虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉聰1，曾國兵1，侯勇2，朱榮建3

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051； 2.皖能合肥發(fā)電有限公司，合肥 230051；

3.溫州次元數(shù)字科技有限公司，浙江 溫州 325100)

主要研究電廠鍋爐、集控運(yùn)行及教學(xué)。

摘要：介紹了以安徽皖能合肥發(fā)電廠為原型開發(fā)的600 MW虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)。利用3DMax和Virtools為開發(fā)工具，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，充分利用三維圖形、三維動(dòng)畫和聲音等多媒體表現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬火電廠的全方位場(chǎng)景漫游，主要設(shè)備的虛擬拆裝、結(jié)構(gòu)展示及工作原理介紹；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組二維DCS仿真與三維仿真的交互實(shí)時(shí)通信；能夠?yàn)殡娏υ盒＿M(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的“校中廠”模式仿真教學(xué)和600 MW級(jí)超臨界火電機(jī)組運(yùn)行人員的培訓(xùn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬電站崗位技能；3DMax；三維仿真；實(shí)時(shí)通信

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.017

收稿日期：2015-07-17

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳質(zhì)量工程省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2014jyxm637)

作者簡介：劉聰(1981-)，女(漢)，河北保定，講師

中圖分類號(hào)：TP399獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

火電機(jī)組是電力工業(yè)的重要組成部分，由于電力行業(yè)的高危性和設(shè)備的昂貴性，導(dǎo)致電力高職院校難以建立全真實(shí)生產(chǎn)性的“校中廠”。2011年10月20日，《教育部在關(guān)于推進(jìn)高等職業(yè)教育改革創(chuàng)新引領(lǐng)職業(yè)教育科學(xué)發(fā)展的若干意見》中提出：“要加強(qiáng)職業(yè)教育信息化建設(shè)，開發(fā)虛擬流程、虛擬工藝、虛擬生產(chǎn)線等，將企業(yè)的生產(chǎn)過程、工作流程等信息實(shí)時(shí)傳送到學(xué)校課堂的教學(xué)改革?！蔽闹型ㄟ^虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)可人機(jī)交互的三維可視化的虛擬火電廠，虛擬火電廠能夠真實(shí)反映火力發(fā)電廠的生產(chǎn)運(yùn)行全過程及主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、拆裝以及工作原理的講解等，了解電廠的所有設(shè)施和設(shè)備，同時(shí)可以模擬不同專業(yè)崗位的巡檢路線并進(jìn)行巡檢，巡檢過程中可以直觀地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，為電力院校建立虛實(shí)結(jié)合的“校中廠”模式仿真教學(xué)和600 MW級(jí)超臨界火電機(jī)組運(yùn)行人員的培訓(xùn)提供了幫助。

1虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)工具

1.1　3DS Max軟件

3DS Max是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，它提供了強(qiáng)大的基于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)三維建模、動(dòng)畫設(shè)計(jì)和渲染等功能，3DS Max 的圖像處理技術(shù)極大地簡化了圖像處理的復(fù)雜過程，被廣泛應(yīng)用于影視、廣告、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作等不同領(lǐng)域的各種靜、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的制作。

1.2　Virtools軟件

Virtools軟件是法國Virtools公司開發(fā)的一套整合軟件，它可以將3D模型、圖片、視頻及音頻等常用的格式文件整合在一起。Virtools可提供功能強(qiáng)大的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，用戶使用模塊化的行為模塊撰寫互動(dòng)行為元素的腳本語言，能夠制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境對(duì)參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。

2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)集視、聽、觸覺一體化的，能夠模擬發(fā)電生產(chǎn)真實(shí)環(huán)境的虛擬仿真環(huán)境。為火電廠集控運(yùn)行專業(yè)、電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)和電站技術(shù)人員進(jìn)行上崗前的職業(yè)教育培訓(xùn)提供支撐,同時(shí)也能夠?qū)ιa(chǎn)施工和科學(xué)技術(shù)研究提供技術(shù)指導(dǎo)。文中利用Potoshop軟件制作虛擬現(xiàn)實(shí)建模初期的紋理貼圖庫,利用3DS Max軟件構(gòu)建一個(gè)虛擬電站,然后將虛擬電站移植入虛擬交互平臺(tái)軟件Virtools中，對(duì)虛擬電站場(chǎng)景進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并設(shè)置交互功能。本文主要解決的問題是在虛擬電站視景生成和場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，最大可能地降低系統(tǒng)資源消耗量,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染、人機(jī)交互機(jī)與二維DCS仿真系統(tǒng)通訊的流暢性。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1　搜集資料和制作紋理貼圖

