虛擬現(xiàn)實技術(shù)在天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用

張 曦， 郝寅龍， 孔茹權(quán)， 余曉明

(1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)重點實驗室，浙江杭州311121；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州311121；3.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京100037；4.杭州星越軟件科技有限公司，浙江杭州310011；5.杭州城市能源有限公司，浙江杭州310004)

1 概述

目前，天然氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展不僅面臨電力行業(yè)的壁壘，還面臨高氣價的經(jīng)濟(jì)環(huán)境，以及社會認(rèn)知度不足的窘境。與突破行業(yè)壁壘及高氣價的經(jīng)濟(jì)環(huán)境相比，提高天然氣分布式能源系統(tǒng)的社會認(rèn)知度更具有操作性。本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)應(yīng)用于天然氣分布式能源系統(tǒng)的宣傳，從而提高社會認(rèn)知度。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以沉浸性、交互性和多感知性為基本特征的計算機(jī)高級人機(jī)界面。綜合利用了計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，并能夠通過語言、手勢等自然方式實現(xiàn)實時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間[1]。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，還能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗[2]。

3 三維模型搭建

環(huán)境建模主要是虛擬場景的構(gòu)建，也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一項關(guān)鍵步驟。在構(gòu)建虛擬場景時，對場景的三維建模工作是首先要完成的。

天然氣分布式能源系統(tǒng)的三維模型采用三維建模軟件3DMAX構(gòu)建。模型與現(xiàn)實場景比例為1∶1，保證模型的真實度與嚴(yán)謹(jǐn)性。

3.1 資料收集

在建模初期，對項目進(jìn)行資料收集和現(xiàn)場考察。資料收集內(nèi)容主要有能源站平面布置圖、管線布置圖等相關(guān)設(shè)計施工圖紙、主要設(shè)備的樣本及供貨商提供的參考材料、能源站運行情況和技改情況、周圍環(huán)境情況等?，F(xiàn)場著重考察能源站內(nèi)的設(shè)備及構(gòu)造，并拍照或攝像記錄局部細(xì)節(jié)和相關(guān)參數(shù)。

3.2 三維模型搭建流程

①根據(jù)收集的資料及現(xiàn)場考察記錄的內(nèi)容，以1∶1比例制作簡易模型，勾勒整體大致外形。②豐富三維模型細(xì)節(jié)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡易模型的完善。③對實地考察收集的紋理進(jìn)行修改、美化，并制作成紋理貼圖。④將紋理貼圖賦予模型，并將相應(yīng)模型進(jìn)行結(jié)合，組成最終完整場景，并對場景添加燈光效果。⑤進(jìn)行后期制作(動畫、程序等)，完成三維模型搭建。

3.3 要求

① 效果要求。三維模型應(yīng)遵照資料和設(shè)計要求以及現(xiàn)場照片，紋理貼圖清晰。能夠充分反映現(xiàn)實物體的主要結(jié)構(gòu)以及主要細(xì)節(jié)及質(zhì)感，整體感強(qiáng)。

② 材質(zhì)和貼圖要求。不能在3DMAX材質(zhì)編輯器中對貼圖進(jìn)行裁切，不能使用Tiling選項。紋理貼圖的格式采用*.tga文件格式。若需要眩光效果，須進(jìn)行眩光效果處理。

③ 制作要求。a.制作范圍內(nèi)的設(shè)備一定要與照片相符，應(yīng)能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)設(shè)備的特征。b.導(dǎo)入設(shè)備的*.dwg文件時，應(yīng)將各圖層進(jìn)行凍結(jié)，以保證線條位置不發(fā)生偏移。c.保持三維模型中物體的編輯使用Edit Mesh或Edit Poly方式，特殊情況可使用Surface建模，NURBS建模方式基本上不使用。d.三維建模中應(yīng)避免出現(xiàn)共面(兩面距離小于0.3 m即為共面)，不應(yīng)出現(xiàn)閃面、漏面情況。e.三維模型完成后要清除未使用的材質(zhì)與貼圖。

4 應(yīng)用案例

4.1 項目概況

杭州市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司七堡搶修營業(yè)基地是一座綜合性辦公建筑，為提高能源綜合利用率，該辦公建筑采用天然氣分布式能源系統(tǒng)供能。能源站采用4臺額定發(fā)電功率為65 kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)，1臺額定制冷量為872 kW的煙氣-直燃型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。能源站外景見圖1。

為了展現(xiàn)天然氣分布式能源系統(tǒng)綠色、高效、安全、節(jié)能的特點，有效實現(xiàn)天然氣分布式能源系統(tǒng)的宣傳及推廣、行業(yè)層面的交流合作、用戶層面的科學(xué)普及，在能源站休息區(qū)搭建現(xiàn)場參觀區(qū)，在辦公建筑內(nèi)設(shè)置虛擬現(xiàn)實體驗區(qū)。

圖1 能源站外景

4.2 現(xiàn)場參觀

出于安全考慮，微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)房、煙氣-直燃型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組機(jī)房和控制室等是不對外開放的，體驗者僅能通過現(xiàn)場講解和圖文宣傳材料了解項目情況。

