基于虚拟现实技术的火力发电厂仿真系统的开发

王晓亮 宋东辉 王晓光

【摘要】本文应用虚拟现实技术进行搭建火力发电厂热力设备的三维模型，对火力发电厂各设备及相对空间信息做可视化的处理，使得用户有很好的与系统进行交互并沉浸在系统当中，使得用户能够更好地掌控各种设备的运行状态。本文针对目前电厂对学生对电厂设备操作的要求，设计开发了一套仿真软件来辅助教学。

【关键词】虚拟现实 Unity3D 交互

【Abstract】In this paper， the virtual reality technology is used to build the three-dimensional model of thermal power plant. Visualization of the processing equipment of thermal power plant and the relative spatial information， which makes the users have a good interaction and immersion in the system and operation system， enables the users to better handle all kinds of equipment. In this paper， a set of simulation software is designed to help the students to operate the power plant.

【Key words】virtual reality； Unity3D； interaction

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）14-0223-01

电力是国民经济一个十分重要的分支，电厂的建设规划、设计运行和管理是一个十分复杂的过程，随着火力发电厂的机组越来越大，各种设备的操作越来越为复杂，安全性要求也越来越高，针对这种情况，必须对电力院校的仿真实习进行进一步改革，本文开发设计一套基于虚拟现实的仿真系统，并将其应用到学生的培训教学当中，使得学生能够更好地体会电厂的环境，更正确的理解和操作电厂的各种热力设备。

1.虚拟现实技术

虚拟现实技术结合了图像处理技术、人工智能技术、多媒体技术、传感器技术、计算机网络技术、数据并行处理等多个技术最新发展的成果。这些技术可以通过现场各种热力设备上的传感器检测数据与人机界面进行交互，形成真实性很强的网络虚拟环境。虚拟技术预示着一次技术大革命，各个行业都在尝试着应用虚拟现实技术进行一场技术的革新，例如工业设计、医学实验、军事航天、室内设计、房产开发、工业仿真、教育培训等多方面都有着很好的应用[1]。

本文将虚拟现实应用到电力仿真培训当中，虚拟现实是教育技术的一个重要飞跃，虚拟技术建立了一种虚拟现实的学习环境，改变了传统的教与学的学习方式，通过虚拟现实环境进行自主学习，尤其在电力行业的培训当中，安全性是电力生产的重中之重，通过虚拟现实技术可以使得被培训人员可以大胆地进行各种演练，从而能够很全面的掌握各种生产状况，这样可以更好的提升培训人员的技能，减少以后实际运行操作当中的安全问题。

2.虚拟现实系统的搭建

虚拟现实系统的建立包括三个步骤：模型的创建，场景的搭建、交互实现。

（1）复杂电力设备的几何建模。大多数电力设备的外形都不规则，结构相对复杂，因此选用3DSMAX的高级建模技术，实现电厂设备复杂模型的构建[2]。下面以磨煤机为例简单介绍其建模方法。使用标准基本体中的长方体和圆柱体分别创建磨煤机的架体、联轴器、磨盘、分接开关、拉杆机构等，使用布尔运算对这些部件分别进行切割或嵌入，调整它们的大小，最后将所有部件组合形成磨煤机，在场景中的效果如图1所示。

（2）场景搭建。本系统用目前热门的Unity3D作为平台，把做好的各种设备模型以及房子，树木等按现实的比例、距离集成到unity场景中，导入天空盒子，调整光线的配合，让场景看起来近似真实的情景，为了显示在屏幕上，还得添加摄像机，作为要引入的电厂工人的眼睛[3]。当人物移动及操作设备的时候，摄像机会把场景中的模型进行渲染计算，展现在屏幕上。

（3）交互实现。Unity3D平台的交互需要事件系统，即Event System组件，其主要负责处理输入、射线投射以及发送事件。一个场景中只能有一个Event System组件，并且需要Base Input Module这个组件才能工作。Base Input Module是一个基类模块，它主要用来发送输入事件（点击、拖拽、选中等）到具体对象。Event System下的所有输入都继承自Base Input Module组件。总的来说，Event System负责管理，Base Input Module负责输入，Base Raycaster负责确定目标对象，这样就可以实现和场景中的目标对象进行相应的交互。

3.漫游功能的实现

本文以漫游模块的实现为例，介绍虚拟现实技术的应用。虚拟漫游系统是一个集视、听、触觉一体化的逼真的虚拟环境，用户借助必要的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游，可从任意角度对环境中的虚拟对象进行观察和浏览，同时可以与其中的物体进行交互并能对它们进行操作[4]。合理的漫游浏览方式可使观察者直观方便地获取所需信息。常用的漫游方式包括导航浏览、自主浏览和定点浏览3种。如图2所示，可以选择相应的浏览方式。导航浏览是指观察者在预先设定的自动导航器的引导下，沿着事先确定的路线和角度漫游虚拟场景。自主浏览由浏览者选用合适的浏览方式，通过切换视角，可以选择第一视角或第三视角。定点浏览通过对重要视点的预先设置，引导观察者快速定位到感兴趣的视点位置。

4.多人拆装交互

本文可以单人去拆装某一设备，体验设备拆装顺序，如有錯误，有提示或正确顺序演示等自学习功能，也可多人网络在线，共同去拆装检修同一设备，更具有灵活性，适应电厂需要协作的需求。

5.结语

虚拟电厂为电力系统的培训工作提供了一种安全、逼真、互动的培训方式。操作人员可以方便地拥有与在电力系统实地类似的学习空间，基本达到在现场的学习效果。随着处理器和网络性能等方面技术的发展，相信可以真正实现虚拟环境下的实时交互。

参考文献：

[1]李少华，张庆喆，车德勇，王虎.基于火电站汽轮机标准化安装过程的动态仿真研究[J]. 汽轮机技术. 2013（04）

[2]游大宁，王顺浦，李图强，张林峰，王明松.基于虚拟现实的电力设备监控系统设计与实现[J]. 山东电力技术. 2014（04）

[3]田丰. 基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[J]. 电子世界. 2015（15）

[4]2016年《计算机科学》“Web智能与虚拟现实技术”专辑征文[J]. 计算机科学. 2016（02）