虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用

王小坡 ，董 泽 ，白国梁 ，张 悦 ，腾 聪

（1.河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北 保定 071003；2.国家电投东北电力有限公司抚顺热电分厂，辽宁 抚顺 113006）

0 引言

目前，我国风力发电盛风期大概有半年时间，期间所产生的电能大概占全年的75%，风的有无受自然条件的限制，因此，在盛风期降低风力发电机组故障率十分重要，降低风力发电机组故障率将带来十分可观的经济效益。一般情况，由于设计零件之间的协调性、严厉的自然环境等因素的影响，会使得风力发电机组运行故障率提高。

传统风力发电机组设备检修中，一般检修人员都是去实际的现场分析故障原因，风力发电设备所处的自然环境比较偏僻，检修训练效率低、过程繁杂、质量不高，并且不容易掌握整个风力发电机组的整体结构，风力发电机组检修培训质量会下降，虚拟检修技术能够很好地解决上述问题。虚拟检修技术能够模拟实物拆卸和装配过程的行为，并且可按照实际现场绘出零件模型。通过虚拟现实技术，风力发电检修人员能够在虚拟环境中观察风力发电机组零部件的拆卸和装配过程。虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用可以真实、直观、深层次、多角度再现风力发电机组检修工艺，从而使训练人员能够快速掌握风力发电机组检修的工艺。

三维虚拟现实技术将风力发电机组检修环节可视化，即将现实中的风力发电机组零件进行动画拆装和文字提示相结合，采用计算机技术对真实现场检修环节和现场环境进行虚拟展现，给受训人员创造出三维立体的环境，使受训人员能够在虚拟世界中更加真实地进行风机检修，使得检修的流程更加形象生动。使得受训人员能够更加清晰地了解风力发电机组零件结构、拆装顺序和拆装工艺。有助于受训人员更好更快地掌握风力发电机组检修知识和操作工艺，提高了检修工作效率。

虚拟检修技术主要功能特点：1）满足检修教学要求，拥有转向架三级修相关的风机故障情况和检修工艺；2）风机模型、模型动画、文字标识等信息对风机检修工艺做出全面直观的演示；3）风机检修模块除了自动播放检修整个过程，还能够在虚拟环境中更加真实地演示风机零件的检修顺序以及文字说明，使用键盘鼠标完成风机零件的拆装、旋转等操作；4）通过检修培训系统能够实现对学员操作检修过程的监控，能够记录检修的操作过程，实现对受训人员的检修结果评价。

1 系统框架

软件功能框如图1所示。虚拟现实技术在风力发电机组检修中应用主要包含3个模块：虚拟拆装仿真环境模块、仿真培训模块和在线考试模块。

虚拟拆装仿真环境模块。运用3Ds Max软件精细地创建风力发电机组场景和风机零件模型。3Ds Max能够在Windows系统中运行，实现风力发电机组动画的制作，通过该软件能够进行风力发电机组场景构建、风机模型构建、拆装工艺制作。运用反距离权重差值算法将三维实体模型数据转变成三维空间虚拟场景的数据。

仿真培训模块。基于Unity 3D引擎使得风力发电机组模型动画和文字相匹配，该引擎会生成文件*.vrch。能够实现动画过程演示、拆装文字演示和拆装动作操作，能够很好地实现风力发电设备虚拟检修培训任务。检修人员通过该平台，无需进入现场就能实现对风力发电机组虚拟检修。

图1 软件功能框图

2 关键技术和实现

2.1 三维模型数据及差值算法

图2 三维空间模型元素

三维模型数据结构。虚拟现实技术将现场风力发电机组零件进行抽象虚拟模型化的同时，还要保证虚拟模型数据相对准确。虚拟模型可以由4类基本元素表示：点、线、面、体，如图2所示。点结构是作为三维空间最基本的表示形式，点可以表示多种三维场景的事物，例如，可以表示出风机某轴承的旋转中心点位置、接触传动轴之间中心位置偏差等；线结构可以表达出风机模型的边界特征，三维场景中线的长度、方向、倾斜角都是它的特性，可以表现出风机模型的边缘、运动的轨迹等；面结构可以很好地表达出风机模型的面特征，三维模型零件的面距离地面的高低、平面的倾斜程度、相邻两个面的距离等，面结构也能够表示出三维模型的规则物体和不规则的物体，也可以表示出复杂的三维场景；体作为三维场景中最根本的元素，模型的点、线、面都是组成体的元素，它包含三维模型的所有属性。

