基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

周琪琪， 孫建平

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生能源，其有效利用對(duì)于資源的可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境的保護(hù)等方面有著相當(dāng)大的作用。近幾年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的支持與重視，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量不斷增加，風(fēng)電市場(chǎng)前景越來(lái)越好[1]。但與此同時(shí)，風(fēng)電人才緊缺的問(wèn)題日益突出，因此提高風(fēng)電技術(shù)人員的專業(yè)能力成為當(dāng)務(wù)之急。目前，對(duì)于風(fēng)電工作人員的培訓(xùn)還處于比較落后的階段，培訓(xùn)方式存在過(guò)于理論化，缺乏實(shí)用性，培訓(xùn)內(nèi)容單一、形式單調(diào)等缺點(diǎn)。在這樣的背景下，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到培訓(xùn)中，可以形成更加直觀生動(dòng)、理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方式，使學(xué)員身臨其境，從而更好的掌握相關(guān)技能[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。它利用了多學(xué)科的技術(shù)，例如仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，從而使人能夠?qū)μ摂M世界進(jìn)行視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)等方面的感知，同時(shí)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，具有廣闊的應(yīng)用前景[3，4]。我國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究方面起步較晚，但是隨著國(guó)家的重視，最近幾年取得了一些成果。陳奇朋等人將三維建模技術(shù)、虛擬場(chǎng)景搭建技術(shù)、可視化交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)連接等與電力作業(yè)相結(jié)合，構(gòu)建了電力作業(yè)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[5]；高龍等人提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的火電站設(shè)備管理系統(tǒng)，將三維設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)與MIS系統(tǒng)相連，通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修[6]；楊中亞等人開(kāi)發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輸電線路巡視仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，使用Windows操作系統(tǒng)和SQLservers數(shù)據(jù)庫(kù)，將實(shí)際工作流程與計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合[7]。在風(fēng)電領(lǐng)域，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真產(chǎn)品取得了一定的成績(jī)。閻光偉等人建立了集風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)三維仿真、設(shè)備運(yùn)行仿真、虛擬人巡檢等于一體的風(fēng)電虛擬系統(tǒng)[8]，任巖等人提出了基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢及監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建方案[9]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是集風(fēng)機(jī)三維場(chǎng)景、功能仿真、遠(yuǎn)程監(jiān)控和過(guò)程檢修模擬等于一體的培訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)各平臺(tái)一體，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和展示。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在此系統(tǒng)中，學(xué)員可以自由漫游整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，同時(shí)可以使用鼠標(biāo)任意選擇并對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、葉片等)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)主要設(shè)備的拆裝、檢修以及維護(hù)等；并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)行不同運(yùn)行方式的仿真實(shí)驗(yàn)等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

功能仿真支撐平臺(tái)負(fù)責(zé)管理風(fēng)電機(jī)組仿真模型的建立和運(yùn)行，開(kāi)展完整的風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)仿真技術(shù)研究。在系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)了從風(fēng)能到機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化的完整過(guò)程各類模型及相應(yīng)控制對(duì)象的控制模型，完成設(shè)備模型仿真，如控制模型(如變流器模型、發(fā)電機(jī)模型等)、周邊電網(wǎng)模型、升壓站模型等。

三維可視仿真支撐平臺(tái)負(fù)責(zé)管理3D運(yùn)維仿真模型的開(kāi)發(fā)及運(yùn)行。在該平臺(tái)中完成了風(fēng)機(jī)主要設(shè)備三維模型建立，包括葉片模型、低速軸模型、齒輪箱模型、高速軸模型、發(fā)電機(jī)模型、控制柜模型等。

集中監(jiān)控系統(tǒng)是仿真實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)操作員站界面的仿真系統(tǒng)，能夠控制和操作風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)、正常運(yùn)行、故障等過(guò)程，監(jiān)視機(jī)組各種參數(shù)的變化情況，并可形成各種運(yùn)行曲線[10]。

三維檢修培訓(xùn)平臺(tái)負(fù)責(zé)在虛擬場(chǎng)景中，對(duì)學(xué)員進(jìn)行理論、檢修等方面的培訓(xùn)。在此平臺(tái)中完成了維護(hù)庫(kù)、圖紙庫(kù)、故障庫(kù)、拆裝庫(kù)、檢修庫(kù)、工具庫(kù)及原理庫(kù)等功能模塊的開(kāi)發(fā)。

2 虛擬場(chǎng)景搭建

在開(kāi)發(fā)風(fēng)電虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，首先要對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行搭建，盡可能地模擬真實(shí)的風(fēng)電場(chǎng)。虛擬場(chǎng)景的搭建步驟如下：

