基于VR及三維數(shù)字化技術(shù)的火電廠鍋爐設(shè)備管理平臺(tái)研發(fā)和應(yīng)用

常毅君，蔣金忠，張旭東，郭志清，熊 偉，楊永紅，雷 鵬，邢一陽

（華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

中國(guó)火力發(fā)電機(jī)組經(jīng)過前些年的跨越式發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為世界最大裝機(jī)容量的國(guó)家之一。近些年隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的火力發(fā)電行業(yè)如何利用新技術(shù)革命實(shí)現(xiàn)智慧化改造和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為火電行業(yè)亟需解決的重要課題。

1 概況

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

國(guó)內(nèi)某超超臨界百萬等級(jí)機(jī)組的電廠組織相關(guān)單位，經(jīng)過兩年多的研發(fā)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)了超超臨界1000MW 鍋爐VR和三維數(shù)字化管理平臺(tái)。該平臺(tái)以KKS 編碼為基本圖元，以真實(shí)尺寸為基準(zhǔn)比例，構(gòu)建1000MW 超超臨界火電機(jī)組鍋爐本體和輔機(jī)的數(shù)字模型。在VR 環(huán)境和桌面級(jí)三維仿真環(huán)境下，分別實(shí)現(xiàn)了設(shè)備零部件和相關(guān)數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、定位、跟蹤、縮放、解剖等多項(xiàng)功能。設(shè)備三維故障分析、檢修輔助策劃、三維臺(tái)賬管理、沉浸式技術(shù)培訓(xùn)等已在日常生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

2 研發(fā)目標(biāo)和策略

作為仿真技術(shù)的重要方向之一，VR 技術(shù)和三維數(shù)字化技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合。該平臺(tái)包括桌面級(jí)三維數(shù)字化系統(tǒng)和VR 系統(tǒng)兩大部分。兩個(gè)系統(tǒng)真實(shí)地模擬還原了鍋爐本體和輔機(jī)的各種零部件、立體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)聯(lián)接，按照零件、部件、組件3 個(gè)層級(jí)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模，通過在線、離線、二維、三維的不同類型數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，在三維中實(shí)現(xiàn)了對(duì)失效部位和隱患部件進(jìn)行瀏覽、定位、縮放、統(tǒng)計(jì)、分析和管理等實(shí)用功能，實(shí)現(xiàn)了立體結(jié)構(gòu)、檢修拆裝、運(yùn)行原理的三維動(dòng)態(tài)仿真與VR 模擬。同時(shí)，在虛擬環(huán)境中集成了各零部件的信息資料、歷史故障資料、檢修工序和工藝要求等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管理、生產(chǎn)決策、人員培訓(xùn)的可視化、交互式、數(shù)字化和智能化。

3 火電廠VR和三維數(shù)字化管理平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

該平臺(tái)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖如圖1 所示，情況說明如圖1。

1）Web Client

引擎客戶端插件，負(fù)責(zé)模型的載入、場(chǎng)景的渲染、腳本的執(zhí)行；輸入輸出系統(tǒng)為插件內(nèi)置，數(shù)據(jù)交換需要通過Leshane SDK 訪問Application Server，通過Application Server 的Data Access Layer 完成與數(shù)據(jù)庫或第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

2）Web Manager

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理門戶，負(fù)責(zé)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的維護(hù)（如系統(tǒng)號(hào)、系統(tǒng)IP、加密狗端口等）、業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)（如人員、角色、公司、部門、設(shè)備等）、模型數(shù)據(jù)的維護(hù)。

3）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)權(quán)限系統(tǒng)的管理，系統(tǒng)安全性配置、服務(wù)器集群配置等操作。

4）Java EE Application Server 是 一 個(gè) 實(shí) 現(xiàn) 了Java EE Web Container 的Web 容器，負(fù)責(zé)服務(wù)端后臺(tái)管理程序的發(fā)布、執(zhí)行；數(shù)據(jù)交互接口的發(fā)布、執(zhí)行。

