基于虚拟现实的电厂智慧维护培训仿真系统

张祖辉，孔竞

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

1 引言

电力行业是我国经济建设中重要的能源产业，电厂是提供电力能源的重要设施。近年来，电厂单元机组正朝着大容量、高参数和高自动化方向发展，电厂智能化水平也在不断提高。在此背景下，机组运行人员的专业知识、操作技能和现场应变能力以及电厂的维护检修系统面临着更高的标准和要求。因此，加强对运行人员的培训和对维护检修系统的智能化提升对于电厂的安全、稳定、经济运行具有至关重要的意义[1]。

传统的电厂仿真培训系统与生产作业、维护检修等功能相互独立，电厂员工在培训过程中往往脱离实际生产环境，无法收获逼真的现场体验效果，培训效果欠佳。近年来，虚拟仿真技术凭借着沉浸性、交互性、想象性、逼真性的独特特征，逐渐应用于教育、医疗、工业等领域的研究、评估和可视化活动中[2,3]，为电厂仿真培训系统提供了新的发展方向。

本文提出了一套智能化的电厂维护培训仿真系统，系统利用虚拟现实技术实现了仿真模拟功能与电厂维护功能的结合，将电厂培训仿真与维护检修、生产运行有机串联为一体。通过数据库平台的信息匹配整合和后台趋势化分析，实现电厂企业员工、电厂生产设备、可视化虚拟模型与实时运行参数之间的互联互通，最终获得智能化、物联化、可视化的电厂维护预警和仿真培训体验。

2 系统原理及总体架构

电厂智慧维护培训仿真系统通过可视化技术，将电厂内的建筑、锅炉、汽机、管道、支吊架等以真实尺寸构建三维模型，在电厂三维场景内通过高速网络通信技术和服务器平台将虚拟模型与实时生产信息、视频监控数据相关联，打通仿真系统和维护检修系统之间的信息孤岛，以直观、动态的方式展示厂区内的设备运行信息、视频监控、安全预警提示等，并提供设备拆装、互动式操作教学等功能，提高电厂的运营能力和智慧化水平。

整体需要建立数据库系统、虚拟现实系统以及仿真培训系统。

数据库系统通过静态数据表，存储维护培训仿真系统的物理拓扑结构，包括各类生产设备和监测数据之间的匹配关系与各自属性；建立一系列的动态数据表，存储仿真培训系统与虚拟现实系统之间的交互指令与模拟仿真运行数据，包括仿真运行时间、控制参数等指令与数据。

虚拟现实系统实现仿真平台的人机交互与信息呈现。利用Plant Design Management System（PDMS）软件对厂区建筑和各类生产设备建立三维虚拟模型[4]。在Visual C++开发环境下设置调用三维场景的程序，构建虚拟现实人机交互界面，使操作人员能够实时发布操作指令传递至后台服务器，同时在浏览工作场景时观察各类装置设备的特性参数，并且获取仿真系统模拟运行产生的数据和电厂实时监测数据。

仿真培训系统是仿真培训过程的模型和 数据来源，将电厂运行流程和典型工况数据，以及电厂运行规程规范等信息配置集成数据。以工业游戏形式为电厂人员提供单人独立培训教学和多角色互动仿真教学，建立动画教学模块、规程培训模块以及动态流程模拟模块等。培训后根据模拟仿真结果与标准结果的对比和教练员的综合判定给出学员的成绩，体现出良好的多角色交互性。

3 系统设计方案

3.1 三维模型及场景构建

如图1所示，根据电厂实际工作场景使用PDMS软件进行等比例建模。三维模型设计区域覆盖到全厂范围，包括主厂房和辅助工艺厂房，厂区总平道路和地形，地下沟道和管网部分，厂区综合管架等。涵盖内容有：（1）厂房内各占位模型，如典型的管道、锅炉六道、暖通风道桥架和各类设备（机械设备、电气设备）等；（2）实体支吊架模型，真实反映各零件和连接件；（3）检修空间和维护通道；（4）地下设施，包括主厂房结构基础、地梁、地沟和设备基础等，厂区地下所有的管道、地沟和基础等；（5）厂区综合管架。

图1 电厂内典型管道实物与PDMS模型对照图

将三维模型导出至相应格式文件，使用Unity3D软件进一步渲染优化电厂工作场景，对灯光、组件等场景元素进行深层次加工，完成对模型的材质贴图，使虚拟场景效果更为逼真。将模型信息配置集成数据，加密上传至服务器，用于仿真培训过程中调用分析。

3.2 仿真培训系统开发

建立基于虚拟分布式处理单元（Visual Distributed Processing Unit，VDPU）的激励式仿真系统[5]。所谓 VDPU，就是将实际分散控制单元（Distributed Processing Unit，DPU）中的功能移植到VDPU软件上，采用软件仿真的方法在计算机上模拟一个或者多个DPU的工作过程，使分散控制功能脱离电厂实际硬件而实现。

使用Visual C++开发服务器平台下的VDPU程序，根据电厂的实际操作环境建立人机交互界面，根据需要添加各种控件，包括按钮、导航图、图片等，从而实现在服务器中模拟多个DPU的工作过程，然后通过数据传输反馈至人机交互界面，逻辑结构如图2所示。

图2 基于VDPU的仿真模式逻辑结构图

在服务器操作系统中编写程序实现DPU功能的移植，VDPU可以直接使用实际分散控制系统生成的下载文件，从而方便地再现DPU功能。此外，针对关键的操作规范和操作流程制作动画，并与相应的设施或设备关联，方便学员在教学环节调用观看。

