基于WebGL的3D技術(shù)在風電運維支持系統(tǒng)中的應(yīng)用

文 | 張瑞君，盧軍，張文忠，張亮，李宗政，辛理夫

風電場多處在風能資源豐富的草原、戈壁、高山、近海等偏遠地區(qū)，受外界惡劣的環(huán)境和氣候因素的影響，技術(shù)人員的運維工作面臨較多的實際困難。隨著出質(zhì)保機組數(shù)量的大量增加，高級技術(shù)人員短缺以及現(xiàn)場工作人員對專業(yè)培訓(xùn)需求增多的問題日益凸顯，急需構(gòu)建一個輕量級支持移動智能設(shè)備使用，能夠模擬現(xiàn)場機組的實時情況，用于風電運行、維護工作的支持系統(tǒng)。

風電領(lǐng)域的運維技術(shù)培訓(xùn)難點包括原理、機械結(jié)構(gòu)和零部件響應(yīng)動作情況的直觀講解及其通過平面的結(jié)構(gòu)原理邏輯圖、結(jié)構(gòu)圖紙的動態(tài)和立體展示。WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖協(xié)議，通過WebGL 網(wǎng)頁制作技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁中3D 動畫、3D 模型的交互及實時技術(shù)接入，可以進行跨平臺的3D 網(wǎng)頁制作，更加直觀地在移動端展示風電機組實時數(shù)據(jù)的變化，讓使用者有身臨其境之感。結(jié)合WebGL 技術(shù)，構(gòu)建滿足教學內(nèi)容的模型和原理動畫，能夠立體多方位地查看零部件結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，動態(tài)演示風電機組各系統(tǒng)的運行原理和零部件的響應(yīng)，從而提升風電技術(shù)工作者的能力和運行維護的工作效率。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于WebGL 的3D 技術(shù)，提出一種風電運維支持系統(tǒng)方案。該方案可以實現(xiàn)在網(wǎng)頁端進行風電機組虛擬化仿真模擬，使風電機組運行原理和運維技能的展示更加形象立體，為使用者帶來輕量級、可移動、形象化和沉浸式的使用體驗，為風電運維技能的傳承提供高效的載體。

風電運維可視化支持系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

風電運維可視化支持系統(tǒng)基于WebGL 技術(shù)制作風電機組的設(shè)備仿真模型和設(shè)備運行原理動畫，并基于風電控制系統(tǒng)采集到的真實數(shù)據(jù)對風電機組的運行工況進行仿真模擬。該系統(tǒng)應(yīng)用主流架構(gòu)、開發(fā)語言和數(shù)據(jù)庫，能夠與其他系統(tǒng)進行完美兼容，實現(xiàn)視頻資源的分類存儲、擴展，通過預(yù)留接口可與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通。

系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，基于WebGL 框架HT 引擎設(shè)計實現(xiàn)，用戶可直接在瀏覽器上通過網(wǎng)址進行訪問，不依賴任何插件。如圖1 所示，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)展示層。數(shù)據(jù)存儲層主要使用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)備數(shù)據(jù)基本信息和采集到的實時數(shù)據(jù)信息，使用JSON 文件存儲3D 模型數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理層主要使用HT 引擎對數(shù)據(jù)進行處理以及動畫邏輯的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)展示層主要使用基于WebGL 開發(fā)的HT 引擎和HTML5 完成對3D 場景的加載渲染，通過改進的渲染算法解決加載大量3D 模型時出現(xiàn)瀏覽器崩潰的現(xiàn)象?；赪ebGL引擎搭建的場景，可以自由旋轉(zhuǎn)、縮放、平移；通過JS 腳本控制模型、動畫，可演示風電機組各系統(tǒng)的運作過程；通過分步驟，又可分別查看不同時期的動畫。在數(shù)字化風電機組場景中，通過動態(tài)調(diào)整模型實現(xiàn)模型外殼顯示及模型驅(qū)動。

系統(tǒng)所用到的按鈕、列表、樹和彈窗等組件，都是基于HTML5 Canvas 實現(xiàn)的HT UI 庫組件。Canvas 又叫畫板，可以使用JavaScript 繪制想要的圖形（通過基本的圖形，如線、圓、矩形以及填充圖像繪制更加復(fù)雜的圖形）。通過Canvas能在指定的位置繪制需求像素，繪制效率高，動畫性能高。Canvas 的渲染方案實現(xiàn)了高性能，例如，表格組件可顯示上百萬個單元格，不存在卡頓現(xiàn)象；完備的頁面布局組件，可輕松實現(xiàn)頁面布局；單獨的頁面組件樣式設(shè)置，簡化了代碼，更加方便快捷。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風電運維可視化支持系統(tǒng)功能設(shè)計

風電運維可視化支持系統(tǒng)主要包括9 個模塊（見圖2）。系統(tǒng)以實際應(yīng)用為核心，逐級構(gòu)造，使用詳實的3D 動畫制作風電機組組成和控制系統(tǒng)的原理等基礎(chǔ)知識，為用戶提供便捷的理論學習內(nèi)容；定期維護模塊為用戶從理論學習到實操學習提供了過渡；故障處理模塊則整合理論和實操內(nèi)容，形成完整處理現(xiàn)場實際問題的工作流程；數(shù)字化風機模塊能將故障數(shù)據(jù)和實時運行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并對其進行可視化分析，加深用戶對風電機組原理和運行邏輯的理解，形成符合用戶認知規(guī)律的系統(tǒng)學習路線。

一、3D場景漫游模塊

該模塊是指用戶通過鼠標和滾輪可完成對整個3D 場景的移動、縮放、選中、旋轉(zhuǎn)操作，并能從任意角度查看設(shè)備結(jié)構(gòu)。選中相應(yīng)的部件會彈出該設(shè)備的信息框，從中可以查看設(shè)備的信息，包括定期維護及拆裝信息（如圖3、圖4）。