5）SDK

各種開發(fā)SDK，包括：GUI 人機(jī)交互界面SDK、關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互SDK、工業(yè)實(shí)時(shí)通訊協(xié)議交互SDK、域系統(tǒng)配置訪問SDK、單點(diǎn)登錄集成SDK。

6）Database Manager System

關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用來存儲(chǔ)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)和各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；支持常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，如SQL Server、Oracle、DB2、Sybase、MySQL、Access 等。

7）Active Directory

支持域系統(tǒng)，通過配置即可方便地實(shí)現(xiàn)與域直接的權(quán)限共享[1]。

3.2 桌面級(jí)三維數(shù)字化系統(tǒng)的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)

桌面級(jí)三維數(shù)字化系統(tǒng)界面通過核心三維數(shù)字化引擎、三維模型數(shù)據(jù)壓縮與傳輸、GUI 人機(jī)交互等技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、B/S 架構(gòu)的軟件開發(fā)等工作，建構(gòu)了一套三維數(shù)字化桌面軟件平臺(tái)。

3.2.1 系統(tǒng)執(zhí)行原理

通過核心三維數(shù)字化引擎讀取系統(tǒng)配置文件，根據(jù)配置文件判斷顯示模式，根據(jù)顯卡硬件自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)模型顯示參數(shù)。根據(jù)信息建立與顯卡的硬件連接，做好三維可視信息的輸出準(zhǔn)備。根據(jù)模型編輯器設(shè)計(jì)好的模型信息、燈光信息、材質(zhì)信息、攝像機(jī)信息以及腳本信息提交到模型引擎，由引擎啟動(dòng)主線程開始渲染模型，并循環(huán)處理交互數(shù)據(jù)；引擎中的腳本子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，如標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（SQL Server,Oracle,DB2等），以及工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP,TCP,OPC,SCADA,COM等），通過腳本子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互層進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、翻譯解釋、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出等操作。引擎默認(rèn)是無限循環(huán)執(zhí)行，直到用戶提交停止或結(jié)束信號(hào)時(shí)，才停止引擎的渲染工作，并釋放與顯卡、內(nèi)存等硬件設(shè)備連接。

3.2.2 模型壓縮傳輸

核心三維數(shù)字化引擎將設(shè)計(jì)好的模型以優(yōu)化的ZIP 壓縮格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。壓縮方式有兩種，分別是：重復(fù)數(shù)據(jù)塊壓縮與重復(fù)單字節(jié)壓縮。重復(fù)數(shù)據(jù)塊壓縮是當(dāng)模型數(shù)據(jù)重復(fù)數(shù)據(jù)塊字節(jié)大于3 時(shí)，通過記錄重復(fù)位置、重復(fù)長(zhǎng)度壓縮模型數(shù)據(jù)。重復(fù)單字節(jié)壓縮說明：一個(gè)字節(jié)只有256種可能的取值，所以這種重復(fù)是必然的。通過短語式壓縮方法，給256 種字節(jié)取值重新編碼，使出現(xiàn)較多的字節(jié)使用較短的編碼，文件的總長(zhǎng)度就會(huì)減少，字節(jié)使用比例越不均勻，壓縮比例就越大。

3.2.3 GUI交互

核心三維數(shù)字化引擎在運(yùn)行時(shí)，會(huì)持續(xù)檢測(cè)如鼠標(biāo)、鍵盤等各種輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成腳本系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的事件系統(tǒng)，由腳本子系統(tǒng)處理該事件將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)作,提高系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互的開發(fā)速度。因此系統(tǒng)對(duì)引擎腳本子系統(tǒng)提供的二次開發(fā)API 進(jìn)行大量接口封裝，只要派生相應(yīng)的GUI Object 子類，即可完成交互的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容[2]。

3.3 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)

