基于WebGL的3D技术在风电运维支持系统中的应用

文 | 张瑞君，卢军，张文忠，张亮，李宗政，辛理夫

风电场多处在风能资源丰富的草原、戈壁、高山、近海等偏远地区，受外界恶劣的环境和气候因素的影响，技术人员的运维工作面临较多的实际困难。随着出质保机组数量的大量增加，高级技术人员短缺以及现场工作人员对专业培训需求增多的问题日益凸显，急需构建一个轻量级支持移动智能设备使用，能够模拟现场机组的实时情况，用于风电运行、维护工作的支持系统。

风电领域的运维技术培训难点包括原理、机械结构和零部件响应动作情况的直观讲解及其通过平面的结构原理逻辑图、结构图纸的动态和立体展示。WebGL（Web Graphics Library）是一种3D 绘图协议，通过WebGL 网页制作技术能够实现网页中3D 动画、3D 模型的交互及实时技术接入，可以进行跨平台的3D 网页制作，更加直观地在移动端展示风电机组实时数据的变化，让使用者有身临其境之感。结合WebGL 技术，构建满足教学内容的模型和原理动画，能够立体多方位地查看零部件结构和相互关系，动态演示风电机组各系统的运行原理和零部件的响应，从而提升风电技术工作者的能力和运行维护的工作效率。

图1 系统架构

本文基于WebGL 的3D 技术，提出一种风电运维支持系统方案。该方案可以实现在网页端进行风电机组虚拟化仿真模拟，使风电机组运行原理和运维技能的展示更加形象立体，为使用者带来轻量级、可移动、形象化和沉浸式的使用体验，为风电运维技能的传承提供高效的载体。

风电运维可视化支持系统系统架构

风电运维可视化支持系统基于WebGL 技术制作风电机组的设备仿真模型和设备运行原理动画，并基于风电控制系统采集到的真实数据对风电机组的运行工况进行仿真模拟。该系统应用主流架构、开发语言和数据库，能够与其他系统进行完美兼容，实现视频资源的分类存储、扩展，通过预留接口可与其他系统进行数据交互，实现信息互联互通。

系统采用 B/S 架构，基于WebGL 框架HT 引擎设计实现，用户可直接在浏览器上通过网址进行访问，不依赖任何插件。如图1 所示，系统分为数据存储层、数据处理层和数据展示层。数据存储层主要使用MySQL 数据库存储设备数据基本信息和采集到的实时数据信息，使用JSON 文件存储3D 模型数据信息；数据处理层主要使用HT 引擎对数据进行处理以及动画逻辑的实现；数据展示层主要使用基于WebGL 开发的HT 引擎和HTML5 完成对3D 场景的加载渲染，通过改进的渲染算法解决加载大量3D 模型时出现浏览器崩溃的现象。基于WebGL引擎搭建的场景，可以自由旋转、缩放、平移；通过JS 脚本控制模型、动画，可演示风电机组各系统的运作过程；通过分步骤，又可分别查看不同时期的动画。在数字化风电机组场景中，通过动态调整模型实现模型外壳显示及模型驱动。

系统所用到的按钮、列表、树和弹窗等组件，都是基于HTML5 Canvas 实现的HT UI 库组件。Canvas 又叫画板，可以使用JavaScript 绘制想要的图形（通过基本的图形，如线、圆、矩形以及填充图像绘制更加复杂的图形）。通过Canvas能在指定的位置绘制需求像素，绘制效率高，动画性能高。Canvas 的渲染方案实现了高性能，例如，表格组件可显示上百万个单元格，不存在卡顿现象；完备的页面布局组件，可轻松实现页面布局；单独的页面组件样式设置，简化了代码，更加方便快捷。

图2 系统结构图

风电运维可视化支持系统功能设计

风电运维可视化支持系统主要包括9 个模块（见图2）。系统以实际应用为核心，逐级构造，使用详实的3D 动画制作风电机组组成和控制系统的原理等基础知识，为用户提供便捷的理论学习内容；定期维护模块为用户从理论学习到实操学习提供了过渡；故障处理模块则整合理论和实操内容，形成完整处理现场实际问题的工作流程；数字化风机模块能将故障数据和实时运行数据导入到系统中，并对其进行可视化分析，加深用户对风电机组原理和运行逻辑的理解，形成符合用户认知规律的系统学习路线。

