基于虛擬技術的電廠操作培訓系統研究與應用

高 煒, 董海玲, 孫海彥, 茅大鈞

(1.華電江蘇能源有限公司句容發電分公司 運行部, 江蘇 鎮江 212400;2.上海電力學院 自動化工程學院, 上海 200090)

隨著社會的快速發展和生產需求的迅速提升,現代火電廠技術改造速度也在不斷加快,超臨界、超超臨界等大功率發電機組不斷投運,這將對火電廠工作人員提出更高的運行操作技能要求。文獻[1]通過虛擬技術構建了鍋爐、發電機等設備的三維模型,用戶可對場景中的虛擬對象進行觀察和瀏覽。文獻[2]通過虛擬DCS技術對電廠的給水除氧系統進行了建模和仿真。文獻[3]通過虛擬技術對虛擬變電站進行三維建模仿真,并利用MATLAB模擬變電站的各種運行狀態。

目前,基于虛擬技術的電廠操作培訓系統研究在國內還處于起步階段,如果能使虛擬技術的應用范圍擴展到電廠操作領域,將給發電企業帶來可觀的經濟和社會效益,具有很好的發展前景。現階段的電廠生產、操作、運行技能培訓主要以教材理論學習和機組DCS仿真機操作培訓為主,存在培訓機組設備落后、數量不足等問題。在虛擬培訓系統中,電廠工作人員可以通過虛擬平臺隨時隨地模擬電廠機組設備的維護和操作。

1 虛擬技術與操作仿真系統

虛擬技術是操作者通過相關輸入設備,與虛擬環境進行交互,由計算機處理與操作者需求相適應的數據,并對操作者的輸入作實時反饋,使操作者得到與現實環境中同樣的感受[4]。虛擬操作是虛擬技術在設備操作領域的具體應用,將虛擬技術與計算機仿真技術相結合而形成的操作仿真系統。操作者在一個逼真的三維虛擬環境中,由計算機實時反饋操作者的操作需求,以達到與現實中相同的操作效果。

由于電廠的訓練場地有限,且無法保障培訓的絕對安全,利用虛擬技術建立一套操作仿真系統,不僅使操作者有身臨其境的感覺,達到電廠培訓的目的,同時也保障了操作人員的安全。電廠操作人員可隨時隨地在虛擬環境中訓練各種設備操作和巡檢技能,提高自身在現實機組設備操作過程中的熟練程度。

2 虛擬場景模型的建立

本系統主要是將幾何和圖像繪制算法進行混合,采用不同的實時場景繪制策略對虛擬環境進行繪制,同時采用不同的控制算法對用戶的人機交互進行控制[5]。

2.1 場景繪制策略

為滿足實際生產過程中對信息表達的需求,本系統將虛擬場景與實體建模場景進行合成,提供以三維動態形式出現的信息環境,從而使系統更具真實感和沉浸感。同時,系統采用分層組織、幾何簡化、動態調度、紋理替代與圖像繪制相結合的實時繪制策略來進行場景的繪制。

(1) 分層組織 系統根據電廠的實際情況對虛擬場景進行分層處理,然后根據電廠設備所處的位置計算相應的層次,同時建立索引鏈表。根據現實場景中包含的物體數和物體分布的稀疏程度對場景進行細分。以樹狀形式組織整個場景,從而形成場景的結構樹。場景的組織過程是自上而下的,若將整個場景理解為根節點,則場景中不同的系統為中間節點,具體設備為葉節點。因此,當操作者在場景中漫游時,可以直接根據索引鏈表定位到結構樹的節點,當視點移動時,根據目標點區域可直接連接到新的節點。采用分層組織的定位策略可以提高系統的場景顯示速度。

(2) 幾何簡化 考慮到電廠實際生產中的部分設備是由一些結構完全相同的模塊所構成,本系統對少數幾個模塊的結構進行繪制,并采用紋理映射技術描繪其他結構相同的模塊,從而減少繪制數量,提高繪制速度,且不會降低繪制場景的精度。

(3) 動態調度 本系統僅對操作者視野范圍內的場景進行繪制,以減少繪制的多邊形數目,從而提高繪制速度。視點移動過程中內存快速釋放視野范圍外的數據,保存視野范圍內的數據,同時讀入新的視野數據,以實現虛擬場景的實時動態調度。

