基于WebGL的3D技術在風電運維支持系統中的應用

文 | 張瑞君，盧軍，張文忠，張亮，李宗政，辛理夫

風電場多處在風能資源豐富的草原、戈壁、高山、近海等偏遠地區，受外界惡劣的環境和氣候因素的影響，技術人員的運維工作面臨較多的實際困難。隨著出質保機組數量的大量增加，高級技術人員短缺以及現場工作人員對專業培訓需求增多的問題日益凸顯，急需構建一個輕量級支持移動智能設備使用，能夠模擬現場機組的實時情況，用于風電運行、維護工作的支持系統。

風電領域的運維技術培訓難點包括原理、機械結構和零部件響應動作情況的直觀講解及其通過平面的結構原理邏輯圖、結構圖紙的動態和立體展示。WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖協議，通過WebGL 網頁制作技術能夠實現網頁中3D 動畫、3D 模型的交互及實時技術接入，可以進行跨平臺的3D 網頁制作，更加直觀地在移動端展示風電機組實時數據的變化，讓使用者有身臨其境之感。結合WebGL 技術，構建滿足教學內容的模型和原理動畫，能夠立體多方位地查看零部件結構和相互關系，動態演示風電機組各系統的運行原理和零部件的響應，從而提升風電技術工作者的能力和運行維護的工作效率。

圖1 系統架構

本文基于WebGL 的3D 技術，提出一種風電運維支持系統方案。該方案可以實現在網頁端進行風電機組虛擬化仿真模擬，使風電機組運行原理和運維技能的展示更加形象立體，為使用者帶來輕量級、可移動、形象化和沉浸式的使用體驗，為風電運維技能的傳承提供高效的載體。

風電運維可視化支持系統系統架構

風電運維可視化支持系統基于WebGL 技術制作風電機組的設備仿真模型和設備運行原理動畫，并基于風電控制系統采集到的真實數據對風電機組的運行工況進行仿真模擬。該系統應用主流架構、開發語言和數據庫，能夠與其他系統進行完美兼容，實現視頻資源的分類存儲、擴展，通過預留接口可與其他系統進行數據交互，實現信息互聯互通。

系統采用 B/S 架構，基于WebGL 框架HT 引擎設計實現，用戶可直接在瀏覽器上通過網址進行訪問，不依賴任何插件。如圖1 所示，系統分為數據存儲層、數據處理層和數據展示層。數據存儲層主要使用MySQL 數據庫存儲設備數據基本信息和采集到的實時數據信息，使用JSON 文件存儲3D 模型數據信息；數據處理層主要使用HT 引擎對數據進行處理以及動畫邏輯的實現；數據展示層主要使用基于WebGL 開發的HT 引擎和HTML5 完成對3D 場景的加載渲染，通過改進的渲染算法解決加載大量3D 模型時出現瀏覽器崩潰的現象。基于WebGL引擎搭建的場景，可以自由旋轉、縮放、平移；通過JS 腳本控制模型、動畫，可演示風電機組各系統的運作過程；通過分步驟，又可分別查看不同時期的動畫。在數字化風電機組場景中，通過動態調整模型實現模型外殼顯示及模型驅動。

系統所用到的按鈕、列表、樹和彈窗等組件，都是基于HTML5 Canvas 實現的HT UI 庫組件。Canvas 又叫畫板，可以使用JavaScript 繪制想要的圖形（通過基本的圖形，如線、圓、矩形以及填充圖像繪制更加復雜的圖形）。通過Canvas能在指定的位置繪制需求像素，繪制效率高，動畫性能高。Canvas 的渲染方案實現了高性能，例如，表格組件可顯示上百萬個單元格，不存在卡頓現象；完備的頁面布局組件，可輕松實現頁面布局；單獨的頁面組件樣式設置，簡化了代碼，更加方便快捷。

圖2 系統結構圖

風電運維可視化支持系統功能設計

風電運維可視化支持系統主要包括9 個模塊（見圖2）。系統以實際應用為核心，逐級構造，使用詳實的3D 動畫制作風電機組組成和控制系統的原理等基礎知識，為用戶提供便捷的理論學習內容；定期維護模塊為用戶從理論學習到實操學習提供了過渡；故障處理模塊則整合理論和實操內容，形成完整處理現場實際問題的工作流程；數字化風機模塊能將故障數據和實時運行數據導入到系統中，并對其進行可視化分析，加深用戶對風電機組原理和運行邏輯的理解，形成符合用戶認知規律的系統學習路線。

