基于VR及三维数字化技术的火电厂锅炉设备管理平台研发和应用

2020-03-25常毅君蒋金忠张旭东郭志清杨永红邢一阳

仪器仪表用户 2020年3期

常毅君，蒋金忠，张旭东，郭志清，熊伟，杨永红，雷鹏，邢一阳

（华能玉环电厂，浙江玉环 317604）

中国火力发电机组经过前些年的跨越式发展，已经发展成为世界最大装机容量的国家之一。近些年随着人工智能、工业互联网、虚拟仿真、大数据等新兴技术的迅猛发展，传统的火力发电行业如何利用新技术革命实现智慧化改造和产业升级，提高安全生产水平和经济效益，已经成为火电行业亟需解决的重要课题。

1 概况

图1 系统框架Fig.1 System framework

国内某超超临界百万等级机组的电厂组织相关单位，经过两年多的研发，结合虚拟仿真技术、计算机图形学、大数据、互联网等技术研发了超超临界1000MW 锅炉VR和三维数字化管理平台。该平台以KKS 编码为基本图元，以真实尺寸为基准比例，构建1000MW 超超临界火电机组锅炉本体和辅机的数字模型。在VR 环境和桌面级三维仿真环境下，分别实现了设备零部件和相关数据的管理、浏览、定位、跟踪、缩放、解剖等多项功能。设备三维故障分析、检修辅助策划、三维台账管理、沉浸式技术培训等已在日常生产中得到广泛应用。

2 研发目标和策略

作为仿真技术的重要方向之一，VR 技术和三维数字化技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。该平台包括桌面级三维数字化系统和VR 系统两大部分。两个系统真实地模拟还原了锅炉本体和辅机的各种零部件、立体结构和系统联接，按照零件、部件、组件3 个层级对各设备进行数字化建模，通过在线、离线、二维、三维的不同类型数据的有机结合，在三维中实现了对失效部位和隐患部件进行浏览、定位、缩放、统计、分析和管理等实用功能，实现了立体结构、检修拆装、运行原理的三维动态仿真与VR 模拟。同时，在虚拟环境中集成了各零部件的信息资料、历史故障资料、检修工序和工艺要求等，实现了设备管理、生产决策、人员培训的可视化、交互式、数字化和智能化。

3 火电厂VR和三维数字化管理平台的开发技术

3.1 系统技术架构

该平台系统技术架构图如图1 所示，情况说明如图1。

1）Web Client

引擎客户端插件，负责模型的载入、场景的渲染、脚本的执行；输入输出系统为插件内置，数据交换需要通过Leshane SDK 访问Application Server，通过Application Server 的Data Access Layer 完成与数据库或第三方系统的数据交互。

2）Web Manager

系统的业务管理门户，负责系统元数据的维护（如系统号、系统IP、加密狗端口等）、业务基础数据的维护（如人员、角色、公司、部门、设备等）、模型数据的维护。

3）负责业务权限系统的管理，系统安全性配置、服务器集群配置等操作。

4）Java EE Application Server 是一个实现了Java EE Web Container 的Web 容器，负责服务端后台管理程序的发布、执行；数据交互接口的发布、执行。

5）SDK

各种开发SDK，包括：GUI 人机交互界面SDK、关系数据库数据交互SDK、工业实时通讯协议交互SDK、域系统配置访问SDK、单点登录集成SDK。

6）Database Manager System

关系数据库系统，用来存储系统元数据和各种业务数据；支持常用的关系数据库，如SQL Server、Oracle、DB2、Sybase、MySQL、Access 等。

7）Active Directory

支持域系统，通过配置即可方便地实现与域直接的权限共享[1]。

3.2 桌面级三维数字化系统的关键开发技术

桌面级三维数字化系统界面通过核心三维数字化引擎、三维模型数据压缩与传输、GUI 人机交互等技术，结合数据库、B/S 架构的软件开发等工作，建构了一套三维数字化桌面软件平台。

3.2.1 系统执行原理

通过核心三维数字化引擎读取系统配置文件，根据配置文件判断显示模式，根据显卡硬件自动调节相关模型显示参数。根据信息建立与显卡的硬件连接，做好三维可视信息的输出准备。根据模型编辑器设计好的模型信息、灯光信息、材质信息、摄像机信息以及脚本信息提交到模型引擎，由引擎启动主线程开始渲染模型，并循环处理交互数据；引擎中的脚本子系统负责处理系统与第三方系统的数据交互，如标准的数据库系统（SQL Server,Oracle,DB2等），以及工业数据传输协议（UDP,TCP,OPC,SCADA,COM等），通过脚本子系统的数据交互层进行数据的输入、翻译解释、数据处理、数据结果输出等操作。引擎默认是无限循环执行，直到用户提交停止或结束信号时，才停止引擎的渲染工作，并释放与显卡、内存等硬件设备连接。

3.2.2 模型压缩传输

核心三维数字化引擎将设计好的模型以优化的ZIP 压缩格式进行网络传输。压缩方式有两种，分别是：重复数据块压缩与重复单字节压缩。重复数据块压缩是当模型数据重复数据块字节大于3 时，通过记录重复位置、重复长度压缩模型数据。重复单字节压缩说明：一个字节只有256种可能的取值，所以这种重复是必然的。通过短语式压缩方法，给256 种字节取值重新编码，使出现较多的字节使用较短的编码，文件的总长度就会减少，字节使用比例越不均匀，压缩比例就越大。