在對(duì)火電站各設(shè)備建模前,首先要確定各設(shè)備在火電廠系統(tǒng)環(huán)境中的真實(shí)幾何尺寸、相對(duì)位置及模型的精度等級(jí)。另外，由于各模型精細(xì)程度等級(jí)的限制，場(chǎng)景中各設(shè)備的真實(shí)感就要靠物體的表面紋理來體現(xiàn)。但是3DS Max軟件不能對(duì)設(shè)備的紋理圖片進(jìn)行全面、細(xì)致的處理，這就要借助于其他圖形圖像處理軟件來實(shí)現(xiàn)。通過討論比較，本文采用Photoshop軟件進(jìn)行處理，處理過程如下：首先用單反相機(jī)到電廠去拍下設(shè)備的實(shí)景照片，對(duì)拍回的相片采用Photoshop軟件進(jìn)行糾正處理，將糾正好的圖片采用插件另存為RGB或RGBA格式，整理成模型紋理庫，供后期用3DS Max制作時(shí)進(jìn)行調(diào)用。

3.2　設(shè)備三維模型建立

電廠各設(shè)備的三維模型是虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)的基礎(chǔ),模型建立得好壞直接影響到虛擬電站場(chǎng)景的真實(shí)度?？紤]到后期二維DCS仿真和虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互的要求,以及網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率的制約,在建模中進(jìn)行了綜合考慮，遵循這么一個(gè)原則:以各設(shè)備模型不失真、滿足后期的設(shè)備結(jié)構(gòu)拆裝為前提，制作過程中盡量采用簡單的模型。最后通過添加材質(zhì)、貼圖及渲染等辦法得到如圖2所示的設(shè)備場(chǎng)景模型。

圖1　真空泵簡模

圖2　真空泵簡模效果

3.3　場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)

用3DS Max制作好的模型場(chǎng)景文件要導(dǎo)入Virtools軟件中，首先要安裝Virtools提供的Virtools_to_Max輸出插件。模型制作軟件3DS Max包涵的模型、材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫等都可以輸出Virtools所識(shí)別的(*.NMO,*.CMO)格式文件。安裝好插件后，就可以在3Dmax軟件的導(dǎo)出選項(xiàng)中選擇Virtools Export (*.nmo,*.cmo,*.vmo)，打開輸出插件窗口,可對(duì)當(dāng)中一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(如動(dòng)畫、資源共享、貼圖精度等等)。導(dǎo)出的vmo文件是不充許Virtools進(jìn)行導(dǎo)入的，只能在程序打包運(yùn)行中調(diào)用，而*.nmo和*.cmo就可以導(dǎo)入到Virtools中，然后可對(duì)其所包括的資源進(jìn)行一系列的操作等。

3.4　模型的交互設(shè)計(jì)

Virtools交互設(shè)計(jì)開發(fā)可分為以下3種：

1)Virtools自帶的700多個(gè)Buliding Blocks內(nèi)置行為模塊, Buliding Blocks模塊包括了大部分所要實(shí)現(xiàn)的功能,例如物體的縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、貼圖更替、材質(zhì)的效果等等,可以滿足大部分的程序開發(fā)。如圖3所示。

圖3　Virtools內(nèi)的節(jié)點(diǎn)程序1

2)Virtools腳本語言(VSL)。VSL是一種強(qiáng)大的腳本語言，用于作為VirtoolsBuliding Blocks的補(bǔ)充。它的類達(dá)到60多個(gè)，數(shù)學(xué)函數(shù)130多個(gè)，基本都是從Object類派生出來的，Buliding Blocks方式能做到的基本都能做到，如圖4所示。

3)SDK和VC++來寫B(tài)uilding Blocks。SDK 是一套軟件開發(fā)工具 ,提供 Virtools 軟件的所有底層函數(shù)，開發(fā)者結(jié)合VC++可以使用它對(duì) Virtools 引擎進(jìn)行功能擴(kuò)充和制作自定義的可執(zhí)行應(yīng)用程序，如圖5所示。

圖4　Virtools內(nèi)VSL腳本語言

圖5　Virtools SDK擴(kuò)展開發(fā)

3.5　電站系統(tǒng)展示

電站系統(tǒng)展示是將火電廠的各個(gè)子系統(tǒng)(如凝結(jié)水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)等)單獨(dú)地孤立出來呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。各子系統(tǒng)可以通過鼠標(biāo)控制攝像機(jī)的遠(yuǎn)近，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)觀察管路流程、系統(tǒng)設(shè)備組成情況等，如圖6～7所示。

