虚拟现实技术在槽式光热电站规划场景可视化中的应用

林金伟

上海电气工程设计有限公司 上海 201199

1 研究背景

槽式光热电站的设计规划对电站运行性能有重要的影响,一旦规划出现失误,有可能造成巨大的损失。传统的光热电站主要以计算机辅助设计、图纸等方式表现设计规划的预期场景,既不直观也不形象。虚拟现实技术是当前科技的前沿技术,具有沉浸式的场景、逼真的可视化效果,可以在光热电站规划场景可视化构建中发挥重要作用,在视觉、听觉以及交互性方面更加符合人体感官的需要[1],有效弥补了传统方法抽象、不准确等缺点[2]。相比于三维动画技术,虚拟现实所支持的实时渲染功能,便于方案的优化调整,真正做到了所见即所得,满足设计的快速迭代,增加规划的科学性[3-4]。刘雄[5]探讨了城市规划中虚拟现实技术的应用。Gong Liang等[6]结合点云建模将虚拟现实技术运用在工厂布局规划中,并进行了详细的讨论。Jamei等[7]进行研究,将虚拟现实技术应用于可持续发展的智慧城市设计规划中。Yap等[8]通过利用虚拟现实技术的可视化和实时交互功能,使产品的制造过程可视化。可见,虚拟现实技术的研究已经应用到了众多领域的可视化构建中,并取得了一些成果。

笔者以某50 MW综合能源一体化电站为对象,基于Unity引擎和SteamVR虚拟现实系统开发了槽式光热电站规划场景可视化虚拟现实呈现系统,实现了电站规划场景的沉浸式漫游,满足了设计迭代、规划评审、宣传展示等需求。

2 系统总体设计

利用虚拟现实技术进行槽式光热电站规划的可视化构建,包含两大组成部分:模型环境和漫游交互[9]。槽式光热电站可视化构建总体设计如图1所示。首先对槽式光热电站的模型环境进行数字化建模,包括视觉、听觉和触觉。视觉是可视化构建的最重要组成部分,包括了场景中所有能看到的如地形、环境、建筑、设备等。听觉主要包括了各种音效和语音讲解,增加场景的逼真度和完整性。触觉主要是通过手柄的振动,为参观者提供触觉反馈。其次,将槽式光热电站数字化模型环境导入至虚拟现实开发引擎Unity中,在引擎中完成模型环境的布局、光线处理、材质渲染等工作。最后,进行漫游交互开发,包括漫游移动和交互控制。

图1 槽式光热电站可视化构建总体设计

3 槽式光热电站虚拟模型环境

基于可视化构建的目标,需要建立与真实槽式光热电站场景一致的模型环境,包括地理信息、设备及建筑的三维模型,还需要进行场景渲染、设备运行动作模拟等工作。

3.1 地理信息数据可视化

槽式光热电站通常处于我国西北部光照资源丰富的戈壁地带,包括了占地数平方公里的超大面积集热场,因此地理环境是影响电站可视化的一个非常重要的因素。在虚拟现实的可视化场景中,需要特别关注电站站址的地形地貌、植被情况、道路、河流、边界条件等因素,这些因素将很大程度上影响电站整体规划的真实性和可视化效果。通过借助地理信息系统数据,同时结合现场勘探数据资料,对电站所在地区的地貌特征进行几何数字化处理,建立包含戈壁环境、道路、山脉、植物等地形地貌信息及自然条件的三维数字化地理模型[10]。在此基础上再进行电站设备和建筑等主体目标的构建。

3.2 设备、建筑三维模型

为满足对电站场景的高保真度还原,需要对虚拟现实场景内的设备、建筑进行1∶1三维数字化建模。槽式光热电站所包含的三维模型主要有槽式集热器、导热油系统、油盐热交换器、电加热器、储热系统、蒸汽发生器、主厂房、汽轮机、发电机、升压站、空冷系统、追光式光伏、风力发电机等。笔者建立的电站场景中所使用的三维模型均由设备供应厂家提供,保证了模型的准确性。部分设备的三维模型如图2所示。

图2 部分设备三维模型

在建立虚拟场景时,由于设备供应厂家所提供的三维模型包含了很多工程细节及技术秘密,这些内容不需要在虚拟场景中呈现,因此在满足虚拟现实场景可视化需求的前提下,需要对模型进行简化处理,针对不同显示颗粒度需求的地方进行减面操作,通过模型简化可以减少对硬件系统资源特别是显卡资源的消耗,增加流畅度。

3.3 场景渲染

为满足虚拟现实场景高逼真度的需求,需要根据项目的规划意图进行美术处理,根据地理信息系统提供的相关地理环境数据,营造戈壁的地形地貌和自然环境。根据设备、建筑的真实设计外观,创造逼真的设备和建筑外观视觉效果。在Unity引擎中基于真实环境和各设备、建筑的照片,利用UV纹理贴图和编写着色器等方式,针对不同的设备零部件、建筑、自然环境等要素设计开发不同的材质库。对于集热器中导油管流动效果的可视化,通过编写程序控制贴图的UV值随时间进行变化,即可呈现出材质流动的效果。