(1)三維建模：三維模型是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種大型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，在風(fēng)機(jī)建模的過(guò)程中，為了使所建立的三維模型具有高精度的仿真立體效果，需要采集現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)，整理相關(guān)文檔、視頻等，同時(shí)參考大量的三視圖、實(shí)物照片、剖面圖等多種類型資料，對(duì)風(fēng)電主要設(shè)備如葉片、低速軸、齒輪箱等進(jìn)行建模[11]。建模所用軟件為3ds Max。在3ds Max中，可以從點(diǎn)、線、面等進(jìn)行模型繪制，圖形操作方便靈活。具體建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程圖

(2)模型導(dǎo)出：將3ds Max中模型導(dǎo)出為FBX格式的文件，然后將FBX文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3 d系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)景，調(diào)整這些模型的地理坐標(biāo)、大小、朝向等。同時(shí)為了使系統(tǒng)場(chǎng)景明亮，更具有真實(shí)感，需要做一些模型渲染、燈光設(shè)置、場(chǎng)景調(diào)整等工作[12]。場(chǎng)景設(shè)置流程圖如圖3所示。

圖3 場(chǎng)景設(shè)置流程圖

在虛擬場(chǎng)景中，將模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)相鏈接，實(shí)現(xiàn)信息交互，從而使工作人員更好的監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息等。圖4、圖5分別為傳動(dòng)鏈三維模型、風(fēng)電機(jī)組虛擬現(xiàn)實(shí)模型。

圖4 傳動(dòng)鏈三維模型圖

圖5 風(fēng)電機(jī)組虛擬現(xiàn)實(shí)模型圖

(3)場(chǎng)景優(yōu)化：由于風(fēng)電機(jī)組設(shè)備較多，若在場(chǎng)景中任何時(shí)刻都采用高精度顯示，會(huì)增加unity負(fù)擔(dān)，因此為了優(yōu)化unity性能使其在使用過(guò)程中更加順暢，系統(tǒng)使用了攝像機(jī)分層距離剔除技術(shù)。此技術(shù)為小物體標(biāo)識(shí)層次，然后根據(jù)其距離主攝像機(jī)的距離判斷是否需要顯示[13]。

在此系統(tǒng)中，使用LODGroup組件設(shè)置了風(fēng)機(jī)設(shè)備的LOD層級(jí)及所對(duì)應(yīng)的模型，LOD:0所對(duì)應(yīng)的模型精度最高，后面的數(shù)字越大代表模型精度越低，移動(dòng)到culled插件，模型消失。同時(shí)為了使視覺(jué)效果更好，需要設(shè)置LOD精度的偏移數(shù)值，使過(guò)渡更平緩。最后根據(jù)攝像機(jī)與風(fēng)機(jī)間的距離改變透明值，從而控制機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備的顯示。部分代碼如下：

void ChangeAlpha()

{

BoxMat.material.SetFloat(“_TestVal”, AlphaFloat);

if (Dis >=15)

{

BoxMat.gameObject.SetActive(true);

AlphaFloat -=0.03f;

if (AlphaFloat <=0)

AlphaFloat=0;

}

else if (Dis < 15)

{

AlphaFloat +=0.03f;

if (AlphaFloat >=1)

{

AlphaFloat=1;

BoxMat.gameObject.SetActive(false);

}

}

}

3 設(shè)備虛擬拆裝

虛擬拆裝即在虛擬場(chǎng)景中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆裝操作。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，虛擬拆裝能使學(xué)員高效的學(xué)習(xí)設(shè)備相關(guān)知識(shí)，提高培訓(xùn)質(zhì)量[14]。在系統(tǒng)中，學(xué)員通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型，同時(shí)拖拽模型至鼠標(biāo)松開(kāi)的位置，從而實(shí)現(xiàn)拆卸。實(shí)現(xiàn)的主要步驟為：

(1)三維拾取要拆卸的模型。三維拾取的方法有很多種，本文使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方法來(lái)完成拾取操作。該方法符合用戶習(xí)慣，人機(jī)交互良好。物體拾取流程如圖6所示。

通過(guò)調(diào)用Unity中的API函數(shù)進(jìn)行射線構(gòu)造以及碰撞檢測(cè)，從而拾取物體。其中包括Ray(射線)、Raycasthit(碰撞信息)、Raycast(Ray，outRaycasthit)函數(shù)等[15]。

圖6 物體拾取流程

(2)在transform組件和vector3類型數(shù)組變量分別保存拆卸模型、模型當(dāng)前位置，并使用數(shù)組變量序號(hào)控制拆卸的邏輯順序[16]。

(3)為該拆卸模型添加拖拽腳本，腳本通過(guò)類型值返回，實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算模型與點(diǎn)擊位置的偏移量，重新為模型位置賦值，最后完成拆卸。拆裝圖如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)拆裝圖