圖6　燃燒器系統(tǒng)

圖7　凝結(jié)水系統(tǒng)

3.6　設(shè)備的虛擬拆裝

設(shè)備的虛擬拆裝是將電站的主要設(shè)備單獨(dú)展示，用戶可以對(duì)其拆裝、分解、組合，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。功能實(shí)現(xiàn)的過程是充分利用前期對(duì)設(shè)備進(jìn)行零部件的建模，使一個(gè)零部件為一個(gè)物體。將各模型導(dǎo)入Virtools后把各個(gè)零部件的角度、位置記錄到數(shù)組中，然后編寫操控程序，以達(dá)到按設(shè)備的先后順序拖動(dòng)零部件，進(jìn)行組合。通過程序帶有的吸附功能，移動(dòng)到與正確位置一定的范圍內(nèi)，零部件就自行吸附，如圖8所示。

圖8　設(shè)備虛擬拆裝的部分程序

3.7　管道數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

電站有很多管道，每個(gè)管道都有顏色分類、標(biāo)牌名稱、流動(dòng)方向等。為方便修改和管理及教學(xué)需要，管理人員可通過管道后臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)電站中的各種管道進(jìn)行自定義顏色、提示標(biāo)牌的隨時(shí)修改等操作。為實(shí)現(xiàn)這一功能，我們對(duì)電站鍋爐側(cè)跟汽機(jī)側(cè)的所有的管道、標(biāo)牌等建立了相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫信息，如圖9所示。

圖9　管道數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

3.8　設(shè)備工作原理視頻介紹

虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)中有火電站各主要設(shè)備工作原理、系統(tǒng)工作過程的視頻介紹，通過視頻講解使學(xué)生能對(duì)電廠各設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)一步了解。隨著電站設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，該平臺(tái)也支持管理人員后期的不斷修改和更新，通過可視化的界面進(jìn)行添加、刪除視頻等操作，以達(dá)到自己的教學(xué)目的，如圖10所示。

圖10　視頻欄目管理

4系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)開發(fā)完畢后,Virtools可采用兩種格式文件的發(fā)布:一種是以CMO文件格式保存,供其他Virtools進(jìn)行調(diào)用，作為資源文件形式；另一種是將整個(gè)系統(tǒng)以VMO文件格式進(jìn)行發(fā)布保存,VMO文件可以配合相應(yīng)的HTML文件格式進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽器形式的播放,這種情況，客戶端需要安裝播放插件VirtoolsWebPlayer,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)VMO的支持,也可以開發(fā)單獨(dú)的VMO文件播放器，播放VMO這種文件形式只適用于單機(jī)版,如圖11所示。

圖11　用戶漫游圖

5關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1　貼圖烘焙技術(shù)

Render To Textures也就是貼圖烘焙技術(shù)，簡單地說就是先把光照信息渲染成貼圖，再把這個(gè)烘焙后的貼圖代替原來該物體的貼圖，也可以以加殼的形式與原來的貼圖共存。這樣光能傳遞的信息變成了貼圖，不需要CPU參與計(jì)算了，這種方式在三維虛擬中應(yīng)用廣泛，提高硬件利用效率的同時(shí)，又能保證物體視覺效果上的真實(shí)性。為讓電站模型具有光感，我們對(duì)電廠每個(gè)設(shè)備都采用了貼圖烘焙技術(shù)，使模型上的光感更細(xì)膩，更真實(shí)，同時(shí)也減少了計(jì)算機(jī)占用的資源，如圖12～13所示。

圖12　烘焙前的效果

圖13　烘焙后的效果

5.2　漫游功能

虛擬電站場(chǎng)景的游覽方式有兩種：自由巡檢模式和固定巡檢模式。

自由巡檢模式是操作人通過自己定義的按鍵，控制場(chǎng)景中的虛擬人對(duì)電廠任意地方漫游行走。實(shí)現(xiàn)的過程是把控制代碼附加在攝影機(jī)上，這樣攝影機(jī)就繼承了代碼所要表達(dá)的意途，達(dá)到自由漫游的效果。程序中對(duì)各種不可穿越的設(shè)備物體進(jìn)行了碰撞處理，避免穿過碰撞物。角色動(dòng)作控制行為模塊流程圖如圖14所示。

