基于虚拟现实技术的水轮发电机组运行仿真

2016-03-23何新颖肖志怀武汉大学武汉43007湖北宣恩洞坪水电有限责任公司湖北恩施445500

中国农村水利水电 2016年1期

何新颖，乐毅，陈洪，肖志怀(.武汉大学，武汉 43007；.湖北宣恩洞坪水电有限责任公司，湖北恩施 445500)

0 引言

我国水轮发电机组正在向着大容量、高水头、高比转速、自动化程度高等方面发展，水轮发电机组中主要机电设备的技术水平也得到迅速发展。水轮发电机组及其辅助设备的控制系统、状态监测系统等基本实现了自动化和信息化，机组开停机与增减负荷等操作实现了计算机远程控制，自动化程度越来越高[1]。正因为自动化程度的不断提高，导致了相关专业学生和电厂工作人员的学习培训难度不断加大。传统的现场培训方式，不仅费时费力，而且效果也不显著。首先，水电站建筑、设备繁杂，有些设备根本无法进行现场观摩和学习；其次，在重要而复杂的技术操作上，学员往往很长时间内都没有机会实时演练，尤其在电网中承担重要负荷任务的大型电厂，不可能因为学员的学习和培训而进行开、停机等直接影响电力系统稳定和电厂经济效益的操作。因此,高质量、便捷实用的虚拟仿真培训系统成为水电厂现代化管理的一个必要内容[2]。

3Ds Max是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，它集建模、材质、灯光、渲染、动画、输出于一体[3]。3Ds Max具有快速实时、操作灵活、易学易用等优点，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计以及工程可视化等领域。VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件[4]。VRP拥有强大的功能[5]：具有碰撞功能，交互性好，场景逼真；可以利用各种相机，对场景设备进行全方位的观察；既可以打包生成独立的可执行文件，又可以挂在网页上供用户远程使用。

水轮发电机组运行仿真系统使用3Ds Max和VRP进行开发设计。系统结合水电站培训中所遇到的诸多问题，对水电站三维虚拟交互场景进行了全面的分析和研究。通过前期实景取材、3ds Max物理建模与动画制作、VRP交互功能设计和数据库设计，最终完成了水轮发电机组运行仿真系统的制作。本仿真培训系统以水电站三维虚拟仿真模型为基础，设计了丰富的交互功能，能让用户在虚拟场景中进行漫游浏览、设备认知、设备操作和运行仿真培训，实现了水电站培训的相关功能。

1 仿真培训系统设计流程

建立水电站虚拟仿真培训系统，首先要建立水电站模型。以水电站仿真模型为基础，对水电站主要设备进行介绍，让学员对水电站各主要设备有个全面的认识。然后，对水电站进行开停机运行仿真，模拟开停机过程，仿真开停机操作，用动画模拟开停机过程中水力机组及相关设备的动作。最后，针对培训内容进行考核，用户信息和考核成绩都存在MySQL数据库中。建立仿真培训系统的具体过程如下。

(1)通过3DsMAX软件，将水电厂厂区建筑、道路、绿化及相关设施，和水电厂中控室、水力机组车间和水轮机开停机相关的关键设备，进行三维建模。结合水轮机开停机标准流程及操作，制作相应的三维动画。

(2)将制作完成的三维模型及动画导入到VRP软件，进行人机交互内容开发。在仿真平台VRP添加各种控件，包括按钮、导航图、图片等，通过调取VRP脚本编辑功能，实现软件所需的各种人机交互操作。

(3)利用已有的水轮机组开停机信息数据，关联到虚拟场景中的对应模型，模拟真实的水轮机组操作过程的状态表现。利用数据库存储开停机信息数据，设置相应触发控件或操作，完成水轮发电机组的开停机仿真。VRP软件自带与各种常用数据库的关联，可以方便地与数据库相连。

(4)通过服务器技术构建基于B/S结构的三维仿真培训信息系统。利用C#构建信息系统的后台，主要涉及各种数据的存储、删除和管理数据传输等，记录学员的操作过程，实现软件后台考核功能。

