学示范效果。
关键词：变电站；巡视仿真；卓越工程师；培养方案
作者简介：王健（1970-），男，江苏淮安人，南京工程学院电力学院，讲师；杨志超（1960-），男，江苏常州人，南京工程学院电力学院，副教授。（江苏南京211167）
基金项目：本文系南京工程学院校级科研基金项目（KXJ08040）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）06-0056-02
2010年10月，教育部联合有关部门和行业协会共同在有关高校中组织实施“卓越工程师教育培养计划”。经教育部组织论证、审核和批准，南京工程学院（以下简称“我校”）有幸成为第一批“卓越工程师教育培养计划”实施高校，电气工程及其自动化专业同时获批教育部“卓越工程师教育培养计划”首批试点专业。本文在深刻理解领会卓越工程师培养要求和目标的基础上，依托我校现有的教学及研发能力，将变电站巡视仿真系统充分灵活地应用到电气工程及其自动化专业的相关理论及实践环节培养方案中，将多个教学环节、教学内容和知识能力大纲精细地结合起来，以期为电气工程及其自动化专业卓越工程师培养方案的顺利实施提供一些有益的探索[1]。
一、电气工程及其自动化专业卓越工程师的培养要求
1.专业介绍
我校电气工程及其自动化专业创办于1946年。在依托电力行业、服务地方经济，坚持“学以致用”的办学理念，走“校企合作”、产学研相结合之路，培养应用型高级专业技术人才的思想指导下，本专业已发展成为学校规模最大专业、学校首批品牌专业、江苏省特色专业，电力系统及其自动化学科为学校重点学科、江苏省重点建设学科，在省内同类高校中享有较高的声誉。
2.培养标准及目标
本专业学生主要学习电路、电机学、电力系统分析、电气设备、电力系统继电保护、高电压技术、输电线路设计等电力行业必备知识，并受到现场电气工程师技能训练和综合素质训练。除通用知识、能力和素质要求外，还应具备项目构建、工程设计、工程实施等与专业方向密切相关的工程能力。培养坚持以强电为主线，实践强弱电结合、理论实践结合、技术技能结合，要求学生具备较扎实的理论基础和较宽的知识面，具有较强的获取和综合运用知识的能力、工程实践能力与创新意识等，能从事电力系统运行与控制、工程设计与施工、现场调试与实验、信息处理与管理等工作。
3.培养方案
培养方案由校内培养方案和企业培养方案两部分组成。校内培养方案以课堂教学、实验、课程设计、集中实习、技能竞赛、职业资质培训、毕业设计等各种教学环节来综合实现卓越工程师培养计划的要求，构建理论教学和实践教学综合培养体系，实现理论与实践教学交叉进行、密切融合、环环相扣的课程体系。企业培养方案安排总时间为一学年，分为企业认识实习、企业轮岗实习和在企业完成毕业设计三部分。通过在企业的实践实训，树立良好的工程意识，培养良好的人际交往能力和团队合作精神，培养学生在发电、输配电、工程施工、设备制造等相关企业生产一线从事工程技术工作的能力。
二、变电站巡视仿真系统的设计开发
变电站是电力系统的重要组成部分，具有工程量大、设备型式多、运行操作复杂的特点，同时也是与电气工程及其自动化专业教学中理论知识点、实践技能水平契合度最高的现场环境。通过一种基于虚拟样机技术的变电站巡视仿真平台构建方法，可以对变电站及其主要设备进行三维数字化快速搭建和巡视仿真。该仿真平台能应用于各种变电站的规划设计、施工建设、运行操作及相关培训教学，具有物理模型精准、实时渲染高效、编辑工具丰富、仿真效果逼真的特点，有利于优化设计方案、缩短施工工期和增强教培效果，有较高的应用与推广价值。为积极配合我校卓越工程师培养方案的落实和开展，还对变电站巡视仿真系统的部分界面及功能进行了优化和提高，以使其具有更强的教学效果和适用范围。
1.系统构架
