虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)電行業(yè)安全培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

周渝 蒲大森 馮旭東

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域且取得良好效果。本文以基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)電廠VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為例，重點(diǎn)介紹在現(xiàn)有技術(shù)和HTCvivi眼鏡設(shè)備基礎(chǔ)上，建立一個(gè)基于PC機(jī)的風(fēng)電廠VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);利用3DS MAX 建立三維模型并導(dǎo)入unity實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景控制與交互技術(shù)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬培訓(xùn);VR技術(shù);安全培訓(xùn);三維模型

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末90年代初崛起的一種新型實(shí)用技術(shù)。被稱為是進(jìn)入另一個(gè)世界的新工具，是創(chuàng)造巨大財(cái)富的產(chǎn)業(yè)[1]。本課題希望在現(xiàn)有技術(shù)和HTCvivi眼鏡設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)基于PC機(jī)的風(fēng)電廠VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);利用3DS MAX 建立三維模型并導(dǎo)入到unity實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景控制與交互技術(shù)，從而在風(fēng)電廠安全培訓(xùn)和運(yùn)檢實(shí)操培訓(xùn)中進(jìn)行培訓(xùn)的應(yīng)用與研究。

1風(fēng)電廠VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1.1 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的概念

所謂虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行教育培訓(xùn)的虛擬環(huán)境，可是某一現(xiàn)實(shí)世界培訓(xùn)基地或設(shè)施的真實(shí)實(shí)現(xiàn)，也可是虛擬構(gòu)想成的世界。

1.2 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的特征

（1）仿真性

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，虛擬與真正的培訓(xùn)設(shè)施功能相同，操作方法一樣。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使受訓(xùn)者難以分辨真假的程度。

（2）超時(shí)空性

虛擬培訓(xùn)環(huán)境能夠?qū)⑦^去、現(xiàn)在、未來世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨(dú)呈現(xiàn)或進(jìn)行有機(jī)組合，并可隨時(shí)隨地提供給學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)。

1.3 風(fēng)電廠VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

該系統(tǒng)主要利用三維建模軟件3DSMAX構(gòu)建風(fēng)電廠升壓站和風(fēng)機(jī)塔筒的相關(guān)模型，利用unity調(diào)用3DSMAX模型實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景控制，使員工“真實(shí)”操作，掌握工作流程以及風(fēng)電廠中易發(fā)生的火災(zāi)等事故的體驗(yàn)與應(yīng)急處置操作。

（2）系統(tǒng)的功能

1）實(shí)操培訓(xùn)

操作技能培訓(xùn)主要針對(duì)的是高級(jí)培訓(xùn)學(xué)員和一線檢修人員，利用人機(jī)交互，結(jié)合HTCVIVI眼鏡套裝設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)行模擬檢修操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了能夠自動(dòng)播放整個(gè)檢修過程外，還能夠在虛擬的環(huán)境下演示正確的檢修順序，并以文字說明的方式更加規(guī)范的完成零部件拆裝等操作[2]。

2）虛擬體驗(yàn)

主要模擬風(fēng)電廠中容易發(fā)生的火災(zāi)與跳塔逃生、高墜等事故的體驗(yàn)與應(yīng)急處置。讓學(xué)員在相對(duì)安全的虛擬環(huán)境中體驗(yàn)事故的發(fā)生從而達(dá)到警示教育的目的。

（3）系統(tǒng)使用的軟、硬件平臺(tái)

1）三維建模軟件3DS MAX

3DS MAX是一個(gè)功能強(qiáng)大的三維建模軟件，與其他虛擬現(xiàn)實(shí)建模軟件相比它具有建模技術(shù)強(qiáng)、 方法多等特點(diǎn)。

2）unity引擎

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。

3）HTC VIVI眼鏡

HTC Vive是由HTC與Valve聯(lián)合開發(fā)的一款VR虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔產(chǎn)品。 有Valve的SteamVR提供的技術(shù)支持， 因此在Steam平臺(tái)上已經(jīng)可以體驗(yàn)利用Vive功能的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。

（4）關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)的研究

1）三維模型差值算法

運(yùn)用3DsMax軟件針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行空間三維建模，使用空間差值方法，將三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成三維空間虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)。選擇反距離權(quán)重差值算法，具體關(guān)系：

圖1：Mi為控制點(diǎn)i的加權(quán)平均測(cè)量值;Mz為點(diǎn)z的估計(jì)值;di為控制點(diǎn)i與點(diǎn)z的間距大小;N為估算中用的控制點(diǎn)數(shù)目;r為指定點(diǎn)的冪數(shù)，r取值2。

圖2：定義了6個(gè)頂點(diǎn)，m1-m6分別代表了三維實(shí)體零件6個(gè)數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)模型復(fù)雜程度低一些，最常用的r=2的距離的平方反比算法，確定出平面上的定點(diǎn)z，對(duì)應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的部件模型。

圖1 各個(gè)樣品點(diǎn)的具體關(guān)系 ? 圖2 反距離權(quán)重差值算法實(shí)例

2）三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)就是創(chuàng)造一個(gè)虛擬風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境，要對(duì)風(fēng)電設(shè)備實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境了解，采集現(xiàn)場(chǎng)外圍環(huán)境、型號(hào)、運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和裝配位置[3]。

2結(jié)束語

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)整個(gè)風(fēng)電廠進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景還原重建，使受訓(xùn)人員不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行風(fēng)機(jī)箱變及升壓站開關(guān)柜的檢修，同時(shí)能夠體驗(yàn)在作業(yè)中遇到的各種事故，學(xué)習(xí)各種應(yīng)急措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡慶夕，蘇建明，張續(xù)紅.聚焦虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J].機(jī)電一體化，2002 （6）：6-11.

[2] 王佳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬檢修系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江科技，2019（2）：114-115.

[3] 劉子韜.基于Virtools的水輪機(jī)虛擬檢修系統(tǒng)[J].水力能源科學(xué)， 2017（25）：203-204.

作者簡(jiǎn)介

周渝（1982-），男;學(xué)歷：大專，職稱：高級(jí)技術(shù)工程師，現(xiàn)就職單位：重慶市科源能源技術(shù)發(fā)展有限公司，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域。