基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真

何新穎，樂(lè) 毅，陳 洪，肖志懷(.武漢大學(xué)，武漢 43007；.湖北宣恩洞坪水電有限責(zé)任公司，湖北 恩施 445500)

0 引 言

我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組正在向著大容量、高水頭、高比轉(zhuǎn)速、自動(dòng)化程度高等方面發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組中主要機(jī)電設(shè)備的技術(shù)水平也得到迅速發(fā)展。水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和信息化，機(jī)組開(kāi)停機(jī)與增減負(fù)荷等操作實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)化程度越來(lái)越高[1]。正因?yàn)樽詣?dòng)化程度的不斷提高，導(dǎo)致了相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生和電廠工作人員的學(xué)習(xí)培訓(xùn)難度不斷加大。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果也不顯著。首先，水電站建筑、設(shè)備繁雜，有些設(shè)備根本無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀摩和學(xué)習(xí)；其次，在重要而復(fù)雜的技術(shù)操作上，學(xué)員往往很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)演練，尤其在電網(wǎng)中承擔(dān)重要負(fù)荷任務(wù)的大型電廠，不可能因?yàn)閷W(xué)員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)而進(jìn)行開(kāi)、停機(jī)等直接影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電廠經(jīng)濟(jì)效益的操作。因此,高質(zhì)量、便捷實(shí)用的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)成為水電廠現(xiàn)代化管理的一個(gè)必要內(nèi)容[2]。

3Ds Max是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，它集建模、材質(zhì)、燈光、渲染、動(dòng)畫(huà)、輸出于一體[3]。3Ds Max具有快速實(shí)時(shí)、操作靈活、易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)以及工程可視化等領(lǐng)域。VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件[4]。VRP擁有強(qiáng)大的功能[5]：具有碰撞功能，交互性好，場(chǎng)景逼真；可以利用各種相機(jī)，對(duì)場(chǎng)景設(shè)備進(jìn)行全方位的觀察；既可以打包生成獨(dú)立的可執(zhí)行文件，又可以掛在網(wǎng)頁(yè)上供用戶(hù)遠(yuǎn)程使用。

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)使用3Ds Max和VRP進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)合水電站培訓(xùn)中所遇到的諸多問(wèn)題，對(duì)水電站三維虛擬交互場(chǎng)景進(jìn)行了全面的分析和研究。通過(guò)前期實(shí)景取材、3ds Max物理建模與動(dòng)畫(huà)制作、VRP交互功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，最終完成了水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)的制作。本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以水電站三維虛擬仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了豐富的交互功能，能讓用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游瀏覽、設(shè)備認(rèn)知、設(shè)備操作和運(yùn)行仿真培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)了水電站培訓(xùn)的相關(guān)功能。

1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

建立水電站虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，首先要建立水電站模型。以水電站仿真模型為基礎(chǔ)，對(duì)水電站主要設(shè)備進(jìn)行介紹，讓學(xué)員對(duì)水電站各主要設(shè)備有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。然后，對(duì)水電站進(jìn)行開(kāi)停機(jī)運(yùn)行仿真，模擬開(kāi)停機(jī)過(guò)程，仿真開(kāi)停機(jī)操作，用動(dòng)畫(huà)模擬開(kāi)停機(jī)過(guò)程中水力機(jī)組及相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作。最后，針對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行考核，用戶(hù)信息和考核成績(jī)都存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。建立仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的具體過(guò)程如下。

(1)通過(guò)3DsMAX軟件，將水電廠廠區(qū)建筑、道路、綠化及相關(guān)設(shè)施，和水電廠中控室、水力機(jī)組車(chē)間和水輪機(jī)開(kāi)停機(jī)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)行三維建模。結(jié)合水輪機(jī)開(kāi)停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)流程及操作，制作相應(yīng)的三維動(dòng)畫(huà)。