4.3 虛擬現(xiàn)實體驗

① 設(shè)備配置

基于三維模型，通過Unity3D交互引擎以及C語言編寫交互功能應(yīng)用程序，最終形成以場景漫游體驗、設(shè)備動態(tài)展示、數(shù)據(jù)實時展示等功能為主體的虛擬現(xiàn)實互動體驗系統(tǒng)。

利用高性能臺式計算機(jī)(硬件滿足VR頭戴式設(shè)備的要求，采用Windows操作系統(tǒng))及VR頭戴式設(shè)備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實體驗，主要包括場景漫游體驗、設(shè)備動態(tài)展示、數(shù)據(jù)實時展示。

目前，市場上主流VR頭戴式設(shè)備主要有Oculus Rift、PlayStation VR、HTC Vive等，硬件設(shè)計上比較相似。3款產(chǎn)品均集成了頭部運動追蹤、位置追蹤系統(tǒng)，其中Oculus Rift、PlayStation VR使用單個動作感應(yīng)攝像頭來識別用戶運動，需要將動作感應(yīng)攝像頭放置在用戶正前方。而HTC Vive在頭戴式顯示器上集成多達(dá)37個LED傳感器，能夠與安裝在房間中的兩個定位器構(gòu)成1個最大尺寸為4.5 m×4.5 m的動作捕捉區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)用戶可以自由活動。綜合比較3種VR頭戴式設(shè)備性能后，我們選用了HTC Vive的VR頭戴式設(shè)備(外形見圖2)，包括1個頭戴式顯示器、2只操控手柄及2個定位器。

圖2 HTC Vive的VR頭戴式設(shè)備外形

② 主要功能

a.場景漫游體驗

通過佩戴VR頭戴式設(shè)備，體驗者以第一人稱視角進(jìn)入能源站虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，當(dāng)體驗者在現(xiàn)實中轉(zhuǎn)動頭部或移動身體時，虛擬環(huán)境中畫面也會隨著變化。通過控制操控手柄按鍵，可實現(xiàn)人體的前后虛擬移動，使體驗者有身臨其境的感覺。場景漫游體驗過程中體驗者視覺界面見圖3，圖3中左下角為能源站平面圖及體驗者當(dāng)前所處位置。

圖3 場景漫游體驗過程中體驗者視覺界面

b.設(shè)備動態(tài)展示

通過佩戴VR頭戴式設(shè)備，體驗者在場景漫游體驗過程中，通過控制操控手柄實現(xiàn)設(shè)備展示框查看。展示框中以圖片、文字及語音等形式體現(xiàn)設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)信息、相關(guān)操作規(guī)范等。根據(jù)設(shè)備復(fù)雜程度，實現(xiàn)了部分設(shè)備透視、內(nèi)部結(jié)構(gòu)動態(tài)拆分，幫助體驗者了解設(shè)備結(jié)構(gòu)。

c.數(shù)據(jù)實時展示

利用Unity3D編程技術(shù)將獲取數(shù)據(jù)信息匹配至三維虛擬目標(biāo)物件上，在場景漫游過程中，體驗者通過控制操控手柄打開數(shù)據(jù)展示窗口，查詢實時數(shù)據(jù)(主要包含發(fā)電量、減排量、安全運行時間等)。

③ 其他功能

除了上述功能外，虛擬現(xiàn)實體驗區(qū)還實現(xiàn)游戲互動、知識問答等功能。游戲以環(huán)保類主題的趣味游戲為主，分為VR游戲和平面游戲兩類，分別由VR頭戴式設(shè)備、交互式觸摸一體機(jī)(外觀見圖4)實現(xiàn)。VR游戲是采用在能源站虛擬環(huán)境中布置游戲

入口，體驗者通過控制操控手柄進(jìn)入游戲場景。平面游戲和知識問答則是體驗者通過手指觸碰交互式觸摸一體機(jī)展現(xiàn)的界面，實現(xiàn)游戲互動和知識問答。

圖4 交互式觸摸一體機(jī)

4.4 效果

現(xiàn)場參觀與虛擬現(xiàn)實體驗相結(jié)合，使體驗者不僅停留在想象層面，還在多維空間中實現(xiàn)了天然氣分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備工作原理和技術(shù)特點的了解和體驗，從而加深感官感受和認(rèn)知深度，讓天然氣分布式能源系統(tǒng)的立體形象深入人心。

現(xiàn)場參觀區(qū)、虛擬現(xiàn)實體驗區(qū)于2017年7月正式對外開放，截至2018年12月底，共開展56次體驗活動，接待政府機(jī)關(guān)、社會團(tuán)體、新聞媒體、行業(yè)專家、市民等1 870人次，受到一致好評。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用是一種嶄新的宣傳方式，以沉浸性、交互性和多感知性的表現(xiàn)手段，提升體驗者的體驗感和參與度，生動地宣傳了天然氣分布式能源系統(tǒng)安全高效、清潔環(huán)保等特點。此外，在天然氣分布式能源系統(tǒng)培訓(xùn)與運維方面，提供了便捷可視化教具，場景可反復(fù)使用，不存在損耗，有助于提升工作效率和降低培訓(xùn)及運維成本。