3.3.1 場(chǎng)景渲染優(yōu)化

所有基于VR 眼鏡的系統(tǒng)對(duì)性能的要求都明顯高于基于顯示器的普通虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，F(xiàn)PS 指標(biāo)低于90FPS 時(shí)，使用者會(huì)有明顯的眩暈感，體驗(yàn)度明顯降低。影響FPS 幀率主要兩個(gè)因素為硬件性能與渲染效果。FPS 與三大硬件（CPU、GPU、內(nèi)存）性能成正比，即三大硬件性能越高，F(xiàn)SP 幀率就會(huì)越高；FPS 與渲染效果成反比，即模型數(shù)量或總面數(shù)越高，F(xiàn)PS 越低；粒子特效或物理特效越高，F(xiàn)PS越低。

例如，實(shí)現(xiàn)鍋爐輔機(jī)設(shè)備及檢修場(chǎng)景的虛擬展現(xiàn)以及達(dá)到實(shí)際操作使用效果，設(shè)備零件個(gè)數(shù)約為1000 個(gè)以上，總面數(shù)約為百萬級(jí)三角面。因此，如何在固有硬件性能的基礎(chǔ)上，渲染如此數(shù)量眾多的模型，且既保證設(shè)備渲染的效果又保證幀數(shù)不低于90FPS，成為系統(tǒng)必須攻關(guān)的核心技術(shù)問題。

3.3.2 VR應(yīng)用渲染優(yōu)化重點(diǎn)

包括以下各部分：紋理壓縮、材質(zhì)GPU 渲染、模型的LOD 處理、攝像機(jī)的視錐裁剪及模型的遮擋剔除、燈光的預(yù)烘焙處理、文件與網(wǎng)絡(luò)處理。

3.3.3 VR設(shè)備選型情況

結(jié)合鍋爐設(shè)備檢修工作特性，對(duì)目前主流VR 輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究，須選擇具備VR 眼鏡、VR 跟蹤設(shè)備、VR 輸入設(shè)備等提供成套設(shè)備的廠商。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)與驗(yàn)證，主要參數(shù)內(nèi)容如下：

1）VR 眼鏡：可視角（FOV）在96°～120°之間；單眼分辨率不小于1080*1200，否則會(huì)有明顯的顆粒感。

2）VR 跟蹤設(shè)備：基于光敏傳感器的六自由度跟蹤設(shè)備。

3）VR 輸入設(shè)備：支持VR 手柄，VR 手柄能被跟蹤設(shè)備識(shí)別；具有交互按鍵。

4）VR-SDK 提供SDK 二次開發(fā)包，支持多種主流三維引擎，如Unity3D、虛幻引擎等。

4 鍋爐設(shè)備VR管理系統(tǒng)的應(yīng)用

圖2 VR系統(tǒng)主界面Fig.2 VR System main interface

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)-送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.3 Equipment structure - fan rotor

圖4 檢修拆裝-人機(jī)交互拆裝Fig.4 Overhaul ingress - human-computer interactive disassembly

鍋爐設(shè)備VR 技術(shù)管理系統(tǒng)主要包括三大應(yīng)用模塊，即設(shè)備結(jié)構(gòu)（漫游）、設(shè)備拆裝和設(shè)備啟停，如圖2 所示。通過頭戴VR 眼鏡，可進(jìn)入三大模塊的模擬真實(shí)的場(chǎng)景。目前很多電廠由于生產(chǎn)管理模式的變化和對(duì)技能培訓(xùn)工作的忽視等因素，導(dǎo)致年青技術(shù)人員維護(hù)檢修技能差和經(jīng)驗(yàn)少，無法勝任維護(hù)和檢修管理工作。通過該VR 系統(tǒng)的投用，使得年青技術(shù)人員對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、信息數(shù)據(jù)、檢修工序工藝、運(yùn)行巡檢等工作進(jìn)行可視化、全方位和交互式的學(xué)習(xí)，較大程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)不足的問題，技能培訓(xùn)的成效顯著。

