可视化技术在风电运维中的应用案例分析

张文忠，卢 军，张瑞君，张 亮，李宗政，辛理夫

(1.华电福新能源股份有限公司，北京 100031；2.锐电科技有限公司，北京 100044)

0 引言

可视化(Visualization)是指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。可视化技术使人们可在二维(2D)或三维(3D)图形世界中对具有形体的信息直接进行操作，与计算机进行直接交流。将可视化技术应用于风电领域，通过可视化技术可将风电运维工作中的各个主要要素转化成图像并显示在计算机屏幕上，从而进行人员培训、技术支持等。利用可视化技术，通过图像、3D 动画，以及数据与实体模型相融合，可使管理者、初学者对设备内部结构，部件所处位置、外形及其运行原理和检修过程形成更直观的认识，可大幅减少管理和培训费用支出，提升培训效率和管理水平。本文主要对可视化技术在风电运维中的应用案例进行了介绍和分析。

1 2D 可视化技术的应用

1.1 风电场集中监控

目前，大部分风电场及集控中心已大规模应用2D 可视化技术，该技术能以图形和数据的形式将获取的风电场中单台风电机组及全部风电机组的实时状态信息进行展示。根据这些信息既可以对风电场的单台风电机组或集群进行远程控制，又可以通过查看历史信息和现场数据对风电机组的运行情况进行分析。

某风电场运营企业利用2D 可视化技术，将中央监控系统对整个风电场风电机组的远程监控结果以图像的形式显示在屏幕上，以便于相关人员进行远程访问、远程控制；并对风电机组集群及单台风电机组的实时运行数据及历史数据进行展示，以便于相关人员进行相应操作。具体如图1、图2 所示。

1.2 风电场运维信息管理

通过2D 可视化技术将汇集到数据库中的风电场日常运维工作记录、风电机组健康管理等运维数据进行图形化和表格化，然后提供给风电场运维工作者和管理者作为参考，极大地提高了运维工作的效率。

1.3 物资管理

2D 可视化技术在物资管理方面的应用主要是进行档案管理和第三方维修管理，是为了使现场相关工作人员和整理人员方便、高效地进行物资档案录入工作，可规范风电场运营企业的档案管理工作，将物资管理规范化、数据化、可视化，保证区域公司共享物资信息，解决企业物资联动管理，提高风电场运营企业的物资利用率，节省风电场运营企业的运营成本。

图1 集群风电机组监控界面Fig.1 Wind turbine cluster monitoring interface

图2 单台风电机组监控界面Fig.2 Single wind turbine monitoring interface

图3 物资管理界面Fig.3 Material management interface

1.4 日常运维管理

日常运维工作的管理主要涉及零部件的维修、更换记录，以及风电机组的运维记录、巡检记录的可视化管理。此模块使现场人员和管理人员方便快捷地进行风电机机组运维工作的档案录入，监督工作人员的风电机组部件更换、维修操作工艺，规范工作人员的风电机组日常维护和巡检检查操作，并将档案记录数据库化，方便查看风电机组的状态，以了解以往风电机组运行维护的历史信息。

1.5 2D 可视化技术的应用小结

通过2D 可视化技术可将汇集的风电场信息和数据图形化展示，便于分析，有效降低了风电场运维管理时的难度；可使风电场的物资得到最优化利用，为风电运维工作提供便捷的信息在线监测技术，提高了对设备运行状态的监控水平，有利于风电场安全、稳定运行。

2 3D 可视化技术的应用

由于风电机组的结构复杂，无论是用于产品展示和介绍，还是用于人员培训，2D 的展示方法都无法真实、直观地展示风电机组的内部结构和其在实际运行过程中的工作原理。得益于3D可视化技术的发展，使用户能更直观地查看风电机组的机械结构与电气连接状况，更好地理解风电机组的结构和工作原理。

2.1 基于3D 可视化技术的仿真模拟、培训

通过3D 建模软件，可将风电机组各部分按照实物大小等比例搭建3D 模型。采用3D 模型能更直观地从不同角度、维度观看风电机组的结构，并能与模型进行交互，用户可通过透视与动画功能观看风电机组的结构和不同系统中零部件的响应过程。图4 为机舱内主要部件的3D 模型。

图4 机舱内主要部件的3D 模型Fig.4 3D model of main components in the nacelle of wind turbine

2.1.1 风电机组齿轮箱油冷系统工作原理的3D 动画演示

相对于2D 平面动画的局部剖面展示，使用3D 动画制作技术可将风电机组齿轮箱油冷系统工作过程中的热能传导过程及油冷系统各部件的响应过程进行立体展示。用户能更直观地从整体到局部观察到元器件的响应，可观察到无法用肉眼直接看到的变化过程，更利于用户对其原理的理解。图5 为齿轮箱油冷系统工作原理的3D 动画展示。