一、3D场景漫游模块

该模块是指用户通过鼠标和滚轮可完成对整个3D 场景的移动、缩放、选中、旋转操作，并能从任意角度查看设备结构。选中相应的部件会弹出该设备的信息框，从中可以查看设备的信息，包括定期维护及拆装信息（如图3、图4）。

二、故障处理模块

点击故障编号或名称，能在界面显示“故障分析”和“故障消除”两个列表。“故障分析”包括依据图纸、控制逻辑、设备的实时和历史数据进行故障分析的视频内容。“故障消除”包括的视频内容有：（1）消除故障时工器具使用；（2）对照图纸进行故障排查时元件、电气回路测量与检查以及故障点定位；（3）消除故障时零部件更换。

故障处理的内容按照图5 进行分步制作，每一小步为一个视频或者文档，并配有文字说明。

图3 整机模型

图4 减速机透视模型

三、定期维护模块

该模块包含维护的项目、使用的工器具、消耗材料的名称和数量、维护的方法和步骤。依据维护手册和有关标准（列标准名称）按照机组结构从下至上、机舱从内到外的顺序逐一介绍每个维护项目的操作步骤，并在操作中用文字附注详细的工作标准以及注意事项。

四、安全模块

该模块包含风电机组安全作业规范、安全工器具及防护用品的使用等。

五、资料库模块

用户可通过该模块对系统中的定期维护模块、故障处理模块、安全模块所展示的内容进行集中管理，具有资料的上传和删除功能。

图5 故障处理

图6 故障处理模块界面

资源库依据风电机组的结构分类进行设计，完整覆盖整个机组的基础结构。为系统的资源扩展和技术支持、培训素材制作提供规范载体。以资源库中每个项目为基本元素，可最大化地进行资源复用（复用率可达60%以上，节省了开发维护成本），通过调用基本单元完成从部件到系统，再到整机的构建。

六、数字化风机模块

将风电机组正常运行时的实时数据导入到系统中，通过该模块对真实数据的模拟展示风电机组不同状态机的变化。用户通过对数据流的重放和追溯，能直观理解风电机组状态机的跳转和风电机组的控制原理。

七、论坛模块

用户可建立和发布主题内容，上传文字、图片、视频，其他用户可对该主题进行浏览、留言、关键字搜索。在线交流与分享技术技能的方式，有助于运维人员技术水平和机组故障处理能力的提高。每一个风电运营公司都拥有众多类型的机型，每一种机型都有各自专属的备件配置，通过论坛能够聚集公司内相同机型的运维人员。对于论坛中收集到的问题，可凝聚整个公司的技术力量进行解答，通过检索即可快速找出已经得到解决问题的答案。

图7 数字化风机界面

应用效果

借助WebGL 技术在网页端构建3D 可视化模型，技术人员通过不同角度反复观看机组的组成结构和其在不同运行工况下元器件的响应过程，能够直观学习到所需的知识，更好地掌握机组结构和控制原理知识；利用故障处理、定期维护等相关模块能够快速完成相关故障的分析、处理及机组维护。

一、风电机组组成和控制原理培训

在风电机组未出质保（维护工作由整机厂家完成）的内蒙古自治区某风电公司应用本系统进行了2 次针对风电机组组成和控制原理的培训，参加人员共53 人（新入职人员22 人，初级技术人员31 人），其中40 人未经过专业培训。培训考试平均分数为82 分，而传统课堂培训的2 年平均分数为68.5 分。这表明相对于传统课堂，通过本系统学习能有效提高技术人员的技能水平。

二、风电机组故障处理

在风电机组已出质保的内蒙古自治区某风电公司应用本系统进行故障排查支持工作。应用本系统处理故障76 次，其中高级技术人员应用21 次，初级技术人员应用54 次，参与人数12 人。统计现场故障处理情况发现，故障点分析没有遗漏，精准度达到100%，故障点排查覆盖率达89%；初级技术人员平均故障处理时间减少32%，高级技术人员平均故障处理时间减少19%。试用结果表明，通过本系统进行故障排查工作能有效提高现场技术人员的工作效率，减少机组停机时间。

结语

针对当前风电运维工作中高级技术人员短缺以及风电场对集约化管理的需求，本文提出了基于WebGL 技术和HT 引擎框架开发、用于风电运维人员培训和实际工作的风电运维可视化支持系统。本系统通过在浏览器端对风电机组以及各子系统的实际运行数据进行3D 仿真模拟，使资料和数据的展示更加真实、立体，为风电运维集约化、运维技术标准化和技术传承提供支撑。