4 交互控制

4.1 場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游在虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)中具有重要作用。在此系統(tǒng)中，通過(guò)編寫腳本加載在攝像機(jī)上，設(shè)置鼠標(biāo)的右鍵來(lái)進(jìn)行場(chǎng)景的旋轉(zhuǎn)，鍵盤的6個(gè)按鍵(Q鍵、E鍵向上、向下移動(dòng)，A鍵、D鍵向左、向右移動(dòng)，W鍵、S鍵向前、向后移動(dòng))進(jìn)行不同方向的移動(dòng)，操作方式簡(jiǎn)單方便，可以使用戶在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行自由漫游[17，18]。以右鍵旋轉(zhuǎn)為例，部分程序如下：

using UnityEngine;

using System.Collections;

public class CameraController:

MonoBehaviour

{

public float sensitivityX=5f;

public float sensitivityY=5f;

void Update ()

{

if (Input.GetMouseButton(1))

{

float rotationX=Input.GetAxis(“Mouse X”) * sensitivityX;

float rotationY=Input.GetAxis(“Mouse Y”) * sensitivityY;

transform.Rotate(-rotationY, rotationX, 0);

}

}

}

4.2 圖片大小控制

在此系統(tǒng)中，設(shè)有關(guān)鍵設(shè)備的培訓(xùn)，點(diǎn)擊設(shè)備會(huì)彈出圖片，學(xué)員可以通過(guò)圖片的學(xué)習(xí)了解設(shè)備結(jié)構(gòu)以及工作原理。為了能更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，學(xué)員可以滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪控制圖片大小[19]。設(shè)定圖片放大縮小的范圍，利用unity中的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)滾輪對(duì)圖片放大或縮小的實(shí)時(shí)控制，當(dāng)向后滾動(dòng)時(shí)，縮小圖片，直到最小設(shè)定值；當(dāng)向前滾動(dòng)時(shí)，放大圖片，直到最大設(shè)定值。

在控制腳本調(diào)用了響應(yīng)函數(shù)(Input.GetAxis(

(“Mouse ScrollWheel”))，通過(guò)float類型值返回，向前滾是返回正數(shù)，向后滾是返回負(fù)數(shù)。向前滾動(dòng)代碼如下：

if (Input.GetAxis(“Mouse ScrollWheel”) > 0)

{

if(image.transform.parent.localScale.x < 5

image.transform.parent.localScale=new Vector3

(image.transform.parent.localScale.x + 0.2f, image.transform.parent.localScale.y + 0.2f, image.transform.parent.localScale.z + 0.2f);

if (image.transform.parent.localScale.x >=5)

image.transform.parent.localScale=new

Vector3(5, 5, 5);

}

5 風(fēng)電虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

(1)學(xué)習(xí)功能：在虛擬系統(tǒng)中有維護(hù)庫(kù)、圖紙庫(kù)、故障庫(kù)、拆裝庫(kù)、檢修庫(kù)、工具庫(kù)及原理庫(kù)等功能模塊。用戶在虛擬場(chǎng)景中，可以學(xué)習(xí)設(shè)備各主要零部件的基礎(chǔ)理論知識(shí)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和電氣原理圖(如塔基柜、塔筒)等,掌握設(shè)備的拆裝、檢修、維護(hù)等，同時(shí)可以了解常用維護(hù)工具，使用戶掌握基本維修技能[20]。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成，在三維場(chǎng)景下觀看風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，如功率大小、風(fēng)速大小、無(wú)功功率數(shù)值、實(shí)際風(fēng)向等。

(3)仿真功能： 能針對(duì)用戶模擬檢修完成后，通過(guò)觀察設(shè)備運(yùn)行情況，來(lái)檢查檢修方法是否適當(dāng)。

(4)交互功能：用戶可以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互操作，包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游等。

(5)考核功能：能夠進(jìn)行理論和檢修操作考核，用戶可以檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，鞏固知識(shí)。

(6)管理功能：能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)管理、題庫(kù)管理、權(quán)限管理等功能。

6 結(jié)論

本文通過(guò)完成對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)、虛擬場(chǎng)景搭建、虛擬拆裝、交互控制等問(wèn)題的處理，系統(tǒng)終于搭建成型?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)做到了將虛擬與實(shí)際結(jié)合，讓用戶在虛擬中就能更好的掌握風(fēng)電知識(shí)。根據(jù)80后、90后員工的特點(diǎn)，在培訓(xùn)形式上采取更為生動(dòng)、直觀的三維模式，引入了類似游戲的場(chǎng)景設(shè)計(jì)理念，提高培訓(xùn)的趣味性，變被動(dòng)受訓(xùn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而能有效的提高培訓(xùn)效果。同時(shí)可將本系統(tǒng)推廣到一些院校進(jìn)行教學(xué)合作，把該成果用于高等院校的學(xué)生學(xué)習(xí)，具有較好的推廣價(jià)值。