变电站巡视仿真系统以虚拟现实技术为基础，以平台化开发为手段，将虚拟现实与系统仿真技术相结合，应用于变电站的规划设计、施工安装、运行巡视的实际工作和技能培训中。变电站巡视仿真系统主要包含三部分：一是三维素材库，分类装载地表自然实物、电工建筑物、电气设备、工器具、工作人员等三维模型；二是虚拟样机工具，实现模型的修正、替换，实现算法关联、空间组合和装配、脚本编辑和优化等；三是三维图形引擎，实现大规模超精细虚拟场景的高效实时渲染。系统总体构架如图1所示[3]。
2.主要功能
（1）素材库管理。三维模型是虚拟现实技术仿真中最基本的元素，因其种类繁多、数量庞大而对素材库管理提出了较高的设计要求。素材库使用配置文件对素材进行分类，并提供三维可视化的素材供选择。此外，还提供对素材库进行添加、删除和修改等管理界面。
（2）三维场景搭建。三维场景搭建是在三维模型素材库的基础上对变电站三维空间中的复杂对象进行组装和布置。利用平台化的设计方法，在虚拟的地形地貌环境下，通过六个自由度的变换，解决变电站中各个电气设备之间的装配和搭建，进而可生成所需的完整虚拟场景。
（3）配电装置巡视。完整的变电站虚拟场景搭建完成后，用户可以用第一人称视角方式，按照科学的巡视路线，在配电装置的各个设备之间进行巡视工作。巡视时的安全工器具均可以按需取用，巡视运动方式可以包含走、跑、跳、蹲，甚至是“飞”，从而将变电站巡视过程全方位地展示出来。
（4）电气设备操作。倒闸操作是变电站中的重要工作内容之一。通过贴图、关键帧、骨骼动画等动画控制技术，不仅能够降低对系统计算能力的要求，还可以让配电装置中电气设备的可动部件按合理的方式运动起来，如：断路器变位、隔离开关拉合等，从而使变电站巡视仿真系统更具可操作性。
（5）缺陷设置与仿真。变电站配电装置中的缺陷具有多样性、不确定性等特点，仿真系统通过模型位移、模型替换、材质喷涂、紫外渲染效果、添加粒子特效等多种方法，可实现变电站中各种设备典型缺陷的快速设置，如：闪络放电、破损断裂、异常声响、冒烟着火等。结合特效编辑功能，缺陷仿真效果更加真实。
（6）特效编辑。为了增强拟真效果，营造变电站运行时所需的各类气象条件和事故场景，仿真系统设计了特效编辑功能。通过光照阴影工具，可以实现对现实光照的逼真模拟。通过粒子特效工具，可以实现风雨、水面、火焰、放电、烟雾等效果的仿真。
三、变电站巡视仿真系统在培养方案中的具体应用
教育部卓越工程师培养的有关标准和要求指出：试点学校制定本校参与专业的“卓越工程师培养计划”培养标准时，应将培养标准细化为知识能力大纲，依据知识能力大纲对课程进行整合，并将知识能力大纲落实到具体的课程和教学环节。
为此，根据我校电气工程及其自动化专业的人才培养目标和校内培养方案，以及学生毕业后主要从事电力行业及相关技术领域的工作方向，充分运用变电站巡视仿真系统方面的研发及教学资源，细化出可以实现一一对应的教学环节，从而为卓越工程师培养提供具体可行的有益思路。
1.电气工程基础实习
电力认识实习是对电气工程的初步认识实习。通过实习建立起对电力生产过程、电气设备等的感性认识，为学好后续的专业课打下良好的基础。
2.发电厂电气部分课堂教学
发电厂电气部分是电气工程及其自动化专业的重要专业课程之一。通过本课程的学习，使学生掌握以下内容：导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理；电气设备的结构和工作原理；电气主接线的形式、特点、适用和设计；导体及电器的选择校验；二次系统典型接线及原理[4]。
3.电气部分课程设计
电气部分课程设计是对所学发电厂电气部分课程的知识强化过程。通过课程设计，提高学生认识、分析和解决工程问题的能力。其典型选题为：110kV变电所的初步电气部分设计。
