可視化技術在風電運維中的應用案例分析

張文忠，盧 軍，張瑞君，張 亮，李宗政，辛理夫

(1.華電福新能源股份有限公司，北京 100031；2.銳電科技有限公司，北京 100044)

0 引言

可視化(Visualization)是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。可視化技術使人們可在二維(2D)或三維(3D)圖形世界中對具有形體的信息直接進行操作，與計算機進行直接交流。將可視化技術應用于風電領域，通過可視化技術可將風電運維工作中的各個主要要素轉化成圖像并顯示在計算機屏幕上，從而進行人員培訓、技術支持等。利用可視化技術，通過圖像、3D 動畫，以及數據與實體模型相融合，可使管理者、初學者對設備內部結構，部件所處位置、外形及其運行原理和檢修過程形成更直觀的認識，可大幅減少管理和培訓費用支出，提升培訓效率和管理水平。本文主要對可視化技術在風電運維中的應用案例進行了介紹和分析。

1 2D 可視化技術的應用

1.1 風電場集中監控

目前，大部分風電場及集控中心已大規模應用2D 可視化技術，該技術能以圖形和數據的形式將獲取的風電場中單臺風電機組及全部風電機組的實時狀態信息進行展示。根據這些信息既可以對風電場的單臺風電機組或集群進行遠程控制，又可以通過查看歷史信息和現場數據對風電機組的運行情況進行分析。

某風電場運營企業利用2D 可視化技術，將中央監控系統對整個風電場風電機組的遠程監控結果以圖像的形式顯示在屏幕上，以便于相關人員進行遠程訪問、遠程控制；并對風電機組集群及單臺風電機組的實時運行數據及歷史數據進行展示，以便于相關人員進行相應操作。具體如圖1、圖2 所示。

1.2 風電場運維信息管理

通過2D 可視化技術將匯集到數據庫中的風電場日常運維工作記錄、風電機組健康管理等運維數據進行圖形化和表格化，然后提供給風電場運維工作者和管理者作為參考，極大地提高了運維工作的效率。

1.3 物資管理

2D 可視化技術在物資管理方面的應用主要是進行檔案管理和第三方維修管理，是為了使現場相關工作人員和整理人員方便、高效地進行物資檔案錄入工作，可規范風電場運營企業的檔案管理工作，將物資管理規范化、數據化、可視化，保證區域公司共享物資信息，解決企業物資聯動管理，提高風電場運營企業的物資利用率，節省風電場運營企業的運營成本。

圖1 集群風電機組監控界面Fig.1 Wind turbine cluster monitoring interface

圖2 單臺風電機組監控界面Fig.2 Single wind turbine monitoring interface

圖3 物資管理界面Fig.3 Material management interface

1.4 日常運維管理

日常運維工作的管理主要涉及零部件的維修、更換記錄，以及風電機組的運維記錄、巡檢記錄的可視化管理。此模塊使現場人員和管理人員方便快捷地進行風電機機組運維工作的檔案錄入，監督工作人員的風電機組部件更換、維修操作工藝，規范工作人員的風電機組日常維護和巡檢檢查操作，并將檔案記錄數據庫化，方便查看風電機組的狀態，以了解以往風電機組運行維護的歷史信息。

1.5 2D 可視化技術的應用小結

通過2D 可視化技術可將匯集的風電場信息和數據圖形化展示，便于分析，有效降低了風電場運維管理時的難度；可使風電場的物資得到最優化利用，為風電運維工作提供便捷的信息在線監測技術，提高了對設備運行狀態的監控水平，有利于風電場安全、穩定運行。

2 3D 可視化技術的應用

由于風電機組的結構復雜，無論是用于產品展示和介紹，還是用于人員培訓，2D 的展示方法都無法真實、直觀地展示風電機組的內部結構和其在實際運行過程中的工作原理。得益于3D可視化技術的發展，使用戶能更直觀地查看風電機組的機械結構與電氣連接狀況，更好地理解風電機組的結構和工作原理。

2.1 基于3D 可視化技術的仿真模擬、培訓

通過3D 建模軟件，可將風電機組各部分按照實物大小等比例搭建3D 模型。采用3D 模型能更直觀地從不同角度、維度觀看風電機組的結構，并能與模型進行交互，用戶可通過透視與動畫功能觀看風電機組的結構和不同系統中零部件的響應過程。圖4 為機艙內主要部件的3D 模型。

圖4 機艙內主要部件的3D 模型Fig.4 3D model of main components in the nacelle of wind turbine

2.1.1 風電機組齒輪箱油冷系統工作原理的3D 動畫演示

相對于2D 平面動畫的局部剖面展示，使用3D 動畫制作技術可將風電機組齒輪箱油冷系統工作過程中的熱能傳導過程及油冷系統各部件的響應過程進行立體展示。用戶能更直觀地從整體到局部觀察到元器件的響應，可觀察到無法用肉眼直接看到的變化過程，更利于用戶對其原理的理解。圖5 為齒輪箱油冷系統工作原理的3D 動畫展示。