(4) 紋理替代 由于現實電廠環境中含有部分靜態場景,因此采用紋理替代原則,對滿足簡化要求的景物進行紋理替代,將其映射到空間四邊形表面,以減少復雜的圖像繪制畫面,從而簡化模型復雜度。

2.2 虛擬交互控制

虛擬場景應具備運動功能,才能響應工作人員的操作,實現人機交互的功能。為提高虛擬場景的交互特性,通過控制預測圖形的生成來實現對物體的運動控制。同時,為保證畫面的穩定性,將系統預測圖像間過渡畫面的幀數初始設置為定值。

為了在生成預測圖像時可以快速改變場景中物體所處的位置,同時實現從當前畫面到下一幀畫面的過渡,本系統主要使用以下方法。

(1) 當用戶通過手持設備對物體進行拾取時,系統自動尋找該物體,并通知系統這一物體將要進行交互操作,同時將當前場景的物體放入隊列中。在繪制后續預測圖像時,系統將不再繪制上述隊列中的景物。

(2) 采用從后幀預測采樣圖像向當前幀采樣圖像變換的方法生成過渡畫面背景,同時利用算法直接繪制移動場景中的景物,從而得到最終顯示畫面。

由于虛擬環境中視點場景復雜度的差異較大,所以生成各幀畫面所需的相差也較大,便會導致在視點移動過程中畫面刷新頻率出現跳躍性變化,影響視覺效果,同時會出現幀頻不穩定的現象。系統采用恒定幀顯示算法解決上述問題。算法流程如圖1所示。

圖1 恒定幀顯示算法流程

令F為期望刷新頻率,則Tframe=1/F為每幀中間過渡圖像繪制時間的期待值,tframe為實際某一幀中間過渡圖像繪制時間,Tkeyframe為關鍵幀的生成時間,Tson為子進程中生成所有中間過渡圖像的總時間。算法在子進程中每幀中間過渡圖像后加入停頓時間,子進程在繪制一幀中間畫面時,利用Tframe-tframe的時間來控制幀頻的穩定。算法需要滿足以下3個條件。

(1)Tson應大于Tkeyframe。若不滿足此條件,則在插值過程結束后,等待下一幀生成時會產生嚴重的停頓現象。

(2) 在滿足第1個條件的前提下,使幀頻盡快穩定。

(3)Tkeyframe應大于tframe。若不滿足此條件,則在關鍵幀切換時可能會出現刷新頻率的跳躍性變化。

2.3 基于改進方向的包圍盒碰撞檢測算法

在交互式的虛擬場景中,用戶可以通過操作手柄、鍵盤設備和數據手套等對場景中的相應設備進行操作,其中碰撞檢測問題是不可避免的。目前,常用的碰撞檢測算法有:方向包圍盒(Oriented Bounding Box,OBB)算法、軸向包圍盒(Axis-Aligned Bounding Box,AABB)算法、固定方向凸包(Fixed Directions Hulls,FDH)算法和包圍球(Sphere)算法等[6]。OBB算法的優點是具有任意性,可以在任意方向上構建包圍物體對象的最小長方體,其檢驗效果優于AABB算法和Sphere算法,冗余性較好,但也存在計算量較大、檢驗過程較為復雜的缺點。因此,本文提出了一種基于改進OBB碰撞檢測算法[7],可以明顯簡化計算過程,提高運算速率。具體算法步驟如下。

步驟1 確定場景模型在x軸上的投影區間范圍[Pxmin,Pxmax]。

步驟2 將場景模型在x軸上的投影區間進行n(n∈Z+)等分,計算公式如下

(1)

式中:h——一個區間的長度。

步驟3 根據各頂點在x軸上的投影位置,將模型的頂點集U劃分為n個子集,計算頂點集U中各個子集的編碼,則位于第i個子集的點所構成的頂點集Ui為

(2)

式中,i=1,2,3,…,m。

步驟4 提取近似包圍盒的頂點集U′

(3)

步驟5 通過對U′求均值和協方差,來構造OBB包圍盒。頂點集U′的均值μ和協方差矩陣Cjk分別為

(4)

(5)

式中:l——場景模型的三角形數目;