4.变电运行实习
变电仿真运行实习是一门实践教学必修课程。本实习是借助变电站数字仿真系统，使学生了解220kV/500kV变电站值班的安全规范、运行操作规程、电气倒闸操作步骤以及一些常见缺陷、异常及事故的处理原则和方法。
5.毕业设计
毕业设计由学生与企业双向选择，由企业指导教师和校内指导教师共同指导完成。毕业设计要求选题必须来源于实习企业的技术分析、设计、调试、应用等。鼓励学生根据他们在企业实践中发现的工程实际问题进行设计、研究或者开发。
具体各教学环节与知识点和技能的具体组合对应关系，如表1所示。
四、结束语
通过对变电站巡视仿真系统在电气工程及其自动化专业卓越工程师培养方案中的应用研究，不仅丰富了变电站巡视仿真系统的构架和功能，而且还极大地丰富了本专业理论教学和实践教学的结构和内容，进而对卓越工程师培养方案的进一步细化产生示范性的影响。
按照教育部“卓越工程师培养计划”的指导思想、培养目标和培养要求，编写科学合理的卓越工程师培养方案，集中适应应用型本科教学的师资队伍，充分运用装备一流的工程实验中心、校内专业基础和专业实验室、校企共建实习基地以及校外实习基地，采取不断消化、吸收与改良的手段，一定能培养出符合我国国情和专业办学特色的企业现场电气工程师。
参考文献：
[1]林健.“卓越工程师教育培养计划”专业培养方案研究[J].清华大学教育研究,2011,(2):47-55.
[2]董海瑞,齐晓慧,陈欣.基于工程师培养的课程教学改革[J].中国电力教育,2011,(6):107-109.
[3]黄宵宁.论输电线路虚拟仿真技术在输配电工程应用型人才培养中的价值[J].中国电力教育,2008,(1):120-122.
[4]姚春球.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社,2008.
（责任编辑：刘辉）
关键词：变电站；巡视仿真；卓越工程师；培养方案
作者简介：王健（1970-），男，江苏淮安人，南京工程学院电力学院，讲师；杨志超（1960-），男，江苏常州人，南京工程学院电力学院，副教授。（江苏南京211167）
基金项目：本文系南京工程学院校级科研基金项目（KXJ08040）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）06-0056-02
2010年10月，教育部联合有关部门和行业协会共同在有关高校中组织实施“卓越工程师教育培养计划”。经教育部组织论证、审核和批准，南京工程学院（以下简称“我校”）有幸成为第一批“卓越工程师教育培养计划”实施高校，电气工程及其自动化专业同时获批教育部“卓越工程师教育培养计划”首批试点专业。本文在深刻理解领会卓越工程师培养要求和目标的基础上，依托我校现有的教学及研发能力，将变电站巡视仿真系统充分灵活地应用到电气工程及其自动化专业的相关理论及实践环节培养方案中，将多个教学环节、教学内容和知识能力大纲精细地结合起来，以期为电气工程及其自动化专业卓越工程师培养方案的顺利实施提供一些有益的探索[1]。
一、电气工程及其自动化专业卓越工程师的培养要求
1.专业介绍
我校电气工程及其自动化专业创办于1946年。在依托电力行业、服务地方经济，坚持“学以致用”的办学理念，走“校企合作”、产学研相结合之路，培养应用型高级专业技术人才的思想指导下，本专业已发展成为学校规模最大专业、学校首批品牌专业、江苏省特色专业，电力系统及其自动化学科为学校重点学科、江苏省重点建设学科，在省内同类高校中享有较高的声誉。
2.培养标准及目标