(2)將制作完成的三維模型及動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入到VRP軟件，進(jìn)行人機(jī)交互內(nèi)容開(kāi)發(fā)。在仿真平臺(tái)VRP添加各種控件，包括按鈕、導(dǎo)航圖、圖片等，通過(guò)調(diào)取VRP腳本編輯功能，實(shí)現(xiàn)軟件所需的各種人機(jī)交互操作。

(3)利用已有的水輪機(jī)組開(kāi)停機(jī)信息數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)到虛擬場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)模型，模擬真實(shí)的水輪機(jī)組操作過(guò)程的狀態(tài)表現(xiàn)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)開(kāi)停機(jī)信息數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)觸發(fā)控件或操作，完成水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)停機(jī)仿真。VRP軟件自帶與各種常用數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)聯(lián)，可以方便地與數(shù)據(jù)庫(kù)相連。

(4)通過(guò)服務(wù)器技術(shù)構(gòu)建基于B/S結(jié)構(gòu)的三維仿真培訓(xùn)信息系統(tǒng)。利用C#構(gòu)建信息系統(tǒng)的后臺(tái)，主要涉及各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除和管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，記錄學(xué)員的操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)軟件后臺(tái)考核功能。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)[6]開(kāi)發(fā)，適用于遠(yuǎn)程教學(xué)。學(xué)員通過(guò)登錄網(wǎng)頁(yè)，點(diǎn)擊水電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)鏈接，下載安裝相應(yīng)插件，就可以在線進(jìn)行培訓(xùn)和考核。仿真培訓(xùn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simulation training system

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水輪機(jī)組運(yùn)行仿真結(jié)合實(shí)際電站，建立電站的水輪發(fā)電機(jī)組、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、蝶閥、輔助系統(tǒng)、大壩、廠房等模型，對(duì)機(jī)組的開(kāi)停機(jī)運(yùn)行進(jìn)行仿真， 模擬機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程中電站各設(shè)備的開(kāi)閉運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)電站設(shè)備手動(dòng)操作進(jìn)行仿真培訓(xùn)。

2.1 場(chǎng)景漫游仿真

場(chǎng)景漫游對(duì)水電站場(chǎng)景進(jìn)行自動(dòng)瀏覽或自主瀏覽。廠房外部包括大壩和周邊環(huán)境用飛行相機(jī)進(jìn)行漫游，廠房?jī)?nèi)部包括發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝶閥層和地下隧道用行走相機(jī)進(jìn)行漫游。通過(guò)漫游，學(xué)員熟悉了水電站各設(shè)備在電站中的位置。這對(duì)學(xué)員是非常重要的，尤其是對(duì)電站巡檢人員準(zhǔn)確快速找到巡檢設(shè)備十分有用。場(chǎng)景漫游界面還設(shè)置了導(dǎo)航圖，導(dǎo)航圖可以顯示漫游人員所處的位置和行進(jìn)的方向，起到了小地圖的功能。圖2為廠房外場(chǎng)景漫游，圖3為廠房?jī)?nèi)場(chǎng)景漫游。

圖2 廠房外場(chǎng)景漫游Fig.2 Scene roaming outside the plant

圖3 廠房?jī)?nèi)場(chǎng)景漫游Fig.3 Scene roaming inside the plant

2.2 設(shè)備認(rèn)知培訓(xùn)

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)設(shè)備的認(rèn)知功能對(duì)水電站主要設(shè)備進(jìn)行全面介紹，讓學(xué)員全面了解水電站設(shè)備。學(xué)員通過(guò)點(diǎn)擊所要認(rèn)知的設(shè)備，系統(tǒng)加載相應(yīng)的設(shè)備信息。設(shè)備信息包括設(shè)備臺(tái)賬、主要參數(shù)、主要部件和設(shè)備功能，如圖4所示。水電站中一些設(shè)備屬于埋入設(shè)備如尾水管、蝸殼等，還有一些設(shè)備在其他設(shè)備內(nèi)部如轉(zhuǎn)輪等，這些都不方便學(xué)員學(xué)習(xí)和認(rèn)知其結(jié)構(gòu)。因此，仿真系統(tǒng)設(shè)置快捷傳送功能，學(xué)員通過(guò)此功能直接查看所要認(rèn)知的設(shè)備，將其他設(shè)備隱藏或透明化，從而方便觀察設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

