虚拟现实技术在天然气分布式能源系统的应用

张 曦， 郝寅龙， 孔茹权， 余晓明

(1.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术重点实验室，浙江杭州311121；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江杭州311121；3.中国建筑设计研究院有限公司，北京100037；4.杭州星越软件科技有限公司，浙江杭州310011；5.杭州城市能源有限公司，浙江杭州310004)

1 概述

目前，天然气分布式能源系统的发展不仅面临电力行业的壁垒，还面临高气价的经济环境，以及社会认知度不足的窘境。与突破行业壁垒及高气价的经济环境相比，提高天然气分布式能源系统的社会认知度更具有操作性。本文将虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)应用于天然气分布式能源系统的宣传，从而提高社会认知度。

2 虚拟现实技术特点

虚拟现实技术是以沉浸性、交互性和多感知性为基本特征的计算机高级人机界面。综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟环境中，并能够通过语言、手势等自然方式实现实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间[1]。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，还能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验[2]。

3 三维模型搭建

环境建模主要是虚拟场景的构建，也是虚拟现实系统的一项关键步骤。在构建虚拟场景时，对场景的三维建模工作是首先要完成的。

天然气分布式能源系统的三维模型采用三维建模软件3DMAX构建。模型与现实场景比例为1∶1，保证模型的真实度与严谨性。

3.1 资料收集

在建模初期，对项目进行资料收集和现场考察。资料收集内容主要有能源站平面布置图、管线布置图等相关设计施工图纸、主要设备的样本及供货商提供的参考材料、能源站运行情况和技改情况、周围环境情况等。现场着重考察能源站内的设备及构造，并拍照或摄像记录局部细节和相关参数。

3.2 三维模型搭建流程

①根据收集的资料及现场考察记录的内容，以1∶1比例制作简易模型，勾勒整体大致外形。②丰富三维模型细节，根据相关参数进行简易模型的完善。③对实地考察收集的纹理进行修改、美化，并制作成纹理贴图。④将纹理贴图赋予模型，并将相应模型进行结合，组成最终完整场景，并对场景添加灯光效果。⑤进行后期制作(动画、程序等)，完成三维模型搭建。

3.3 要求

① 效果要求。三维模型应遵照资料和设计要求以及现场照片，纹理贴图清晰。能够充分反映现实物体的主要结构以及主要细节及质感，整体感强。

② 材质和贴图要求。不能在3DMAX材质编辑器中对贴图进行裁切，不能使用Tiling选项。纹理贴图的格式采用*.tga文件格式。若需要眩光效果，须进行眩光效果处理。

③ 制作要求。a.制作范围内的设备一定要与照片相符，应能够准确地表现设备的特征。b.导入设备的*.dwg文件时，应将各图层进行冻结，以保证线条位置不发生偏移。c.保持三维模型中物体的编辑使用Edit Mesh或Edit Poly方式，特殊情况可使用Surface建模，NURBS建模方式基本上不使用。d.三维建模中应避免出现共面(两面距离小于0.3 m即为共面)，不应出现闪面、漏面情况。e.三维模型完成后要清除未使用的材质与贴图。

4 应用案例

4.1 项目概况

杭州市燃气集团有限公司七堡抢修营业基地是一座综合性办公建筑，为提高能源综合利用率，该办公建筑采用天然气分布式能源系统供能。能源站采用4台额定发电功率为65 kW的微型燃气轮机，1台额定制冷量为872 kW的烟气-直燃型溴化锂吸收式冷水机组。能源站外景见图1。

为了展现天然气分布式能源系统绿色、高效、安全、节能的特点，有效实现天然气分布式能源系统的宣传及推广、行业层面的交流合作、用户层面的科学普及，在能源站休息区搭建现场参观区，在办公建筑内设置虚拟现实体验区。