3.4 粒子特效创建

槽式光热电站的功能是将太阳能转化为电能,因此能量流动的显示是电站可视化的重要组成部分。通常槽式光热电站的能量流动包含三个回路,每个回路的导热介质和温度都不同,采用流动的粒子特效,并配合不同的材质,可以有效地表现出不同回路、不同介质的能量流动效果,如图3所示。

图3 粒子能量流动效果

3.5 设备运行动作模拟

槽式光热电站包含众多需要持续运转的设备,为了将这些设备的运行动作状态在虚拟现实场景中进行可视化的呈现,在Unity引擎中通过设置关键帧创建上述设备的运行动作模拟动画,并通过编写脚本程序控制这些动画的播放。正常状态下,槽式集热器和追光式光伏的朝向角度会随着一天中太阳位置的变化进行实时调整,以保证对太阳能利用的最大化,在虚拟现实系统场景中要表现该效果,需要在通过关键帧创建槽式集热器和追光式光伏的转动动画的基础上,编写脚本程序将场景平行光的照射角度与集热器的转动角度相关联,即可呈现出槽式集热器和追光式光伏随太阳照射角度变化而转动的效果,并在地面上显现出因光照角度变化而移动的阴影。

3.6 音效和语音讲解

为进一步增强场景的逼真程度,场景中的听觉包括了设备运行的音效和语音讲解功能,通过录音、音效模拟及讲解配音将场景中需要听觉参与的部分录制成音频文件。当漫游到相应位置时,触发对应的听觉体验。

4 槽式光热电站漫游交互设计

为实现用户与槽式光热电站虚拟现实可视化场景之间的信息交流,需要开发基于虚拟现实技术的电站漫游交互功能,借助操控设备将控制指令传递至虚拟场景系统中,系统根据指令触发相应的动作,其中最重要的就是漫游移动和交互控制。

4.1 漫游移动开发

根据系统的总体设计框架,漫游移动的方式包括被动式漫游和主动式漫游。被动式漫游根据规划者的意图、地形地貌、建筑、设备等实际场景的具体特点,进行漫游路径确定,包括一些鸟瞰、透视等视角,并需要依据人体感官的接收程度,在不降低高空视角、连续运动等视觉效果的同时,减小眩晕等不适感[11]。并且,当视角移动至对应的位置时,系统自动触发相应的场景变化、设备运行动作、音效及语音讲解等。主动式漫游让观察者借助手柄等操控设备,进行自由地移动,自由地选择观察视角,自由地通过交互界面操控场景中的各种动作,从而实现完全根据观察者意愿的漫游体验。

4.2 交互控制开发

用户需要通过手柄将控制指令传递至系统中,进而控制虚拟场景中的设备运动、目标的出现/隐藏、漫游位置的变化、音效和语音讲解的播放等,同时也需要呈现部分设备的状态参数信息。在Unity引擎中,基于UGUI开发用于UI交互操作的图形和用户界面[12-13]。UI交互界面如图4所示。在槽式光热电站场景可视化系统中,除了佩戴虚拟现实头戴显示器的用户需要操控电站场景系统,一旁的辅助人员有时也会因为帮助虚拟现实用户需要操控虚拟现实场景系统,因此在键盘上设置了对应的按键功能,使得辅助人员可以通过键盘控制虚拟场景,增加了可操控性。

图4 UI交互界面

5 综合能源一体化电站虚拟现实场景实现

基于上述槽式光热电站规划场景可视化构建的策略,以某50 MW综合能源一体化电站为对象,基于Unity引擎建立了槽式光热电站规划场景可视化虚拟现实呈现系统,展示效果如图5所示。硬件方面,选用VIVE Cosmos作为虚拟现实头戴显示器,由Precision 7720移动工作站提供运算。主要硬件如图6所示。用户佩戴虚拟现实头戴显示器后,可以沉浸式地体验该综合能源一体化电站的规划场景、设备的运行效果、能量传递效果等并配合有音效和语音讲解,实现具有人机交互、高逼真度、身临其境的虚拟电站场景漫游,进而满足对设计迭代、规划评审、宣传展示等功能的需求。

图5 槽式光热电站可视化展示效果

图6 虚拟现实呈现主要硬件

6 结束语

在场景的可视化构建中运用虚拟现实技术是发展趋势,虚拟现实技术能够直观地将想象中的场景直接具象的构建、呈现出来,更容易发现规划中存在的问题,提高设计规划迭代的工作效率。通过虚拟现实技术构建槽式光热电站可视化场景,主要包括了四项优势。

(1) 创造虚拟的环境。针对设计规划等当前现实中不存在的场景,可以实现快速场景构建,并保证非常高的逼真程度,帮助设计出更加合理的规划。

(2) 身临其境的观察体验。基于虚拟现实技术所创造的虚拟电站场景,在一定程度满足了对视觉、听觉、触觉的全方位全视角感受,让用户有更真实的体验感。

(3) 对复杂的规划细节进行计算,利用虚拟现实技术能够在虚拟环境下对场地地形、建筑形态、机械设备等进行调整,并对它们的布局、运行等进行模拟仿真,通过观察设计规划中的具体细节,帮助设备选型,实现对不合理地方的识别和修正。

(4) 直观逼真的画面效果,可以在招投标、项目洽谈、展会展览等活动中快速形象地帮助客户了解到设计规划的效果,有助于市场的拓展。