本专业学生主要学习电路、电机学、电力系统分析、电气设备、电力系统继电保护、高电压技术、输电线路设计等电力行业必备知识，并受到现场电气工程师技能训练和综合素质训练。除通用知识、能力和素质要求外，还应具备项目构建、工程设计、工程实施等与专业方向密切相关的工程能力。培养坚持以强电为主线，实践强弱电结合、理论实践结合、技术技能结合，要求学生具备较扎实的理论基础和较宽的知识面，具有较强的获取和综合运用知识的能力、工程实践能力与创新意识等，能从事电力系统运行与控制、工程设计与施工、现场调试与实验、信息处理与管理等工作。
3.培养方案
培养方案由校内培养方案和企业培养方案两部分组成。校内培养方案以课堂教学、实验、课程设计、集中实习、技能竞赛、职业资质培训、毕业设计等各种教学环节来综合实现卓越工程师培养计划的要求，构建理论教学和实践教学综合培养体系，实现理论与实践教学交叉进行、密切融合、环环相扣的课程体系。企业培养方案安排总时间为一学年，分为企业认识实习、企业轮岗实习和在企业完成毕业设计三部分。通过在企业的实践实训，树立良好的工程意识，培养良好的人际交往能力和团队合作精神，培养学生在发电、输配电、工程施工、设备制造等相关企业生产一线从事工程技术工作的能力。
二、变电站巡视仿真系统的设计开发
变电站是电力系统的重要组成部分，具有工程量大、设备型式多、运行操作复杂的特点，同时也是与电气工程及其自动化专业教学中理论知识点、实践技能水平契合度最高的现场环境。通过一种基于虚拟样机技术的变电站巡视仿真平台构建方法，可以对变电站及其主要设备进行三维数字化快速搭建和巡视仿真。该仿真平台能应用于各种变电站的规划设计、施工建设、运行操作及相关培训教学，具有物理模型精准、实时渲染高效、编辑工具丰富、仿真效果逼真的特点，有利于优化设计方案、缩短施工工期和增强教培效果，有较高的应用与推广价值。为积极配合我校卓越工程师培养方案的落实和开展，还对变电站巡视仿真系统的部分界面及功能进行了优化和提高，以使其具有更强的教学效果和适用范围。
1.系统构架
变电站巡视仿真系统以虚拟现实技术为基础，以平台化开发为手段，将虚拟现实与系统仿真技术相结合，应用于变电站的规划设计、施工安装、运行巡视的实际工作和技能培训中。变电站巡视仿真系统主要包含三部分：一是三维素材库，分类装载地表自然实物、电工建筑物、电气设备、工器具、工作人员等三维模型；二是虚拟样机工具，实现模型的修正、替换，实现算法关联、空间组合和装配、脚本编辑和优化等；三是三维图形引擎，实现大规模超精细虚拟场景的高效实时渲染。系统总体构架如图1所示[3]。
2.主要功能
（1）素材库管理。三维模型是虚拟现实技术仿真中最基本的元素，因其种类繁多、数量庞大而对素材库管理提出了较高的设计要求。素材库使用配置文件对素材进行分类，并提供三维可视化的素材供选择。此外，还提供对素材库进行添加、删除和修改等管理界面。
（2）三维场景搭建。三维场景搭建是在三维模型素材库的基础上对变电站三维空间中的复杂对象进行组装和布置。利用平台化的设计方法，在虚拟的地形地貌环境下，通过六个自由度的变换，解决变电站中各个电气设备之间的装配和搭建，进而可生成所需的完整虚拟场景。
（3）配电装置巡视。完整的变电站虚拟场景搭建完成后，用户可以用第一人称视角方式，按照科学的巡视路线，在配电装置的各个设备之间进行巡视工作。巡视时的安全工器具均可以按需取用，巡视运动方式可以包含走、跑、跳、蹲，甚至是“飞”，从而将变电站巡视过程全方位地展示出来。
（4）电气设备操作。倒闸操作是变电站中的重要工作内容之一。通过贴图、关键帧、骨骼动画等动画控制技术，不仅能够降低对系统计算能力的要求，还可以让配电装置中电气设备的可动部件按合理的方式运动起来，如：断路器变位、隔离开关拉合等，从而使变电站巡视仿真系统更具可操作性。