仿真培训系统基于B/S结构[6]开发，适用于远程教学。学员通过登录网页，点击水电站仿真培训系统链接，下载安装相应插件，就可以在线进行培训和考核。仿真培训的结构如图1所示。

图1 仿真培训系统结构Fig.1 Structure of simulation training system

2 仿真培训系统功能

基于虚拟现实技术的水轮机组运行仿真结合实际电站，建立电站的水轮发电机组、调速器、励磁系统、蝶阀、辅助系统、大坝、厂房等模型，对机组的开停机运行进行仿真，模拟机组开停机过程中电站各设备的开闭运行状态，并对电站设备手动操作进行仿真培训。

2.1 场景漫游仿真

场景漫游对水电站场景进行自动浏览或自主浏览。厂房外部包括大坝和周边环境用飞行相机进行漫游，厂房内部包括发电机层、水轮机层、蝶阀层和地下隧道用行走相机进行漫游。通过漫游，学员熟悉了水电站各设备在电站中的位置。这对学员是非常重要的，尤其是对电站巡检人员准确快速找到巡检设备十分有用。场景漫游界面还设置了导航图，导航图可以显示漫游人员所处的位置和行进的方向，起到了小地图的功能。图2为厂房外场景漫游，图3为厂房内场景漫游。

图2 厂房外场景漫游Fig.2 Scene roaming outside the plant

图3 厂房内场景漫游Fig.3 Scene roaming inside the plant

2.2 设备认知培训

水轮发电机组运行仿真系统设备的认知功能对水电站主要设备进行全面介绍，让学员全面了解水电站设备。学员通过点击所要认知的设备，系统加载相应的设备信息。设备信息包括设备台账、主要参数、主要部件和设备功能，如图4所示。水电站中一些设备属于埋入设备如尾水管、蜗壳等，还有一些设备在其他设备内部如转轮等，这些都不方便学员学习和认知其结构。因此，仿真系统设置快捷传送功能，学员通过此功能直接查看所要认知的设备，将其他设备隐藏或透明化，从而方便观察设备的结构。

图4 设备认知Fig.4 Device cognition

2.3 设备操作仿真培训

设备操作仿真培训对水电站关键设备进行手动操作培训。水电站自动化程度很高，员工和学员很少有机会对设备进行手动操作，仿真培训系统提供了手动操作练习的机会。这可以极大提高水电站工作人员的能力，保证了即便由于突发情况导致自动控制失灵，水电站工作人员也能手动进行设备操作。进行设备操作仿真培训时，学员按照提示进行相应设备的操作，掌握设备的操作步骤，如图6所示。

2.4 运行仿真培训

开停机是水电站运行的关键，对水电站进行开停机运行仿真培训十分必要。现在水电站一般都是一键开停机，运行人员很少有机会了解设备在开停机过程中的动作。运行仿真培训仿真水电站真实开停机过程，并对开停机过程中各设备动作进行三维动画模拟。学员通过运行仿真培训，可以掌握水电站开停机操作，熟悉电站各设备在开停机过程中的动作和作用。图5为运行仿真界面，运行到各节点自动切换到相应设备三维场景。

图5 开机仿真界面Fig.5 Simulation interface of unit start-up

图6 仿真培训系统用户结构Fig.6 User structure of simulation training system

2.5 成绩考核

水轮发电机组运行仿真系统用户分为管理员、学生和游客3种。管理员拥有最高权限，可以管理用户的添加、删除，还可以查看用户考核成绩。学生可以进行全部培训和考核，游客只可以进行培训而不能进行考核。水轮发电机组运行仿真系统结构如图所示。考核分为两部分，一是对设备认知的考核，一是对设备操作的考核。设备认知考核(如图7所示)以电站主要设备为考核内容，让学员找到所指定的设备。设备认知考核满分为100，学员答对一题则获得相应的分数，答错则不得分。设备操作考核(如图8所示)考核学员操作设备，要求学生进行某种操作。学生找到相应设备进行正确操作才可以得分。