图5 齿轮箱油冷系统工作原理的3D 动画展示界面Fig.5 3D animation display interface of working principle of gear box oil cooling system

2.1.2 风电机组的检修培训应用

利用3D 技术，严格按照风电机组各部件的实物比例进行精细化建模，依据检修规程模拟设备检修的拆解、检修及安装，并展示了检修时涉及到的检修工具、检修备品备件，以及设备拆解后的摆放。用户可直接查看设备的检修工艺和进度，此方式可培训相关人员学习具体的检修过程和检修标准。利用3D 技术呈现的轮毂滑环如图6 所示。

图6 3D 技术呈现的轮毂滑环Fig.6 Wheel hub slip ring displayed by 3D technology

2.2 VR 技术应用

VR 技术是指以3D 技术为基础，采用虚幻引擎模拟真实的现场环境开发虚拟场景，使用VR 立体头盔等设备制作沉浸式交互体验。该技术在风电场的应用主要涉及：1)风电运维人员的安全培训和情景再现，包括事故体验、应急急救和应急处置等；2)模拟现实风电机组的运行、检修场景及零部件的实时分解等内容，可与使用人员实时交互，以提升用户对风电机组的认知和提高其作业技能。

2.2.1 事故现场的模拟

风电机组工作人员的日常工作涉及到高空和带电作业，通过VR 技术可真实再现由工作人员违章作业引起的人身伤害事故，以及应急逃生和救援方法，并且可以通过第三视角重放事故，让体验者从中学习急救、逃生方法，并了解违反安全作业规程的危害。下文为某风电企业与软件开发商合作，利用VR 技术模拟的3 种事故现场。

1)触电事故。模拟了工作人员在机舱内违章作业，手触碰到带电部位，导致发生电击事故，该工作人员瞬间倒地休克。触电倒地全过程还可以通过第三视角重放。图7 为触电事故模拟。

图7 触电事故模拟Fig.7 Electric shock accident simulation

2)坠落事故。模拟了工作人员在吊装口边缘未正确使用防坠装置，导致失足跌落，直接摔入底层的坠落事故。用户可通过第三视角观看到坠落舱底后的伤残状态。图8 为坠落事故模拟。

图8 坠落事故模拟Fig.8 Fall accident simulation

3)中暑事故。由于风电机组设备内部环境具有高密封性，且各类机械设备不断运转会产生大量热能，但工作人员在进入设备内部作业时必须穿戴各类安全设备，包裹较为严实。因此，在该条件下作业非常容易中暑，虽然中暑的发生看似平常，但其可能造成的人生安全危害却极为重大，此时安全急救是头等大事。模拟了中暑人员的急救操作，应首先将中暑人员拖至通风处。图9 为中暑人员急救模拟。

图9 中暑人员急救模拟Fig.9 First aid simulation of heatstroke personnel

2.2.2 风电设备仿真模拟

通过3D 可视化技术构建风电机组详细模型后，可通过VR 工具进行触摸或通过PC 端鼠标拖拽方式将设备进行拆解，之后还可以通过一键还原将设备还原到最初状态；模拟还具有拆解还原功能，可查看设备自动拆解的过程及拆解之后自动还原的过程。相比于3D 动画方式，VR 技术可使学习者身临其境地体验部件的拆解，有助于加深学习者的感知记忆和操作反射，提升学习的趣味性和操作性。

图10 器件拆解模拟Fig.10 Device disassembly simulation

2.3 3D 可视化技术的应用小结

3D 可视化技术解决了风电机组多项培训难题，除可为风电运维工作者提供虚拟现实的场景之外，还为风电运维人员安全、技能培训提供了模拟平台。

3 结论

本文对2D 和3D 可视化技术在风电运维领域中的应用进行了介绍。通过采用2D 可视化技术，可实现将汇集的风电场信息和数据以图形化的方式展现，便于分析，有效降低了风电场运维管理难度；可使风电场的物资得到最优利用，为风电运维工作提供便捷的信息在线监测技术，提高了对设备运行状态的监控水平，保证了风电场安全、稳定地运行。通过采用3D 可视化技术解决了与风电机组相关的培训难题，为风电运维工作者提供了虚拟现实的场景，并为风电运维人员安全、技能培训提供了模拟平台。

加强可视化技术在风电运维领域的应用，有助于促进该技术的进一步开发与利用。