（5）缺陷设置与仿真。变电站配电装置中的缺陷具有多样性、不确定性等特点，仿真系统通过模型位移、模型替换、材质喷涂、紫外渲染效果、添加粒子特效等多种方法，可实现变电站中各种设备典型缺陷的快速设置，如：闪络放电、破损断裂、异常声响、冒烟着火等。结合特效编辑功能，缺陷仿真效果更加真实。
（6）特效编辑。为了增强拟真效果，营造变电站运行时所需的各类气象条件和事故场景，仿真系统设计了特效编辑功能。通过光照阴影工具，可以实现对现实光照的逼真模拟。通过粒子特效工具，可以实现风雨、水面、火焰、放电、烟雾等效果的仿真。
三、变电站巡视仿真系统在培养方案中的具体应用
教育部卓越工程师培养的有关标准和要求指出：试点学校制定本校参与专业的“卓越工程师培养计划”培养标准时，应将培养标准细化为知识能力大纲，依据知识能力大纲对课程进行整合，并将知识能力大纲落实到具体的课程和教学环节。
为此，根据我校电气工程及其自动化专业的人才培养目标和校内培养方案，以及学生毕业后主要从事电力行业及相关技术领域的工作方向，充分运用变电站巡视仿真系统方面的研发及教学资源，细化出可以实现一一对应的教学环节，从而为卓越工程师培养提供具体可行的有益思路。
1.电气工程基础实习
电力认识实习是对电气工程的初步认识实习。通过实习建立起对电力生产过程、电气设备等的感性认识，为学好后续的专业课打下良好的基础。
2.发电厂电气部分课堂教学
发电厂电气部分是电气工程及其自动化专业的重要专业课程之一。通过本课程的学习，使学生掌握以下内容：导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理；电气设备的结构和工作原理；电气主接线的形式、特点、适用和设计；导体及电器的选择校验；二次系统典型接线及原理[4]。
3.电气部分课程设计
电气部分课程设计是对所学发电厂电气部分课程的知识强化过程。通过课程设计，提高学生认识、分析和解决工程问题的能力。其典型选题为：110kV变电所的初步电气部分设计。
4.变电运行实习
变电仿真运行实习是一门实践教学必修课程。本实习是借助变电站数字仿真系统，使学生了解220kV/500kV变电站值班的安全规范、运行操作规程、电气倒闸操作步骤以及一些常见缺陷、异常及事故的处理原则和方法。
5.毕业设计
毕业设计由学生与企业双向选择，由企业指导教师和校内指导教师共同指导完成。毕业设计要求选题必须来源于实习企业的技术分析、设计、调试、应用等。鼓励学生根据他们在企业实践中发现的工程实际问题进行设计、研究或者开发。
具体各教学环节与知识点和技能的具体组合对应关系，如表1所示。
四、结束语
通过对变电站巡视仿真系统在电气工程及其自动化专业卓越工程师培养方案中的应用研究，不仅丰富了变电站巡视仿真系统的构架和功能，而且还极大地丰富了本专业理论教学和实践教学的结构和内容，进而对卓越工程师培养方案的进一步细化产生示范性的影响。
按照教育部“卓越工程师培养计划”的指导思想、培养目标和培养要求，编写科学合理的卓越工程师培养方案，集中适应应用型本科教学的师资队伍，充分运用装备一流的工程实验中心、校内专业基础和专业实验室、校企共建实习基地以及校外实习基地，采取不断消化、吸收与改良的手段，一定能培养出符合我国国情和专业办学特色的企业现场电气工程师。
参考文献：
[1]林健.“卓越工程师教育培养计划”专业培养方案研究[J].清华大学教育研究,2011,(2):47-55.
[2]董海瑞,齐晓慧,陈欣.基于工程师培养的课程教学改革[J].中国电力教育,2011,(6):107-109.
[3]黄宵宁.论输电线路虚拟仿真技术在输配电工程应用型人才培养中的价值[J].中国电力教育,2008,(1):120-122.
[4]姚春球.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社,2008.
（责任编辑：刘辉）