3.3 实时运行数据关联

建立实时生产检测数据和数据库服务器之间的通信接口，将电厂生产实时数据上传至数据库系统。建立生产数据与三维虚拟仿真模型之间的对应关系，实现仿真培训系统对监测数据的实时调用。同时将数据保存在数据库中，便于后期调用分析。后台服务器一旦发现实时数据达到历史故障接近值，立即在人机交互界面显示报警提示。

3.4 仿真培训管理

建立学员信息库和培训资料库，学员信息包含学员姓名、岗位级别、成绩评定等，培训资料库包含操作规程、培训案例、培训记录等。使用虚拟现实眼镜终端设备和三维投影屏相结合的方式实现智慧维护培训仿真功能。建立一套“教-学-练-考-评”的完整培训考核评价体系，操作员的最终成绩可由2部分组成，一部分为系统根据记录的操作数据与标准答案对照自动形成的评价结果，另一部分为教练员调阅学员操作记录，根据实际情况做出的评价优化。通过上述考核工作，保证岗位定级工作的客观、公平、准确进行。

4 系统功能介绍

4.1 电厂虚拟全景漫游

平台利用实时动态三维数据加载技术实现三维数据的分布式加载。操作人员可以选定厂区内场景，自定义漫游路径，在全厂区域内进行虚拟漫游浏览，还可通过人机交互输出多种格式的场景漫游图片或视频。通过点击场景中的设备模型，显示该设备的的详细信息，例如，设备名称、设备监控视频、安全参数以及操作规程等。通过漫游，学员可以熟悉电厂各设备的位置，对于电站巡检人员准确快速找到巡检设备尤其有用。场景漫游界面还可以设置路线导航图，显示漫游人员所处的位置和行进的方向，起到小地图指引的作用。

4.2 实时信息可视化展示

智慧维护仿真培训系统的一个重要功能是通过虚拟现实技术，结合5G通信技术将厂区内重要的监测信息可视化展示，主要包含生产控制系统数据、视频监控数据和厂区环境信息。制作电厂模型构建和场景渲染时，将建筑、设备、传感装置等单独建立且设置编号，在后台数据库将模型编号与监测数据（如视频监控数据、传感监测数据等）进行一对多的关联。操作人员可以通过查询设备唯一编号直接定位到模型所在位置，也可以直接点击模型查询设备编号并且读取设备对应的监测信息。运行人员可以在人机交互界面同时查询不同种类的电厂运行数据，全面掌握厂区内部运行状态。

4.3 智能预警维护

系统将历史运行工况的关键参数（如温度、湿度、气压、流量等）分种类保存，将实时运行数据与历史监测值比较，判断当前工况是否运行正常；同时在后台服务器处理平台添加数学模型计算和趋势化分析功能，对锅炉、汽机等关键生产设备进行全寿命周期的管控，若监测到数据异常，则会在对应的三维模型上标记突出，并在人机交互界面进行弹窗提示。此外，异常信息会在数据库中进行备份记录，方便电厂运行人员进行复查分析。系统着重针对锅炉四管泄漏和寿命管理、汽轮发电机组振动监测、红外成像监测、转机滚动轴承寿命管理和自动调节系统状态监测等设立专门的预警维护模块，提升整体安全管理能力。

4.4 机组运行预测及事故分析

系统提供机组仿真预测功能，可以通过导入实时的电厂监测数据并设置相关参数，模拟和预演电厂机组的各种可能工况，合理预测机组未来一段时间内的运行状况。一旦发现隐患立即采取措施调整运行参数，保证机组的安全运行。现场发生事故后，可以将事故发生时的运行数据导入仿真系统中，重演事故过程。通过分析监测仿真系统中的运行过程，寻找事故发生的原因。将事故数据上传至数据库保存，用于学员调用学习，从而提高学员应急处理该类事故的能力。

4.5 设备拆装模拟

学员可以通过点击所要认知的设备查看相应的设备信息，包括主要参数、零部件组成、设备功能和操作规程等。此外，系统根据设备部件图及装配图采集设备零部件形状、几何尺寸、相互匹配关系及相对位置等特征信息，建立设备拆装数据库。进一步研发PDMS软件二次开发接口，在模型构建阶段生成拆装模拟演示视频。通过在虚拟现实系统中选择所需设备模型，加载服务器缓存的高精度设备模型数据及动态拆装视频，直接在线调用查看设备的精准拆装演示。

4.6 多角色互动教学

系统支持多员工同时在线培训教学，实现教练员与学员的实时互动交流。将关键的电厂运行人员操作流程制作成三维模拟演练脚本，学员可以在操作界面选择执行不同的脚本从而加载相应的培训场景。培训过程中，交互界面按照工作规程进行提示，以三维工业游戏的形式，在虚拟场景中进行模拟训练，如开关的操作、阀门的控制、机械的装配等。利用虚拟现实技术，还原真实的生产作业环境。对于复杂的培训演练过程，系统支持多人合作培训仿真，通过多台虚拟现实设备终端同时登陆操作，分角色布置培训学习任务，完成操作全过程仿真。系统通过对比学员操作和标准规范自动打分评价，并对错误操作进行纠正讲解和正确操作演示。建立培训历史数据库，方便后期调用复习，加强培训效果。

5 结语

电厂规模的扩大和智能化发展对电厂培训仿真系统提出了日益严格的要求。针对传统培训仿真系统与生产作业、维护检修等功能相互独立的现状，本文提出了一种基于虚拟现实技术的电厂智慧维护培训仿真系统。通过可视化虚拟现实交互，为电厂运行人员提供逼真的实景操作教学和培训。同时，通过调用实时电厂运行工况数据实现了电厂智能监测预警和机组运行预测等功能。系统实现了电厂培训仿真与维护检修、生产运行的有机结合，为大型发电厂的安全经济运行提供了数字化保障。