基于VR及三維數(shù)字化技術的火電廠鍋爐設備管理平臺研發(fā)和應用

常毅君，蔣金忠，張旭東，郭志清，熊 偉，楊永紅，雷 鵬，邢一陽

（華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

中國火力發(fā)電機組經(jīng)過前些年的跨越式發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為世界最大裝機容量的國家之一。近些年隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真、大數(shù)據(jù)等新興技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的火力發(fā)電行業(yè)如何利用新技術革命實現(xiàn)智慧化改造和產(chǎn)業(yè)升級，提高安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為火電行業(yè)亟需解決的重要課題。

1 概況

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

國內(nèi)某超超臨界百萬等級機組的電廠組織相關單位，經(jīng)過兩年多的研發(fā)，結(jié)合虛擬仿真技術、計算機圖形學、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術研發(fā)了超超臨界1000MW 鍋爐VR和三維數(shù)字化管理平臺。該平臺以KKS 編碼為基本圖元，以真實尺寸為基準比例，構建1000MW 超超臨界火電機組鍋爐本體和輔機的數(shù)字模型。在VR 環(huán)境和桌面級三維仿真環(huán)境下，分別實現(xiàn)了設備零部件和相關數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、定位、跟蹤、縮放、解剖等多項功能。設備三維故障分析、檢修輔助策劃、三維臺賬管理、沉浸式技術培訓等已在日常生產(chǎn)中得到廣泛應用。

2 研發(fā)目標和策略

作為仿真技術的重要方向之一，VR 技術和三維數(shù)字化技術是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網(wǎng)絡技術等多種技術的集合。該平臺包括桌面級三維數(shù)字化系統(tǒng)和VR 系統(tǒng)兩大部分。兩個系統(tǒng)真實地模擬還原了鍋爐本體和輔機的各種零部件、立體結(jié)構和系統(tǒng)聯(lián)接，按照零件、部件、組件3 個層級對各設備進行數(shù)字化建模，通過在線、離線、二維、三維的不同類型數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，在三維中實現(xiàn)了對失效部位和隱患部件進行瀏覽、定位、縮放、統(tǒng)計、分析和管理等實用功能，實現(xiàn)了立體結(jié)構、檢修拆裝、運行原理的三維動態(tài)仿真與VR 模擬。同時，在虛擬環(huán)境中集成了各零部件的信息資料、歷史故障資料、檢修工序和工藝要求等，實現(xiàn)了設備管理、生產(chǎn)決策、人員培訓的可視化、交互式、數(shù)字化和智能化。

3 火電廠VR和三維數(shù)字化管理平臺的開發(fā)技術

3.1 系統(tǒng)技術架構

該平臺系統(tǒng)技術架構圖如圖1 所示，情況說明如圖1。

1）Web Client

引擎客戶端插件，負責模型的載入、場景的渲染、腳本的執(zhí)行；輸入輸出系統(tǒng)為插件內(nèi)置，數(shù)據(jù)交換需要通過Leshane SDK 訪問Application Server，通過Application Server 的Data Access Layer 完成與數(shù)據(jù)庫或第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

2）Web Manager

系統(tǒng)的業(yè)務管理門戶，負責系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的維護（如系統(tǒng)號、系統(tǒng)IP、加密狗端口等）、業(yè)務基礎數(shù)據(jù)的維護（如人員、角色、公司、部門、設備等）、模型數(shù)據(jù)的維護。

3）負責業(yè)務權限系統(tǒng)的管理，系統(tǒng)安全性配置、服務器集群配置等操作。

4）Java EE Application Server 是 一 個 實 現(xiàn) 了Java EE Web Container 的Web 容器，負責服務端后臺管理程序的發(fā)布、執(zhí)行；數(shù)據(jù)交互接口的發(fā)布、執(zhí)行。

5）SDK

各種開發(fā)SDK，包括：GUI 人機交互界面SDK、關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互SDK、工業(yè)實時通訊協(xié)議交互SDK、域系統(tǒng)配置訪問SDK、單點登錄集成SDK。

6）Database Manager System

關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用來存儲系統(tǒng)元數(shù)據(jù)和各種業(yè)務數(shù)據(jù)；支持常用的關系數(shù)據(jù)庫，如SQL Server、Oracle、DB2、Sybase、MySQL、Access 等。

7）Active Directory

支持域系統(tǒng)，通過配置即可方便地實現(xiàn)與域直接的權限共享[1]。

3.2 桌面級三維數(shù)字化系統(tǒng)的關鍵開發(fā)技術

桌面級三維數(shù)字化系統(tǒng)界面通過核心三維數(shù)字化引擎、三維模型數(shù)據(jù)壓縮與傳輸、GUI 人機交互等技術，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、B/S 架構的軟件開發(fā)等工作，建構了一套三維數(shù)字化桌面軟件平臺。