3.2.3 GUI交互

核心三维数字化引擎在运行时，会持续检测如鼠标、键盘等各种输入设备的数据，并将这些数据转换成脚本系统认识的事件系统，由脚本子系统处理该事件将其转换成动作,提高系统对人机交互的开发速度。因此系统对引擎脚本子系统提供的二次开发API 进行大量接口封装，只要派生相应的GUI Object 子类，即可完成交互的标准内容[2]。

3.3 VR（虚拟现实）技术系统的关键开发技术

3.3.1 场景渲染优化

所有基于VR 眼镜的系统对性能的要求都明显高于基于显示器的普通虚拟现实系统，FPS 指标低于90FPS 时，使用者会有明显的眩晕感，体验度明显降低。影响FPS 帧率主要两个因素为硬件性能与渲染效果。FPS 与三大硬件（CPU、GPU、内存）性能成正比，即三大硬件性能越高，FSP 帧率就会越高；FPS 与渲染效果成反比，即模型数量或总面数越高，FPS 越低；粒子特效或物理特效越高，FPS越低。

例如，实现锅炉辅机设备及检修场景的虚拟展现以及达到实际操作使用效果，设备零件个数约为1000 个以上，总面数约为百万级三角面。因此，如何在固有硬件性能的基础上，渲染如此数量众多的模型，且既保证设备渲染的效果又保证帧数不低于90FPS，成为系统必须攻关的核心技术问题。

3.3.2 VR应用渲染优化重点

包括以下各部分：纹理压缩、材质GPU 渲染、模型的LOD 处理、摄像机的视锥裁剪及模型的遮挡剔除、灯光的预烘焙处理、文件与网络处理。

3.3.3 VR设备选型情况

结合锅炉设备检修工作特性，对目前主流VR 输入/输出设备进行对比研究，须选择具备VR 眼镜、VR 跟踪设备、VR 输入设备等提供成套设备的厂商。经过实际检验与验证，主要参数内容如下：

1）VR 眼镜：可视角（FOV）在96°～120°之间；单眼分辨率不小于1080*1200，否则会有明显的颗粒感。

2）VR 跟踪设备：基于光敏传感器的六自由度跟踪设备。

3）VR 输入设备：支持VR 手柄，VR 手柄能被跟踪设备识别；具有交互按键。

4）VR-SDK 提供SDK 二次开发包，支持多种主流三维引擎，如Unity3D、虚幻引擎等。

4 锅炉设备VR管理系统的应用

图2 VR系统主界面Fig.2 VR System main interface

图3 设备结构-送风机转子Fig.3 Equipment structure - fan rotor

图4 检修拆装-人机交互拆装Fig.4 Overhaul ingress - human-computer interactive disassembly

锅炉设备VR 技术管理系统主要包括三大应用模块，即设备结构（漫游）、设备拆装和设备启停，如图2 所示。通过头戴VR 眼镜，可进入三大模块的模拟真实的场景。目前很多电厂由于生产管理模式的变化和对技能培训工作的忽视等因素，导致年青技术人员维护检修技能差和经验少，无法胜任维护和检修管理工作。通过该VR 系统的投用，使得年青技术人员对设备结构、信息数据、检修工序工艺、运行巡检等工作进行可视化、全方位和交互式的学习，较大程度上弥补了现场实战不足的问题，技能培训的成效显著。

设备结构模块如图3 所示。可通过操作手柄在各个方向观察设备并进入设备内部，通过隐藏功能可把设备的各个部件拆除观察，并可获得各个零件的设备信息。

图5 送风机启停操作界面Fig.5 Fan start-stop operating interface

图6 锅炉三维系统主界面Fig.6 Boiler 3D system main interface

图7 锅炉本体缺陷统计Fig.7 Boiler body defect statistics

图8 锅炉本体壁温测点查询和展现Fig.8 Boiler body wall temperature measuring point query and display

图9 磨煤机虚拟拆装Fig.9 Virtual disassembly of coal mills

图10 历史缺陷台账的三维查询Fig.10 3D Query of historical defect ledger

设备拆装模块如图4 所示。可各个角度观看完整的设备拆装流程，并对重要工艺、质量标准、W 和H 点等予以语音和文字讲解，也可通过人机交互式操作，模拟检修过程进行独立拆装操作。

设备运行模块如图5 所示。通过直观展现了设备运行原理，模拟了启动和停运的操作流程以及现场检查要求。

5 桌面级三维数字化锅炉设备管理系统的应用

锅炉设备三维数字化管理系统包括锅炉本体及辅机两大部分。在建模过程中，利用样条线建模、多边形建模、NURBS 建模等建模方式将设备进行高精度建模，并通过Adobe Photoshop、NDO 等其它相关软件烘焙贴图，利用各种贴图来模拟设备的真实材质，最终表现出设备的纹理、反射、折射和其它特殊效果；通过一套完整的编码规则将所有建模图元进行编码，加强对各个建模图元的管理；通过模型编码与电厂KKS 编码关联，保障数据的一致性、集成性、可维护性，为后续数据的收集、分析打好基础。每个设备模块都是以真实构造尺寸1：1 为建模基准，以设备结构图纸零部件为基础建模图元，构建电厂锅炉设备三维立体可视化模型，包括1000MW 锅炉本体、磨煤机、空预器、一次风机、送风机、汽动联合引风机、密封风机、给煤机等设备，如图6 所示。通过点击主页各个设备图形进入各个设备模块，如图7、图8、图9、图10 所示。主要应用功能有设备台账管理、缺陷管理、实时数据、一键报告等，满足了三维台账管理、检修辅助策划、缺陷三维分析、沉浸式技术培训等多种工作要求。