基于虛擬現實技術的火力發電廠仿真系統的開發

王曉亮++宋東輝++王曉光

【摘要】本文應用虛擬現實技術進行搭建火力發電廠熱力設備的三維模型，對火力發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進行交互并沉浸在系統當中，使得用戶能夠更好地掌控各種設備的運行狀態。本文針對目前電廠對學生對電廠設備操作的要求，設計開發了一套仿真軟件來輔助教學。

【關鍵詞】虛擬現實 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

電力是國民經濟一個十分重要的分支，電廠的建設規劃、設計運行和管理是一個十分復雜的過程，隨著火力發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，本文開發設計一套基于虛擬現實的仿真系統，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境，更正確的理解和操作電廠的各種熱力設備。

1.虛擬現實技術

虛擬現實技術結合了圖像處理技術、人工智能技術、多媒體技術、傳感器技術、計算機網絡技術、數據并行處理等多個技術最新發展的成果。這些技術可以通過現場各種熱力設備上的傳感器檢測數據與人機界面進行交互，形成真實性很強的網絡虛擬環境。虛擬技術預示著一次技術大革命，各個行業都在嘗試著應用虛擬現實技術進行一場技術的革新，例如工業設計、醫學實驗、軍事航天、室內設計、房產開發、工業仿真、教育培訓等多方面都有著很好的應用[1]。

本文將虛擬現實應用到電力仿真培訓當中，虛擬現實是教育技術的一個重要飛躍，虛擬技術建立了一種虛擬現實的學習環境，改變了傳統的教與學的學習方式，通過虛擬現實環境進行自主學習，尤其在電力行業的培訓當中，安全性是電力生產的重中之重，通過虛擬現實技術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.虛擬現實系統的搭建

虛擬現實系統的建立包括三個步驟：模型的創建，場景的搭建、交互實現。

（1）復雜電力設備的幾何建模。大多數電力設備的外形都不規則，結構相對復雜，因此選用3DSMAX的高級建模技術，實現電廠設備復雜模型的構建[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建磨煤機的架體、聯軸器、磨盤、分接開關、拉桿機構等，使用布爾運算對這些部件分別進行切割或嵌入，調整它們的大小，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，樹木等按現實的比例、距離集成到unity場景中，導入天空盒子，調整光線的配合，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，展現在屏幕上。

（3）交互實現。Unity3D平臺的交互需要事件系統，即Event System組件，其主要負責處理輸入、射線投射以及發送事件。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。總的來說，Event System負責管理，Base Input Module負責輸入，Base Raycaster負責確定目標對象，這樣就可以實現和場景中的目標對象進行相應的交互。

3.漫游功能的實現

本文以漫游模塊的實現為例，介紹虛擬現實技術的應用。虛擬漫游系統是一個集視、聽、觸覺一體化的逼真的虛擬環境，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，適應電廠需要協作的需求。

5.結語

虛擬電廠為電力系統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實地類似的學習空間，基本達到在現場的學習效果。隨著處理器和網絡性能等方面技術的發展，相信可以真正實現虛擬環境下的實時交互。

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仿真研究[J]. 汽輪機技術. 2013（04）

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

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

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