設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊如圖3 所示?？赏ㄟ^操作手柄在各個(gè)方向觀察設(shè)備并進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，通過隱藏功能可把設(shè)備的各個(gè)部件拆除觀察，并可獲得各個(gè)零件的設(shè)備信息。

圖5 送風(fēng)機(jī)啟停操作界面Fig.5 Fan start-stop operating interface

圖6 鍋爐三維系統(tǒng)主界面Fig.6 Boiler 3D system main interface

圖7 鍋爐本體缺陷統(tǒng)計(jì)Fig.7 Boiler body defect statistics

圖8 鍋爐本體壁溫測(cè)點(diǎn)查詢和展現(xiàn)Fig.8 Boiler body wall temperature measuring point query and display

圖9 磨煤機(jī)虛擬拆裝Fig.9 Virtual disassembly of coal mills

圖10 歷史缺陷臺(tái)賬的三維查詢Fig.10 3D Query of historical defect ledger

設(shè)備拆裝模塊如圖4 所示。可各個(gè)角度觀看完整的設(shè)備拆裝流程，并對(duì)重要工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、W 和H 點(diǎn)等予以語音和文字講解，也可通過人機(jī)交互式操作，模擬檢修過程進(jìn)行獨(dú)立拆裝操作。

設(shè)備運(yùn)行模塊如圖5 所示。通過直觀展現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行原理，模擬了啟動(dòng)和停運(yùn)的操作流程以及現(xiàn)場(chǎng)檢查要求。

5 桌面級(jí)三維數(shù)字化鍋爐設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用

鍋爐設(shè)備三維數(shù)字化管理系統(tǒng)包括鍋爐本體及輔機(jī)兩大部分。在建模過程中，利用樣條線建模、多邊形建模、NURBS 建模等建模方式將設(shè)備進(jìn)行高精度建模，并通過Adobe Photoshop、NDO 等其它相關(guān)軟件烘焙貼圖，利用各種貼圖來模擬設(shè)備的真實(shí)材質(zhì)，最終表現(xiàn)出設(shè)備的紋理、反射、折射和其它特殊效果；通過一套完整的編碼規(guī)則將所有建模圖元進(jìn)行編碼，加強(qiáng)對(duì)各個(gè)建模圖元的管理；通過模型編碼與電廠KKS 編碼關(guān)聯(lián)，保障數(shù)據(jù)的一致性、集成性、可維護(hù)性，為后續(xù)數(shù)據(jù)的收集、分析打好基礎(chǔ)。每個(gè)設(shè)備模塊都是以真實(shí)構(gòu)造尺寸1：1 為建?；鶞?zhǔn)，以設(shè)備結(jié)構(gòu)圖紙零部件為基礎(chǔ)建模圖元，構(gòu)建電廠鍋爐設(shè)備三維立體可視化模型，包括1000MW 鍋爐本體、磨煤機(jī)、空預(yù)器、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、汽動(dòng)聯(lián)合引風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)等設(shè)備，如圖6 所示。通過點(diǎn)擊主頁各個(gè)設(shè)備圖形進(jìn)入各個(gè)設(shè)備模塊，如圖7、圖8、圖9、圖10 所示。主要應(yīng)用功能有設(shè)備臺(tái)賬管理、缺陷管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、一鍵報(bào)告等，滿足了三維臺(tái)賬管理、檢修輔助策劃、缺陷三維分析、沉浸式技術(shù)培訓(xùn)等多種工作要求。

6 結(jié)論

鍋爐設(shè)備VR 和三維數(shù)字化管理平臺(tái)進(jìn)行了兩年多的模型建模、系統(tǒng)功能開發(fā)、安裝調(diào)試、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入及上線優(yōu)化工作。目前在線運(yùn)行已經(jīng)穩(wěn)定成熟，該設(shè)備管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可視化、交互式、數(shù)字化、智能化的各項(xiàng)實(shí)用功能，成為打造創(chuàng)新型和智慧型火力發(fā)電廠的重要組成部分之一。