一、3D場景漫游模塊

該模塊是指用戶通過鼠標和滾輪可完成對整個3D 場景的移動、縮放、選中、旋轉操作，并能從任意角度查看設備結構。選中相應的部件會彈出該設備的信息框，從中可以查看設備的信息，包括定期維護及拆裝信息（如圖3、圖4）。

二、故障處理模塊

點擊故障編號或名稱，能在界面顯示“故障分析”和“故障消除”兩個列表。“故障分析”包括依據圖紙、控制邏輯、設備的實時和歷史數據進行故障分析的視頻內容。“故障消除”包括的視頻內容有：（1）消除故障時工器具使用；（2）對照圖紙進行故障排查時元件、電氣回路測量與檢查以及故障點定位；（3）消除故障時零部件更換。

故障處理的內容按照圖5 進行分步制作，每一小步為一個視頻或者文檔，并配有文字說明。

圖3 整機模型

圖4 減速機透視模型

三、定期維護模塊

該模塊包含維護的項目、使用的工器具、消耗材料的名稱和數量、維護的方法和步驟。依據維護手冊和有關標準（列標準名稱）按照機組結構從下至上、機艙從內到外的順序逐一介紹每個維護項目的操作步驟，并在操作中用文字附注詳細的工作標準以及注意事項。

四、安全模塊

該模塊包含風電機組安全作業規范、安全工器具及防護用品的使用等。

五、資料庫模塊

用戶可通過該模塊對系統中的定期維護模塊、故障處理模塊、安全模塊所展示的內容進行集中管理，具有資料的上傳和刪除功能。

圖5 故障處理

圖6 故障處理模塊界面

資源庫依據風電機組的結構分類進行設計，完整覆蓋整個機組的基礎結構。為系統的資源擴展和技術支持、培訓素材制作提供規范載體。以資源庫中每個項目為基本元素，可最大化地進行資源復用（復用率可達60%以上，節省了開發維護成本），通過調用基本單元完成從部件到系統，再到整機的構建。

六、數字化風機模塊

將風電機組正常運行時的實時數據導入到系統中，通過該模塊對真實數據的模擬展示風電機組不同狀態機的變化。用戶通過對數據流的重放和追溯，能直觀理解風電機組狀態機的跳轉和風電機組的控制原理。

七、論壇模塊

用戶可建立和發布主題內容，上傳文字、圖片、視頻，其他用戶可對該主題進行瀏覽、留言、關鍵字搜索。在線交流與分享技術技能的方式，有助于運維人員技術水平和機組故障處理能力的提高。每一個風電運營公司都擁有眾多類型的機型，每一種機型都有各自專屬的備件配置，通過論壇能夠聚集公司內相同機型的運維人員。對于論壇中收集到的問題，可凝聚整個公司的技術力量進行解答，通過檢索即可快速找出已經得到解決問題的答案。

圖7 數字化風機界面

應用效果

借助WebGL 技術在網頁端構建3D 可視化模型，技術人員通過不同角度反復觀看機組的組成結構和其在不同運行工況下元器件的響應過程，能夠直觀學習到所需的知識，更好地掌握機組結構和控制原理知識；利用故障處理、定期維護等相關模塊能夠快速完成相關故障的分析、處理及機組維護。

一、風電機組組成和控制原理培訓

在風電機組未出質保（維護工作由整機廠家完成）的內蒙古自治區某風電公司應用本系統進行了2 次針對風電機組組成和控制原理的培訓，參加人員共53 人（新入職人員22 人，初級技術人員31 人），其中40 人未經過專業培訓。培訓考試平均分數為82 分，而傳統課堂培訓的2 年平均分數為68.5 分。這表明相對于傳統課堂，通過本系統學習能有效提高技術人員的技能水平。

二、風電機組故障處理

在風電機組已出質保的內蒙古自治區某風電公司應用本系統進行故障排查支持工作。應用本系統處理故障76 次，其中高級技術人員應用21 次，初級技術人員應用54 次，參與人數12 人。統計現場故障處理情況發現，故障點分析沒有遺漏，精準度達到100%，故障點排查覆蓋率達89%；初級技術人員平均故障處理時間減少32%，高級技術人員平均故障處理時間減少19%。試用結果表明，通過本系統進行故障排查工作能有效提高現場技術人員的工作效率，減少機組停機時間。

結語

針對當前風電運維工作中高級技術人員短缺以及風電場對集約化管理的需求，本文提出了基于WebGL 技術和HT 引擎框架開發、用于風電運維人員培訓和實際工作的風電運維可視化支持系統。本系統通過在瀏覽器端對風電機組以及各子系統的實際運行數據進行3D 仿真模擬，使資料和數據的展示更加真實、立體，為風電運維集約化、運維技術標準化和技術傳承提供支撐。