虛擬現實技術在天然氣分布式能源系統的應用

張 曦， 郝寅龍， 孔茹權， 余曉明

(1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術重點實驗室，浙江杭州311121；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江杭州311121；3.中國建筑設計研究院有限公司，北京100037；4.杭州星越軟件科技有限公司，浙江杭州310011；5.杭州城市能源有限公司，浙江杭州310004)

1 概述

目前，天然氣分布式能源系統的發展不僅面臨電力行業的壁壘，還面臨高氣價的經濟環境，以及社會認知度不足的窘境。與突破行業壁壘及高氣價的經濟環境相比，提高天然氣分布式能源系統的社會認知度更具有操作性。本文將虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)應用于天然氣分布式能源系統的宣傳，從而提高社會認知度。

2 虛擬現實技術特點

虛擬現實技術是以沉浸性、交互性和多感知性為基本特征的計算機高級人機界面。綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬環境中，并能夠通過語言、手勢等自然方式實現實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間[1]。使用者不僅能夠通過虛擬現實系統感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性，還能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經歷的體驗[2]。

3 三維模型搭建

環境建模主要是虛擬場景的構建，也是虛擬現實系統的一項關鍵步驟。在構建虛擬場景時，對場景的三維建模工作是首先要完成的。

天然氣分布式能源系統的三維模型采用三維建模軟件3DMAX構建。模型與現實場景比例為1∶1，保證模型的真實度與嚴謹性。

3.1 資料收集

在建模初期，對項目進行資料收集和現場考察。資料收集內容主要有能源站平面布置圖、管線布置圖等相關設計施工圖紙、主要設備的樣本及供貨商提供的參考材料、能源站運行情況和技改情況、周圍環境情況等。現場著重考察能源站內的設備及構造，并拍照或攝像記錄局部細節和相關參數。

3.2 三維模型搭建流程

①根據收集的資料及現場考察記錄的內容，以1∶1比例制作簡易模型，勾勒整體大致外形。②豐富三維模型細節，根據相關參數進行簡易模型的完善。③對實地考察收集的紋理進行修改、美化，并制作成紋理貼圖。④將紋理貼圖賦予模型，并將相應模型進行結合，組成最終完整場景，并對場景添加燈光效果。⑤進行后期制作(動畫、程序等)，完成三維模型搭建。

3.3 要求

① 效果要求。三維模型應遵照資料和設計要求以及現場照片，紋理貼圖清晰。能夠充分反映現實物體的主要結構以及主要細節及質感，整體感強。

② 材質和貼圖要求。不能在3DMAX材質編輯器中對貼圖進行裁切，不能使用Tiling選項。紋理貼圖的格式采用*.tga文件格式。若需要眩光效果，須進行眩光效果處理。

③ 制作要求。a.制作范圍內的設備一定要與照片相符，應能夠準確地表現設備的特征。b.導入設備的*.dwg文件時，應將各圖層進行凍結，以保證線條位置不發生偏移。c.保持三維模型中物體的編輯使用Edit Mesh或Edit Poly方式，特殊情況可使用Surface建模，NURBS建模方式基本上不使用。d.三維建模中應避免出現共面(兩面距離小于0.3 m即為共面)，不應出現閃面、漏面情況。e.三維模型完成后要清除未使用的材質與貼圖。

4 應用案例

4.1 項目概況

杭州市燃氣集團有限公司七堡搶修營業基地是一座綜合性辦公建筑，為提高能源綜合利用率，該辦公建筑采用天然氣分布式能源系統供能。能源站采用4臺額定發電功率為65 kW的微型燃氣輪機，1臺額定制冷量為872 kW的煙氣-直燃型溴化鋰吸收式冷水機組。能源站外景見圖1。

為了展現天然氣分布式能源系統綠色、高效、安全、節能的特點，有效實現天然氣分布式能源系統的宣傳及推廣、行業層面的交流合作、用戶層面的科學普及，在能源站休息區搭建現場參觀區，在辦公建筑內設置虛擬現實體驗區。