圖14　角色動(dòng)作控制行為模塊撰寫流程圖

固定巡檢由預(yù)先設(shè)置好的路徑軌跡來引導(dǎo)相機(jī)運(yùn)動(dòng)游覽，到某個(gè)設(shè)備處再自由瀏覽該點(diǎn)的設(shè)備。流程圖如圖15所示。

圖15　引導(dǎo)相機(jī)動(dòng)作流程圖

5.3　與二維DCS仿真通信

虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)與清華紫光公司開發(fā)的600 MW DCS仿真機(jī)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)通訊開發(fā)，600 MW DCS仿真系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)反饋至虛擬電站場(chǎng)景中。

以下是虛擬電站系統(tǒng)跟二維DCS仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的代碼(部分)。

//初始化與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎的連接

//szHost：主機(jī)名

//szShop：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫名

//返回值：與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的連接id，用作以下大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作接口的輸入?yún)?shù)

//例：intiConId=Connect(“prjsrv”,”prjsrv_prjname_0”);

intConnect(PCSTRszHost,PCSTRszShop);

//添加需取值的標(biāo)簽點(diǎn)

//nConId：上一接口(Connect)所取得的連接id，以下相同

//szTag：所需取值的標(biāo)簽點(diǎn)名稱

//返回值：標(biāo)簽點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編號(hào)

//例：intiTagId=AddTag(iConId,“TAGNAME.AV”);

intAddTag(intnConId,PCSTRszTag);

//移除已添加的標(biāo)簽點(diǎn)

//nConId：同上

//nRtDataId：上一接口(AddTag)所取得的標(biāo)簽點(diǎn)編號(hào)

//例：RemoveTag(iConId,iTagId);

voidRemoveTag(intnConId,intnRtDataId);

//添加數(shù)據(jù)標(biāo)簽點(diǎn)后對(duì)本地緩存的更新

//nConId：同上

//返回值：非法連接id返回-1，成功返回0

//例：intiRes=Refresh(iConId);

intRefresh(intnConId);

//根據(jù)標(biāo)簽點(diǎn)id取得實(shí)時(shí)值

//nConId：同上

//nRtDataId：同上

//返回值：標(biāo)簽點(diǎn)實(shí)時(shí)值

//例：doubledValue=GetValue(iConId,iTagId);

doubleGetValue(intnConId,intnRtDataId);

//取得標(biāo)簽點(diǎn)名稱取得實(shí)時(shí)值

//nConId：同上

//szPointName：標(biāo)簽點(diǎn)名稱

//返回值：標(biāo)簽點(diǎn)實(shí)時(shí)值

//例：doubledValue=GetValue(iConId,”TAGNAME.AV”);

doubleGetValueByName(intnConId,PCSTRszPointName);

//根據(jù)標(biāo)簽點(diǎn)id設(shè)置實(shí)時(shí)值

//nConId：同上

//szPointName：標(biāo)簽點(diǎn)名稱

//szValue：新的實(shí)時(shí)值

//返回值：失敗為-1，成功為0

//例：intiRes=SetValue(iConId,”TAGNAME.AV”,“1.21”);

intSetValue(intnConId,PCSTRszPointName,PCSTRszValue);

6結(jié)語

目前，利用本文研究成果開發(fā)完成的虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)，已經(jīng)應(yīng)用于我院的認(rèn)知實(shí)習(xí)、仿真實(shí)訓(xùn)、熱力發(fā)電廠等一體化教學(xué)的課程中。通過虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基于虛擬電站環(huán)境的“校中廠”教學(xué)模式。在本文的研究成果基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)與電站二維DCS仿真的雙向通信，用虛擬電站崗位技能培訓(xùn)平臺(tái)替代二維DCS仿真的虛擬就地，以及如何實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，將是下一步需要研究的問題。

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The research and implementation on virtual power plant post skills training platform

LIU Cong, et al.

(AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

Abstract：This paper introduces the 600 MW virtual power plant post skills training platform system development according to the prototype of Hefei Wanneng power plant in Anhui province. With production softwares 3dmax and virtools as development tools, using virtual reality technology, making full use of 3d graphics, 3d animation and sound as multimedia forms, the training platform system has achieved virtual three-dimensional and omni-directional roaming scenario of the power plant. The main equipment of virtual disassembly, structure show and working principle have been introduced; meanwhile an interactive real-time communication between the two-dimensional DCS simulation and three dimensional simulation of thermal power unit has been realized; also a help for the electric power college implementing simulation teaching in model of “the factory in school” combining with virtual and reality, and the level of 600 MW supercritical thermal power unit operation personnel training have been provided.

Key words：virtual power plant post skills; 3DMax;3d animation; real-time communication