圖4 設(shè)備認(rèn)知Fig.4 Device cognition

2.3 設(shè)備操作仿真培訓(xùn)

設(shè)備操作仿真培訓(xùn)對(duì)水電站關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作培訓(xùn)。水電站自動(dòng)化程度很高，員工和學(xué)員很少有機(jī)會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提供了手動(dòng)操作練習(xí)的機(jī)會(huì)。這可以極大提高水電站工作人員的能力，保證了即便由于突發(fā)情況導(dǎo)致自動(dòng)控制失靈，水電站工作人員也能手動(dòng)進(jìn)行設(shè)備操作。進(jìn)行設(shè)備操作仿真培訓(xùn)時(shí)，學(xué)員按照提示進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的操作，掌握設(shè)備的操作步驟，如圖6所示。

2.4 運(yùn)行仿真培訓(xùn)

開(kāi)停機(jī)是水電站運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)水電站進(jìn)行開(kāi)停機(jī)運(yùn)行仿真培訓(xùn)十分必要?，F(xiàn)在水電站一般都是一鍵開(kāi)停機(jī)，運(yùn)行人員很少有機(jī)會(huì)了解設(shè)備在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中的動(dòng)作。運(yùn)行仿真培訓(xùn)仿真水電站真實(shí)開(kāi)停機(jī)過(guò)程，并對(duì)開(kāi)停機(jī)過(guò)程中各設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)模擬。學(xué)員通過(guò)運(yùn)行仿真培訓(xùn)，可以掌握水電站開(kāi)停機(jī)操作，熟悉電站各設(shè)備在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中的動(dòng)作和作用。圖5為運(yùn)行仿真界面，運(yùn)行到各節(jié)點(diǎn)自動(dòng)切換到相應(yīng)設(shè)備三維場(chǎng)景。

圖5 開(kāi)機(jī)仿真界面Fig.5 Simulation interface of unit start-up

圖6 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)用戶(hù)結(jié)構(gòu)Fig.6 User structure of simulation training system

2.5 成績(jī)考核

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)用戶(hù)分為管理員、學(xué)生和游客3種。管理員擁有最高權(quán)限，可以管理用戶(hù)的添加、刪除，還可以查看用戶(hù)考核成績(jī)。學(xué)生可以進(jìn)行全部培訓(xùn)和考核，游客只可以進(jìn)行培訓(xùn)而不能進(jìn)行考核。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示?？己朔譃閮刹糠郑皇菍?duì)設(shè)備認(rèn)知的考核，一是對(duì)設(shè)備操作的考核。設(shè)備認(rèn)知考核(如圖7所示)以電站主要設(shè)備為考核內(nèi)容，讓學(xué)員找到所指定的設(shè)備。設(shè)備認(rèn)知考核滿(mǎn)分為100，學(xué)員答對(duì)一題則獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，答錯(cuò)則不得分。設(shè)備操作考核(如圖8所示)考核學(xué)員操作設(shè)備，要求學(xué)生進(jìn)行某種操作。學(xué)生找到相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行正確操作才可以得分。

圖7 設(shè)備認(rèn)知考核Fig.7 Device cognitive examination

3 結(jié) 語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于

圖8 設(shè)備操作考核Fig.8 Device operation examination

VRP開(kāi)發(fā)的，目的是為了加強(qiáng)在校學(xué)生和水電站員工的實(shí)際操作技能。該系統(tǒng)已投入運(yùn)行，培訓(xùn)了多批學(xué)員，實(shí)際運(yùn)行表明，通過(guò)該系統(tǒng)培訓(xùn)，學(xué)員能夠更好地熟悉水電站設(shè)備，了解水電站運(yùn)行過(guò)程和掌握操作技能，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)最大程度地減少誤操作現(xiàn)象，受到水電站工作人員和在校學(xué)生的歡迎。

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