反距离权重差值算法。运用3Ds Max软件针对风力发电机组进行空间三维建模，再通过虚拟格式转换工具将其转变成三维虚拟模型的各个数据，就可以获得三维模型的点、线、面、轴心位置以及各三维零件之间的相对位置等信息。此时必须使用合适的空间差值方法，将三维实体模型数据转变成三维空间虚拟场景的数据。选择反距离权重差值算法，该差值算法易于理解，原理是计算待求点周围的各个样品点的测量值进行加权平均来求值，具体关系：

式中：Mi为控制点i的加权平均测量值；Mz为点z的估计值；di为控制点i与点z的间距大小；N为估算中用的控制点数目；r为指定点的幂数，r取值2。

图3定义了6个顶点，m1～m6分别代表了三维实体零件6个数据，风机模型复杂程度低一些，最常用的r=2的距离的平方反比算法，确定出平面上的定点z，对应虚拟现实系统中的部件模型。

图3 反距离权重差值算法实例

2.2 三维建模技术

三维建模技术就是创造一个虚拟风力发电的环境，要对风电设备实际现场的环境了解，采集现场外围环境、内部零件的参数、内部结构、型号、运行时的数据和装配位置。三维建模的软件有很多，本系统使用的软件是3Ds Max，能够更加轻松地实现对风机设备零件建模，虚拟世界中每个零件尽可能真实地还原现场的设备信息，零件建模质量的高低最能决定受训人员在虚拟环境下真实度，从而创造出更加真实的检修环境，使受训人员能够有身临其境的感觉，图4所示为风机的主轴部分。目前，系统的建模技术部分采用的是三维扫描技术，通过该技术能够得到粗略的构建风机零件模型，再通过后期处理加工完善风机模型。

图4 风机主轴

三维建模技术能够精确地实现风机发电设备的虚拟再现，在虚拟世界中，能够非常逼真地营造出虚拟检修环境，使人身临其境，随着近些年三维建模技术的日益成熟，在虚拟世界中能够更加真实地反应出模型的光线、色彩、形状、坐标等信息。

2.3 虚拟装配动画制作方案

三维动画制作常用软件有Maya和3Ds Max。Maya能够实现动画、建模、渲染等功能，受到了很多人的喜爱。3Ds Max软件能够基于Widows系统专门针对制作动画的软件，在虚拟的三维场景中制作出逼真的3D动画，电脑图像与动画制作多采用3Ds Max软件，在发电、影视等领域应用广泛。3Ds Max作为该系统的设计软件，主要由于3Ds Max入手相对容易，操作者不用掌握复杂的计算机绘图能力。该软件操作起来十分方便，能够使操作人员尽快投入到系统开发，同时3Ds Max的渲染效果好、渲染速度快、软件运行环境要求低，同时自带的插件也表现很好。

风力发电机组由于地处位置比较偏僻，一般检修培训需要去现场进行，成本较大。虚拟现实风机设备检修很好地解决了这个问题。完成整个虚拟检修的过程，首先要制作风力发电机组零件动画，根据实际现场需求，制作了拆装的动画，很好地实现了虚拟现实设备检修。

从而实现虚拟现实的拆装检修，拆装检修动画如图5所示。

图5 拆装动画

2.4 Unity 3D引擎动画封装

Unity 3D是非常受欢迎的虚拟平台，Unity3D主要包括编辑器和游戏引擎。该引擎在游戏制作中经常使用。例如手枪包括形状、威力参数、声音等都可以通过这个平台得以表现。该引擎支持C#，和JavaScript脚本编程。另一个部分是Unity 3D编辑器，配置了多种语言脚本编辑器。

基于Unity3D开发平台能够实现对拆解步骤文字的添加，风力发电机组虚拟检修拆装需要文字说明，文字说明使受训人员能够根据正确的检修步骤，完成风力发电机组的检修过程。平台实现对动画和文字的整合，平台如图6所示，将3Ds Max中创建的风力发电机组模型及动画导出为对应FBX文件，然后导入到创建的平台中，首先新建场景，载入风力发电机组的FBX文件，然后载入场景，风力发电机组的模型就导入了平台中，如图7所示，此时，可以通过该平台实现对动画和文字的匹配。最后实现对于动画和文字的组合，选择对应的风力发电机组零件，会弹出对应的文字提示，如图8所示。

图6 检修平台

图7 模型导入平台

图8 动画文字结合

3 结语

将虚拟现实技术运用到风力发电机组检修中，通过虚拟现实技术将风力发电机组进行在线模拟，构建逼真的风机检修培训环境，使得受训人员在不进入现场的情况下，依然能够了解风力发电机组的所有零件结构，能够实时地进行风机的拆装检修操作，同时能够在线学习各个零件自动拆装，从而实现了风力发电机组虚拟检修的在线实操培训。使得受训人员能够更好地掌握风机检修知识，达到很好的风机检修培训效果。