基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的火力發(fā)電廠仿真系統(tǒng)的開發(fā)

王曉亮++宋東輝++王曉光

【摘要】本文應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行搭建火力發(fā)電廠熱力設備的三維模型，對火力發(fā)電廠各設備及相對空間信息做可視化的處理，使得用戶有很好的與系統(tǒng)進行交互并沉浸在系統(tǒng)當中，使得用戶能夠更好地掌控各種設備的運行狀態(tài)。本文針對目前電廠對學生對電廠設備操作的要求，設計開發(fā)了一套仿真軟件來輔助教學。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 Unity3D 交互

【Abstract】In this paper， the virtual reality technology is used to build the three-dimensional model of thermal power plant. Visualization of the processing equipment of thermal power plant and the relative spatial information， which makes the users have a good interaction and immersion in the system and operation system， enables the users to better handle all kinds of equipment. In this paper， a set of simulation software is designed to help the students to operate the power plant.

【Key words】virtual reality； Unity3D； interaction

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）14-0223-01

電力是國民經(jīng)濟一個十分重要的分支，電廠的建設規(guī)劃、設計運行和管理是一個十分復雜的過程，隨著火力發(fā)電廠的機組越來越大，各種設備的操作越來越為復雜，安全性要求也越來越高，針對這種情況，必須對電力院校的仿真實習進行進一步改革，本文開發(fā)設計一套基于虛擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)，并將其應用到學生的培訓教學當中，使得學生能夠更好地體會電廠的環(huán)境，更正確的理解和操作電廠的各種熱力設備。

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合了圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)并行處理等多個技術(shù)最新發(fā)展的成果。這些技術(shù)可以通過現(xiàn)場各種熱力設備上的傳感器檢測數(shù)據(jù)與人機界面進行交互，形成真實性很強的網(wǎng)絡虛擬環(huán)境。虛擬技術(shù)預示著一次技術(shù)大革命，各個行業(yè)都在嘗試著應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行一場技術(shù)的革新，例如工業(yè)設計、醫(yī)學實驗、軍事航天、室內(nèi)設計、房產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)仿真、教育培訓等多方面都有著很好的應用[1]。

本文將虛擬現(xiàn)實應用到電力仿真培訓當中，虛擬現(xiàn)實是教育技術(shù)的一個重要飛躍，虛擬技術(shù)建立了一種虛擬現(xiàn)實的學習環(huán)境，改變了傳統(tǒng)的教與學的學習方式，通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行自主學習，尤其在電力行業(yè)的培訓當中，安全性是電力生產(chǎn)的重中之重，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使得被培訓人員可以大膽地進行各種演練，從而能夠很全面的掌握各種生產(chǎn)狀況，這樣可以更好的提升培訓人員的技能，減少以后實際運行操作當中的安全問題。

2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的搭建

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立包括三個步驟：模型的創(chuàng)建，場景的搭建、交互實現(xiàn)。

（1）復雜電力設備的幾何建模。大多數(shù)電力設備的外形都不規(guī)則，結(jié)構(gòu)相對復雜，因此選用3DSMAX的高級建模技術(shù)，實現(xiàn)電廠設備復雜模型的構(gòu)建[2]。下面以磨煤機為例簡單介紹其建模方法。使用標準基本體中的長方體和圓柱體分別創(chuàng)建磨煤機的架體、聯(lián)軸器、磨盤、分接開關(guān)、拉桿機構(gòu)等，使用布爾運算對這些部件分別進行切割或嵌入，調(diào)整它們的大小，最后將所有部件組合形成磨煤機，在場景中的效果如圖1所示。

（2）場景搭建。本系統(tǒng)用目前熱門的Unity3D作為平臺，把做好的各種設備模型以及房子，樹木等按現(xiàn)實的比例、距離集成到unity場景中，導入天空盒子，調(diào)整光線的配合，讓場景看起來近似真實的情景，為了顯示在屏幕上，還得添加攝像機，作為要引入的電廠工人的眼睛[3]。當人物移動及操作設備的時候，攝像機會把場景中的模型進行渲染計算，展現(xiàn)在屏幕上。

（3）交互實現(xiàn)。Unity3D平臺的交互需要事件系統(tǒng)，即Event System組件，其主要負責處理輸入、射線投射以及發(fā)送事件。一個場景中只能有一個Event System組件，并且需要Base Input Module這個組件才能工作。Base Input Module是一個基類模塊，它主要用來發(fā)送輸入事件（點擊、拖拽、選中等）到具體對象。Event System下的所有輸入都繼承自Base Input Module組件?？偟膩碚f，Event System負責管理，Base Input Module負責輸入，Base Raycaster負責確定目標對象，這樣就可以實現(xiàn)和場景中的目標對象進行相應的交互。

3.漫游功能的實現(xiàn)

本文以漫游模塊的實現(xiàn)為例，介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用。虛擬漫游系統(tǒng)是一個集視、聽、觸覺一體化的逼真的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的裝備以自然的方式在該虛擬空間中漫游，可從任意角度對環(huán)境中的虛擬對象進行觀察和瀏覽，同時可以與其中的物體進行交互并能對它們進行操作[4]。合理的漫游瀏覽方式可使觀察者直觀方便地獲取所需信息。常用的漫游方式包括導航瀏覽、自主瀏覽和定點瀏覽3種。如圖2所示，可以選擇相應的瀏覽方式。導航瀏覽是指觀察者在預先設定的自動導航器的引導下，沿著事先確定的路線和角度漫游虛擬場景。自主瀏覽由瀏覽者選用合適的瀏覽方式，通過切換視角，可以選擇第一視角或第三視角。定點瀏覽通過對重要視點的預先設置，引導觀察者快速定位到感興趣的視點位置。

4.多人拆裝交互

本文可以單人去拆裝某一設備，體驗設備拆裝順序，如有錯誤，有提示或正確順序演示等自學習功能，也可多人網(wǎng)絡在線，共同去拆裝檢修同一設備，更具有靈活性，適應電廠需要協(xié)作的需求。

5.結(jié)語

虛擬電廠為電力系統(tǒng)的培訓工作提供了一種安全、逼真、互動的培訓方式。操作人員可以方便地擁有與在電力系統(tǒng)實地類似的學習空間，基本達到在現(xiàn)場的學習效果。隨著處理器和網(wǎng)絡性能等方面技術(shù)的發(fā)展，相信可以真正實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的實時交互。

參考文獻：

[1]李少華，張慶喆，車德勇，王虎.基于火電站汽輪機標準化安裝過程的動態(tài)仿真研究[J]. 汽輪機技術(shù). 2013（04）

[2]游大寧，王順浦，李圖強，張林峰，王明松.基于虛擬現(xiàn)實的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 山東電力技術(shù). 2014（04）

[3]田豐. 基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究[J]. 電子世界. 2015（15）

[4]2016年《計算機科學》“Web智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)”專輯征文[J]. 計算機科學. 2016（02）