图1 能源站外景

4.2 现场参观

出于安全考虑，微型燃气轮机机房、烟气-直燃型溴化锂吸收式冷水机组机房和控制室等是不对外开放的，体验者仅能通过现场讲解和图文宣传材料了解项目情况。

4.3 虚拟现实体验

① 设备配置

基于三维模型，通过Unity3D交互引擎以及C语言编写交互功能应用程序，最终形成以场景漫游体验、设备动态展示、数据实时展示等功能为主体的虚拟现实互动体验系统。

利用高性能台式计算机(硬件满足VR头戴式设备的要求，采用Windows操作系统)及VR头戴式设备实现虚拟现实体验，主要包括场景漫游体验、设备动态展示、数据实时展示。

目前，市场上主流VR头戴式设备主要有Oculus Rift、PlayStation VR、HTC Vive等，硬件设计上比较相似。3款产品均集成了头部运动追踪、位置追踪系统，其中Oculus Rift、PlayStation VR使用单个动作感应摄像头来识别用户运动，需要将动作感应摄像头放置在用户正前方。而HTC Vive在头戴式显示器上集成多达37个LED传感器，能够与安装在房间中的两个定位器构成1个最大尺寸为4.5 m×4.5 m的动作捕捉区域，在这个区域内用户可以自由活动。综合比较3种VR头戴式设备性能后，我们选用了HTC Vive的VR头戴式设备(外形见图2)，包括1个头戴式显示器、2只操控手柄及2个定位器。

图2 HTC Vive的VR头戴式设备外形

② 主要功能

a.场景漫游体验

通过佩戴VR头戴式设备，体验者以第一人称视角进入能源站虚拟现实环境中，当体验者在现实中转动头部或移动身体时，虚拟环境中画面也会随着变化。通过控制操控手柄按键，可实现人体的前后虚拟移动，使体验者有身临其境的感觉。场景漫游体验过程中体验者视觉界面见图3，图3中左下角为能源站平面图及体验者当前所处位置。

图3 场景漫游体验过程中体验者视觉界面

b.设备动态展示

通过佩戴VR头戴式设备，体验者在场景漫游体验过程中，通过控制操控手柄实现设备展示框查看。展示框中以图片、文字及语音等形式体现设备的基础参数信息、相关操作规范等。根据设备复杂程度，实现了部分设备透视、内部结构动态拆分，帮助体验者了解设备结构。

c.数据实时展示

利用Unity3D编程技术将获取数据信息匹配至三维虚拟目标物件上，在场景漫游过程中，体验者通过控制操控手柄打开数据展示窗口，查询实时数据(主要包含发电量、减排量、安全运行时间等)。

③ 其他功能

除了上述功能外，虚拟现实体验区还实现游戏互动、知识问答等功能。游戏以环保类主题的趣味游戏为主，分为VR游戏和平面游戏两类，分别由VR头戴式设备、交互式触摸一体机(外观见图4)实现。VR游戏是采用在能源站虚拟环境中布置游戏

入口，体验者通过控制操控手柄进入游戏场景。平面游戏和知识问答则是体验者通过手指触碰交互式触摸一体机展现的界面，实现游戏互动和知识问答。

图4 交互式触摸一体机

4.4 效果

现场参观与虚拟现实体验相结合，使体验者不仅停留在想象层面，还在多维空间中实现了天然气分布式能源系统的设备工作原理和技术特点的了解和体验，从而加深感官感受和认知深度，让天然气分布式能源系统的立体形象深入人心。

现场参观区、虚拟现实体验区于2017年7月正式对外开放，截至2018年12月底，共开展56次体验活动，接待政府机关、社会团体、新闻媒体、行业专家、市民等1 870人次，受到一致好评。

5 结语

虚拟现实技术在天然气分布式能源系统的应用是一种崭新的宣传方式，以沉浸性、交互性和多感知性的表现手段，提升体验者的体验感和参与度，生动地宣传了天然气分布式能源系统安全高效、清洁环保等特点。此外，在天然气分布式能源系统培训与运维方面，提供了便捷可视化教具，场景可反复使用，不存在损耗，有助于提升工作效率和降低培训及运维成本。