3.2.1 系統(tǒng)執(zhí)行原理

通過核心三維數(shù)字化引擎讀取系統(tǒng)配置文件，根據(jù)配置文件判斷顯示模式，根據(jù)顯卡硬件自動調(diào)節(jié)相關模型顯示參數(shù)。根據(jù)信息建立與顯卡的硬件連接，做好三維可視信息的輸出準備。根據(jù)模型編輯器設計好的模型信息、燈光信息、材質(zhì)信息、攝像機信息以及腳本信息提交到模型引擎，由引擎啟動主線程開始渲染模型，并循環(huán)處理交互數(shù)據(jù)；引擎中的腳本子系統(tǒng)負責處理系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，如標準的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（SQL Server,Oracle,DB2等），以及工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP,TCP,OPC,SCADA,COM等），通過腳本子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互層進行數(shù)據(jù)的輸入、翻譯解釋、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出等操作。引擎默認是無限循環(huán)執(zhí)行，直到用戶提交停止或結(jié)束信號時，才停止引擎的渲染工作，并釋放與顯卡、內(nèi)存等硬件設備連接。

3.2.2 模型壓縮傳輸

核心三維數(shù)字化引擎將設計好的模型以優(yōu)化的ZIP 壓縮格式進行網(wǎng)絡傳輸。壓縮方式有兩種，分別是：重復數(shù)據(jù)塊壓縮與重復單字節(jié)壓縮。重復數(shù)據(jù)塊壓縮是當模型數(shù)據(jù)重復數(shù)據(jù)塊字節(jié)大于3 時，通過記錄重復位置、重復長度壓縮模型數(shù)據(jù)。重復單字節(jié)壓縮說明：一個字節(jié)只有256種可能的取值，所以這種重復是必然的。通過短語式壓縮方法，給256 種字節(jié)取值重新編碼，使出現(xiàn)較多的字節(jié)使用較短的編碼，文件的總長度就會減少，字節(jié)使用比例越不均勻，壓縮比例就越大。

3.2.3 GUI交互

核心三維數(shù)字化引擎在運行時，會持續(xù)檢測如鼠標、鍵盤等各種輸入設備的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成腳本系統(tǒng)認識的事件系統(tǒng)，由腳本子系統(tǒng)處理該事件將其轉(zhuǎn)換成動作,提高系統(tǒng)對人機交互的開發(fā)速度。因此系統(tǒng)對引擎腳本子系統(tǒng)提供的二次開發(fā)API 進行大量接口封裝，只要派生相應的GUI Object 子類，即可完成交互的標準內(nèi)容[2]。

3.3 VR（虛擬現(xiàn)實）技術系統(tǒng)的關鍵開發(fā)技術

3.3.1 場景渲染優(yōu)化

所有基于VR 眼鏡的系統(tǒng)對性能的要求都明顯高于基于顯示器的普通虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，F(xiàn)PS 指標低于90FPS 時，使用者會有明顯的眩暈感，體驗度明顯降低。影響FPS 幀率主要兩個因素為硬件性能與渲染效果。FPS 與三大硬件（CPU、GPU、內(nèi)存）性能成正比，即三大硬件性能越高，F(xiàn)SP 幀率就會越高；FPS 與渲染效果成反比，即模型數(shù)量或總面數(shù)越高，F(xiàn)PS 越低；粒子特效或物理特效越高，F(xiàn)PS越低。

例如，實現(xiàn)鍋爐輔機設備及檢修場景的虛擬展現(xiàn)以及達到實際操作使用效果，設備零件個數(shù)約為1000 個以上，總面數(shù)約為百萬級三角面。因此，如何在固有硬件性能的基礎上，渲染如此數(shù)量眾多的模型，且既保證設備渲染的效果又保證幀數(shù)不低于90FPS，成為系統(tǒng)必須攻關的核心技術問題。

3.3.2 VR應用渲染優(yōu)化重點

包括以下各部分：紋理壓縮、材質(zhì)GPU 渲染、模型的LOD 處理、攝像機的視錐裁剪及模型的遮擋剔除、燈光的預烘焙處理、文件與網(wǎng)絡處理。

3.3.3 VR設備選型情況

結(jié)合鍋爐設備檢修工作特性，對目前主流VR 輸入/輸出設備進行對比研究，須選擇具備VR 眼鏡、VR 跟蹤設備、VR 輸入設備等提供成套設備的廠商。經(jīng)過實際檢驗與驗證，主要參數(shù)內(nèi)容如下：