二、故障處理模塊

點擊故障編號或名稱，能在界面顯示“故障分析”和“故障消除”兩個列表?！肮收戏治觥卑ㄒ罁?jù)圖紙、控制邏輯、設(shè)備的實時和歷史數(shù)據(jù)進行故障分析的視頻內(nèi)容?！肮收舷卑ǖ囊曨l內(nèi)容有：（1）消除故障時工器具使用；（2）對照圖紙進行故障排查時元件、電氣回路測量與檢查以及故障點定位；（3）消除故障時零部件更換。

故障處理的內(nèi)容按照圖5 進行分步制作，每一小步為一個視頻或者文檔，并配有文字說明。

圖3 整機模型

圖4 減速機透視模型

三、定期維護模塊

該模塊包含維護的項目、使用的工器具、消耗材料的名稱和數(shù)量、維護的方法和步驟。依據(jù)維護手冊和有關(guān)標準（列標準名稱）按照機組結(jié)構(gòu)從下至上、機艙從內(nèi)到外的順序逐一介紹每個維護項目的操作步驟，并在操作中用文字附注詳細的工作標準以及注意事項。

四、安全模塊

該模塊包含風電機組安全作業(yè)規(guī)范、安全工器具及防護用品的使用等。

五、資料庫模塊

用戶可通過該模塊對系統(tǒng)中的定期維護模塊、故障處理模塊、安全模塊所展示的內(nèi)容進行集中管理，具有資料的上傳和刪除功能。

圖5 故障處理

圖6 故障處理模塊界面

資源庫依據(jù)風電機組的結(jié)構(gòu)分類進行設(shè)計，完整覆蓋整個機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。為系統(tǒng)的資源擴展和技術(shù)支持、培訓(xùn)素材制作提供規(guī)范載體。以資源庫中每個項目為基本元素，可最大化地進行資源復(fù)用（復(fù)用率可達60%以上，節(jié)省了開發(fā)維護成本），通過調(diào)用基本單元完成從部件到系統(tǒng)，再到整機的構(gòu)建。

六、數(shù)字化風機模塊

將風電機組正常運行時的實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，通過該模塊對真實數(shù)據(jù)的模擬展示風電機組不同狀態(tài)機的變化。用戶通過對數(shù)據(jù)流的重放和追溯，能直觀理解風電機組狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)和風電機組的控制原理。

七、論壇模塊

用戶可建立和發(fā)布主題內(nèi)容，上傳文字、圖片、視頻，其他用戶可對該主題進行瀏覽、留言、關(guān)鍵字搜索。在線交流與分享技術(shù)技能的方式，有助于運維人員技術(shù)水平和機組故障處理能力的提高。每一個風電運營公司都擁有眾多類型的機型，每一種機型都有各自專屬的備件配置，通過論壇能夠聚集公司內(nèi)相同機型的運維人員。對于論壇中收集到的問題，可凝聚整個公司的技術(shù)力量進行解答，通過檢索即可快速找出已經(jīng)得到解決問題的答案。

圖7 數(shù)字化風機界面

應(yīng)用效果

借助WebGL 技術(shù)在網(wǎng)頁端構(gòu)建3D 可視化模型，技術(shù)人員通過不同角度反復(fù)觀看機組的組成結(jié)構(gòu)和其在不同運行工況下元器件的響應(yīng)過程，能夠直觀學習到所需的知識，更好地掌握機組結(jié)構(gòu)和控制原理知識；利用故障處理、定期維護等相關(guān)模塊能夠快速完成相關(guān)故障的分析、處理及機組維護。

一、風電機組組成和控制原理培訓(xùn)

在風電機組未出質(zhì)保（維護工作由整機廠家完成）的內(nèi)蒙古自治區(qū)某風電公司應(yīng)用本系統(tǒng)進行了2 次針對風電機組組成和控制原理的培訓(xùn)，參加人員共53 人（新入職人員22 人，初級技術(shù)人員31 人），其中40 人未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)。培訓(xùn)考試平均分數(shù)為82 分，而傳統(tǒng)課堂培訓(xùn)的2 年平均分數(shù)為68.5 分。這表明相對于傳統(tǒng)課堂，通過本系統(tǒng)學習能有效提高技術(shù)人員的技能水平。

二、風電機組故障處理

在風電機組已出質(zhì)保的內(nèi)蒙古自治區(qū)某風電公司應(yīng)用本系統(tǒng)進行故障排查支持工作。應(yīng)用本系統(tǒng)處理故障76 次，其中高級技術(shù)人員應(yīng)用21 次，初級技術(shù)人員應(yīng)用54 次，參與人數(shù)12 人。統(tǒng)計現(xiàn)場故障處理情況發(fā)現(xiàn)，故障點分析沒有遺漏，精準度達到100%，故障點排查覆蓋率達89%；初級技術(shù)人員平均故障處理時間減少32%，高級技術(shù)人員平均故障處理時間減少19%。試用結(jié)果表明，通過本系統(tǒng)進行故障排查工作能有效提高現(xiàn)場技術(shù)人員的工作效率，減少機組停機時間。

結(jié)語

針對當前風電運維工作中高級技術(shù)人員短缺以及風電場對集約化管理的需求，本文提出了基于WebGL 技術(shù)和HT 引擎框架開發(fā)、用于風電運維人員培訓(xùn)和實際工作的風電運維可視化支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過在瀏覽器端對風電機組以及各子系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)進行3D 仿真模擬，使資料和數(shù)據(jù)的展示更加真實、立體，為風電運維集約化、運維技術(shù)標準化和技術(shù)傳承提供支撐。