2.4 場景仿真實驗數據分析

系統除了時空共享、實時交互等基本功能外,還需對場景實驗仿真數據進行分析。本文主要從場景模型的數據屬性和資源加載時間兩個方面進行分析,以此來評價系統的仿真效果。表1為場景模型屬性值。

表1 模型屬性值

表1中,主機組系統、給煤機系統、磨煤機系統以及10 kV開關柜均屬于交互對象,因此它們的面數和頂點數都遠大于天空背景。其中,主機組系統作為主要的操作場景,其面數和頂點數都較其他交互對象要大。由于天空背景的模型特別大,可覆蓋整個場景,所以其渲染時間最長。各場景模型的幀率都大于30 fps,滿足系統模型效率的要求。

場景資源的一次加載時間為15 s,分開加載時間為5 s,分開加載時間較短,因此場景資源分開加載的顯示效果比一次加載的顯示效果要好。

3 虛擬培訓系統的實現

3.1 總體架構

利用HTC Vive頭盔和數字手柄,讓用戶置身三維虛擬空間中,模擬電廠的操作環境和操作過程。連通DCS仿真系統,生成監控人員與操作人員之間的協同訓練模擬畫面,從而提高員工的培訓效率,同時有效模擬整個過程,訓練協同能力。本系統采用虛擬技術,利用多種共享服務器等硬件資源,提高電廠基礎設施資源的利用效率和電廠工作人員的管理水平,實現計算資源的動態優化。虛擬培訓系統架構如圖2所示。

圖2 虛擬系統架構

系統主要裝配兩臺服務器:后臺數據管理中心服務器,主要完成數據接入、存儲和計算的功能;模擬訓練服務器,主要完成VR內容數據發布功能。

3.2 軟件開發

系統軟件開發結構如圖3所示。

圖3 系統結構示意

系統利用新一代仿真建模軟件Multigen Creator進行軟件開發。該軟件具備針對應用優化的OpenFlight數據格式,可以描述三維模型的幾何層次結構,很好地進行多邊形建模、矢量建模,同時還能夠精確地生成大面積的地形。

系統軟件開發的主要流程如下。一是搜集電廠設備運行和操作規程,設備故障和維修的相關資料(包括維修工具和設備的形狀尺寸、相對位置等),以及設備物體之間的相互約束與干涉關系等。二是根據搜集到的設備參數,利用Creator軟件進行模型搭建。三是建立仿真對象,并將巡檢時需要操作的設備及就地顯示儀表加載到圖形界面里,通過Vega Prime進行函數調動,模擬現場可能出現的故障。四是利用軟件開發進行程序編寫,調用模型實現虛擬設備的操作。按照設備操作邏輯編寫程序,以達到正確的處理現場設備故障的步驟和順序,并實現人機交互、行為動作、對象呈現等功能。

系統操作流程如圖4所示。

圖4 系統操作流程示意

3.3 系統應用

華電江蘇某發電廠新員工入職培訓時的技能培訓中,采用了本文所提出的虛擬仿真培訓系統。通過佩戴專業的虛擬裝備,能夠使員工沉浸在虛擬電廠環境中,達到了仿真專業培訓的目的。培訓現場照片如圖5所示。

圖5 新員工入職培訓照片

根據電廠的實際運行環境,結合現代化電廠技能培訓的相關需求,模擬搭建了逼真的虛擬電廠運行環境,如圖6所示。

圖6 虛擬電廠環境

虛擬培訓系統中的電廠二次設備如圖7所示。由圖7可以看出,通過專業的虛擬系統搭建技術創建的模型,其外觀與真實設備基本一致,滿足了不同角度的光照折射中所呈現出的視覺效果。

圖7 虛擬培訓系統二次設備

4 結 語

虛擬培訓操作系統的開發和利用使得電廠相關培訓更加靈活、方便,不再受到地點和設備的限制,保證了人員的操作安全,減輕了很多培訓管理人員的工作負擔,使得培訓考核統計工作更加快捷,培訓效率得到有效提升。同時,相關負責人員可以隨時了解培訓人員的學習情況,便于掌握和控制培訓進度。雖然本系統可以取得較好的培訓效果,但后續仍需要更多的理論研究和實際調研來完善對全廠維護環境的虛擬實現。