1）VR 眼鏡：可視角（FOV）在96°～120°之間；單眼分辨率不小于1080*1200，否則會有明顯的顆粒感。

2）VR 跟蹤設備：基于光敏傳感器的六自由度跟蹤設備。

3）VR 輸入設備：支持VR 手柄，VR 手柄能被跟蹤設備識別；具有交互按鍵。

4）VR-SDK 提供SDK 二次開發(fā)包，支持多種主流三維引擎，如Unity3D、虛幻引擎等。

4 鍋爐設備VR管理系統(tǒng)的應用

圖2 VR系統(tǒng)主界面Fig.2 VR System main interface

圖3 設備結(jié)構-送風機轉(zhuǎn)子Fig.3 Equipment structure - fan rotor

圖4 檢修拆裝-人機交互拆裝Fig.4 Overhaul ingress - human-computer interactive disassembly

鍋爐設備VR 技術管理系統(tǒng)主要包括三大應用模塊，即設備結(jié)構（漫游）、設備拆裝和設備啟停，如圖2 所示。通過頭戴VR 眼鏡，可進入三大模塊的模擬真實的場景。目前很多電廠由于生產(chǎn)管理模式的變化和對技能培訓工作的忽視等因素，導致年青技術人員維護檢修技能差和經(jīng)驗少，無法勝任維護和檢修管理工作。通過該VR 系統(tǒng)的投用，使得年青技術人員對設備結(jié)構、信息數(shù)據(jù)、檢修工序工藝、運行巡檢等工作進行可視化、全方位和交互式的學習，較大程度上彌補了現(xiàn)場實戰(zhàn)不足的問題，技能培訓的成效顯著。

設備結(jié)構模塊如圖3 所示。可通過操作手柄在各個方向觀察設備并進入設備內(nèi)部，通過隱藏功能可把設備的各個部件拆除觀察，并可獲得各個零件的設備信息。

圖5 送風機啟停操作界面Fig.5 Fan start-stop operating interface

圖6 鍋爐三維系統(tǒng)主界面Fig.6 Boiler 3D system main interface

圖7 鍋爐本體缺陷統(tǒng)計Fig.7 Boiler body defect statistics

圖8 鍋爐本體壁溫測點查詢和展現(xiàn)Fig.8 Boiler body wall temperature measuring point query and display

圖9 磨煤機虛擬拆裝Fig.9 Virtual disassembly of coal mills

圖10 歷史缺陷臺賬的三維查詢Fig.10 3D Query of historical defect ledger

設備拆裝模塊如圖4 所示。可各個角度觀看完整的設備拆裝流程，并對重要工藝、質(zhì)量標準、W 和H 點等予以語音和文字講解，也可通過人機交互式操作，模擬檢修過程進行獨立拆裝操作。

設備運行模塊如圖5 所示。通過直觀展現(xiàn)了設備運行原理，模擬了啟動和停運的操作流程以及現(xiàn)場檢查要求。

5 桌面級三維數(shù)字化鍋爐設備管理系統(tǒng)的應用

鍋爐設備三維數(shù)字化管理系統(tǒng)包括鍋爐本體及輔機兩大部分。在建模過程中，利用樣條線建模、多邊形建模、NURBS 建模等建模方式將設備進行高精度建模，并通過Adobe Photoshop、NDO 等其它相關軟件烘焙貼圖，利用各種貼圖來模擬設備的真實材質(zhì)，最終表現(xiàn)出設備的紋理、反射、折射和其它特殊效果；通過一套完整的編碼規(guī)則將所有建模圖元進行編碼，加強對各個建模圖元的管理；通過模型編碼與電廠KKS 編碼關聯(lián)，保障數(shù)據(jù)的一致性、集成性、可維護性，為后續(xù)數(shù)據(jù)的收集、分析打好基礎。每個設備模塊都是以真實構造尺寸1：1 為建模基準，以設備結(jié)構圖紙零部件為基礎建模圖元，構建電廠鍋爐設備三維立體可視化模型，包括1000MW 鍋爐本體、磨煤機、空預器、一次風機、送風機、汽動聯(lián)合引風機、密封風機、給煤機等設備，如圖6 所示。通過點擊主頁各個設備圖形進入各個設備模塊，如圖7、圖8、圖9、圖10 所示。主要應用功能有設備臺賬管理、缺陷管理、實時數(shù)據(jù)、一鍵報告等，滿足了三維臺賬管理、檢修輔助策劃、缺陷三維分析、沉浸式技術培訓等多種工作要求。

6 結(jié)論

鍋爐設備VR 和三維數(shù)字化管理平臺進行了兩年多的模型建模、系統(tǒng)功能開發(fā)、安裝調(diào)試、基礎數(shù)據(jù)錄入及上線優(yōu)化工作。目前在線運行已經(jīng)穩(wěn)定成熟，該設備管理平臺實現(xiàn)了可視化、交互式、數(shù)字化、智能化的各項實用功能，成為打造創(chuàng)新型和智慧型火力發(fā)電廠的重要組成部分之一。