圖5 齒輪箱油冷系統工作原理的3D 動畫展示界面Fig.5 3D animation display interface of working principle of gear box oil cooling system

2.1.2 風電機組的檢修培訓應用

利用3D 技術，嚴格按照風電機組各部件的實物比例進行精細化建模，依據檢修規程模擬設備檢修的拆解、檢修及安裝，并展示了檢修時涉及到的檢修工具、檢修備品備件，以及設備拆解后的擺放。用戶可直接查看設備的檢修工藝和進度，此方式可培訓相關人員學習具體的檢修過程和檢修標準。利用3D 技術呈現的輪轂滑環如圖6 所示。

圖6 3D 技術呈現的輪轂滑環Fig.6 Wheel hub slip ring displayed by 3D technology

2.2 VR 技術應用

VR 技術是指以3D 技術為基礎，采用虛幻引擎模擬真實的現場環境開發虛擬場景，使用VR 立體頭盔等設備制作沉浸式交互體驗。該技術在風電場的應用主要涉及：1)風電運維人員的安全培訓和情景再現，包括事故體驗、應急急救和應急處置等；2)模擬現實風電機組的運行、檢修場景及零部件的實時分解等內容，可與使用人員實時交互，以提升用戶對風電機組的認知和提高其作業技能。

2.2.1 事故現場的模擬

風電機組工作人員的日常工作涉及到高空和帶電作業，通過VR 技術可真實再現由工作人員違章作業引起的人身傷害事故，以及應急逃生和救援方法，并且可以通過第三視角重放事故，讓體驗者從中學習急救、逃生方法，并了解違反安全作業規程的危害。下文為某風電企業與軟件開發商合作，利用VR 技術模擬的3 種事故現場。

1)觸電事故。模擬了工作人員在機艙內違章作業，手觸碰到帶電部位，導致發生電擊事故，該工作人員瞬間倒地休克。觸電倒地全過程還可以通過第三視角重放。圖7 為觸電事故模擬。

圖7 觸電事故模擬Fig.7 Electric shock accident simulation

2)墜落事故。模擬了工作人員在吊裝口邊緣未正確使用防墜裝置，導致失足跌落，直接摔入底層的墜落事故。用戶可通過第三視角觀看到墜落艙底后的傷殘狀態。圖8 為墜落事故模擬。

圖8 墜落事故模擬Fig.8 Fall accident simulation

3)中暑事故。由于風電機組設備內部環境具有高密封性，且各類機械設備不斷運轉會產生大量熱能，但工作人員在進入設備內部作業時必須穿戴各類安全設備，包裹較為嚴實。因此，在該條件下作業非常容易中暑，雖然中暑的發生看似平常，但其可能造成的人生安全危害卻極為重大，此時安全急救是頭等大事。模擬了中暑人員的急救操作，應首先將中暑人員拖至通風處。圖9 為中暑人員急救模擬。

圖9 中暑人員急救模擬Fig.9 First aid simulation of heatstroke personnel

2.2.2 風電設備仿真模擬

通過3D 可視化技術構建風電機組詳細模型后，可通過VR 工具進行觸摸或通過PC 端鼠標拖拽方式將設備進行拆解，之后還可以通過一鍵還原將設備還原到最初狀態；模擬還具有拆解還原功能，可查看設備自動拆解的過程及拆解之后自動還原的過程。相比于3D 動畫方式，VR 技術可使學習者身臨其境地體驗部件的拆解，有助于加深學習者的感知記憶和操作反射，提升學習的趣味性和操作性。

圖10 器件拆解模擬Fig.10 Device disassembly simulation

2.3 3D 可視化技術的應用小結

3D 可視化技術解決了風電機組多項培訓難題，除可為風電運維工作者提供虛擬現實的場景之外，還為風電運維人員安全、技能培訓提供了模擬平臺。

3 結論

本文對2D 和3D 可視化技術在風電運維領域中的應用進行了介紹。通過采用2D 可視化技術，可實現將匯集的風電場信息和數據以圖形化的方式展現，便于分析，有效降低了風電場運維管理難度；可使風電場的物資得到最優利用，為風電運維工作提供便捷的信息在線監測技術，提高了對設備運行狀態的監控水平，保證了風電場安全、穩定地運行。通過采用3D 可視化技術解決了與風電機組相關的培訓難題，為風電運維工作者提供了虛擬現實的場景，并為風電運維人員安全、技能培訓提供了模擬平臺。

加強可視化技術在風電運維領域的應用，有助于促進該技術的進一步開發與利用。