圖1 能源站外景

4.2 現場參觀

出于安全考慮，微型燃氣輪機機房、煙氣-直燃型溴化鋰吸收式冷水機組機房和控制室等是不對外開放的，體驗者僅能通過現場講解和圖文宣傳材料了解項目情況。

4.3 虛擬現實體驗

① 設備配置

基于三維模型，通過Unity3D交互引擎以及C語言編寫交互功能應用程序，最終形成以場景漫游體驗、設備動態展示、數據實時展示等功能為主體的虛擬現實互動體驗系統。

利用高性能臺式計算機(硬件滿足VR頭戴式設備的要求，采用Windows操作系統)及VR頭戴式設備實現虛擬現實體驗，主要包括場景漫游體驗、設備動態展示、數據實時展示。

目前，市場上主流VR頭戴式設備主要有Oculus Rift、PlayStation VR、HTC Vive等，硬件設計上比較相似。3款產品均集成了頭部運動追蹤、位置追蹤系統，其中Oculus Rift、PlayStation VR使用單個動作感應攝像頭來識別用戶運動，需要將動作感應攝像頭放置在用戶正前方。而HTC Vive在頭戴式顯示器上集成多達37個LED傳感器，能夠與安裝在房間中的兩個定位器構成1個最大尺寸為4.5 m×4.5 m的動作捕捉區域，在這個區域內用戶可以自由活動。綜合比較3種VR頭戴式設備性能后，我們選用了HTC Vive的VR頭戴式設備(外形見圖2)，包括1個頭戴式顯示器、2只操控手柄及2個定位器。

圖2 HTC Vive的VR頭戴式設備外形

② 主要功能

a.場景漫游體驗

通過佩戴VR頭戴式設備，體驗者以第一人稱視角進入能源站虛擬現實環境中，當體驗者在現實中轉動頭部或移動身體時，虛擬環境中畫面也會隨著變化。通過控制操控手柄按鍵，可實現人體的前后虛擬移動，使體驗者有身臨其境的感覺。場景漫游體驗過程中體驗者視覺界面見圖3，圖3中左下角為能源站平面圖及體驗者當前所處位置。

圖3 場景漫游體驗過程中體驗者視覺界面

b.設備動態展示

通過佩戴VR頭戴式設備，體驗者在場景漫游體驗過程中，通過控制操控手柄實現設備展示框查看。展示框中以圖片、文字及語音等形式體現設備的基礎參數信息、相關操作規范等。根據設備復雜程度，實現了部分設備透視、內部結構動態拆分，幫助體驗者了解設備結構。

c.數據實時展示

利用Unity3D編程技術將獲取數據信息匹配至三維虛擬目標物件上，在場景漫游過程中，體驗者通過控制操控手柄打開數據展示窗口，查詢實時數據(主要包含發電量、減排量、安全運行時間等)。

③ 其他功能

除了上述功能外，虛擬現實體驗區還實現游戲互動、知識問答等功能。游戲以環保類主題的趣味游戲為主，分為VR游戲和平面游戲兩類，分別由VR頭戴式設備、交互式觸摸一體機(外觀見圖4)實現。VR游戲是采用在能源站虛擬環境中布置游戲

入口，體驗者通過控制操控手柄進入游戲場景。平面游戲和知識問答則是體驗者通過手指觸碰交互式觸摸一體機展現的界面，實現游戲互動和知識問答。

圖4 交互式觸摸一體機

4.4 效果

現場參觀與虛擬現實體驗相結合，使體驗者不僅停留在想象層面，還在多維空間中實現了天然氣分布式能源系統的設備工作原理和技術特點的了解和體驗，從而加深感官感受和認知深度，讓天然氣分布式能源系統的立體形象深入人心。

現場參觀區、虛擬現實體驗區于2017年7月正式對外開放，截至2018年12月底，共開展56次體驗活動，接待政府機關、社會團體、新聞媒體、行業專家、市民等1 870人次，受到一致好評。

5 結語

虛擬現實技術在天然氣分布式能源系統的應用是一種嶄新的宣傳方式，以沉浸性、交互性和多感知性的表現手段，提升體驗者的體驗感和參與度，生動地宣傳了天然氣分布式能源系統安全高效、清潔環保等特點。此外，在天然氣分布式能源系統培訓與運維方面，提供了便捷可視化教具，場景可反復使用，不存在損耗，有助于提升工作效率和降低培訓及運維成本。