何新穎，樂 毅，陳 洪，肖志懷(.武漢大學，武漢 43007；.湖北宣恩洞坪水電有限責任公司，湖北 恩施 445500)

0 引 言

我國水輪發(fā)電機組正在向著大容量、高水頭、高比轉(zhuǎn)速、自動化程度高等方面發(fā)展，水輪發(fā)電機組中主要機電設(shè)備的技術(shù)水平也得到迅速發(fā)展。水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備的控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等基本實現(xiàn)了自動化和信息化，機組開停機與增減負荷等操作實現(xiàn)了計算機遠程控制，自動化程度越來越高[1]。正因為自動化程度的不斷提高，導(dǎo)致了相關(guān)專業(yè)學生和電廠工作人員的學習培訓難度不斷加大。傳統(tǒng)的現(xiàn)場培訓方式，不僅費時費力，而且效果也不顯著。首先，水電站建筑、設(shè)備繁雜，有些設(shè)備根本無法進行現(xiàn)場觀摩和學習；其次，在重要而復(fù)雜的技術(shù)操作上，學員往往很長時間內(nèi)都沒有機會實時演練，尤其在電網(wǎng)中承擔重要負荷任務(wù)的大型電廠，不可能因為學員的學習和培訓而進行開、停機等直接影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電廠經(jīng)濟效益的操作。因此,高質(zhì)量、便捷實用的虛擬仿真培訓系統(tǒng)成為水電廠現(xiàn)代化管理的一個必要內(nèi)容[2]。

3Ds Max是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，它集建模、材質(zhì)、燈光、渲染、動畫、輸出于一體[3]。3Ds Max具有快速實時、操作靈活、易學易用等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計以及工程可視化等領(lǐng)域。VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實軟件[4]。VRP擁有強大的功能[5]：具有碰撞功能，交互性好，場景逼真；可以利用各種相機，對場景設(shè)備進行全方位的觀察；既可以打包生成獨立的可執(zhí)行文件，又可以掛在網(wǎng)頁上供用戶遠程使用。

水輪發(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)使用3Ds Max和VRP進行開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)合水電站培訓中所遇到的諸多問題，對水電站三維虛擬交互場景進行了全面的分析和研究。通過前期實景取材、3ds Max物理建模與動畫制作、VRP交互功能設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，最終完成了水輪發(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)的制作。本仿真培訓系統(tǒng)以水電站三維虛擬仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)計了豐富的交互功能，能讓用戶在虛擬場景中進行漫游瀏覽、設(shè)備認知、設(shè)備操作和運行仿真培訓，實現(xiàn)了水電站培訓的相關(guān)功能。

1 仿真培訓系統(tǒng)設(shè)計流程

建立水電站虛擬仿真培訓系統(tǒng)，首先要建立水電站模型。以水電站仿真模型為基礎(chǔ)，對水電站主要設(shè)備進行介紹，讓學員對水電站各主要設(shè)備有個全面的認識。然后，對水電站進行開停機運行仿真，模擬開停機過程，仿真開停機操作，用動畫模擬開停機過程中水力機組及相關(guān)設(shè)備的動作。最后，針對培訓內(nèi)容進行考核，用戶信息和考核成績都存在MySQL數(shù)據(jù)庫中。建立仿真培訓系統(tǒng)的具體過程如下。

(1)通過3DsMAX軟件，將水電廠廠區(qū)建筑、道路、綠化及相關(guān)設(shè)施，和水電廠中控室、水力機組車間和水輪機開停機相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備，進行三維建模。結(jié)合水輪機開停機標準流程及操作，制作相應(yīng)的三維動畫。

(2)將制作完成的三維模型及動畫導(dǎo)入到VRP軟件，進行人機交互內(nèi)容開發(fā)。在仿真平臺VRP添加各種控件，包括按鈕、導(dǎo)航圖、圖片等，通過調(diào)取VRP腳本編輯功能，實現(xiàn)軟件所需的各種人機交互操作。

(3)利用已有的水輪機組開停機信息數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)到虛擬場景中的對應(yīng)模型，模擬真實的水輪機組操作過程的狀態(tài)表現(xiàn)。利用數(shù)據(jù)庫存儲開停機信息數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)觸發(fā)控件或操作，完成水輪發(fā)電機組的開停機仿真。VRP軟件自帶與各種常用數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，可以方便地與數(shù)據(jù)庫相連。

(4)通過服務(wù)器技術(shù)構(gòu)建基于B/S結(jié)構(gòu)的三維仿真培訓信息系統(tǒng)。利用C#構(gòu)建信息系統(tǒng)的后臺，主要涉及各種數(shù)據(jù)的存儲、刪除和管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，記錄學員的操作過程，實現(xiàn)軟件后臺考核功能。

仿真培訓系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)[6]開發(fā)，適用于遠程教學。學員通過登錄網(wǎng)頁，點擊水電站仿真培訓系統(tǒng)鏈接，下載安裝相應(yīng)插件，就可以在線進行培訓和考核。仿真培訓的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真培訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simulation training system

2 仿真培訓系統(tǒng)功能

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水輪機組運行仿真結(jié)合實際電站，建立電站的水輪發(fā)電機組、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、蝶閥、輔助系統(tǒng)、大壩、廠房等模型，對機組的開停機運行進行仿真， 模擬機組開停機過程中電站各設(shè)備的開閉運行狀態(tài)，并對電站設(shè)備手動操作進行仿真培訓。

2.1 場景漫游仿真

場景漫游對水電站場景進行自動瀏覽或自主瀏覽。廠房外部包括大壩和周邊環(huán)境用飛行相機進行漫游，廠房內(nèi)部包括發(fā)電機層、水輪機層、蝶閥層和地下隧道用行走相機進行漫游。通過漫游，學員熟悉了水電站各設(shè)備在電站中的位置。這對學員是非常重要的，尤其是對電站巡檢人員準確快速找到巡檢設(shè)備十分有用。場景漫游界面還設(shè)置了導(dǎo)航圖，導(dǎo)航圖可以顯示漫游人員所處的位置和行進的方向，起到了小地圖的功能。圖2為廠房外場景漫游，圖3為廠房內(nèi)場景漫游。

圖2 廠房外場景漫游Fig.2 Scene roaming outside the plant

圖3 廠房內(nèi)場景漫游Fig.3 Scene roaming inside the plant

2.2 設(shè)備認知培訓

水輪發(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)設(shè)備的認知功能對水電站主要設(shè)備進行全面介紹，讓學員全面了解水電站設(shè)備。學員通過點擊所要認知的設(shè)備，系統(tǒng)加載相應(yīng)的設(shè)備信息。設(shè)備信息包括設(shè)備臺賬、主要參數(shù)、主要部件和設(shè)備功能，如圖4所示。水電站中一些設(shè)備屬于埋入設(shè)備如尾水管、蝸殼等，還有一些設(shè)備在其他設(shè)備內(nèi)部如轉(zhuǎn)輪等，這些都不方便學員學習和認知其結(jié)構(gòu)。因此，仿真系統(tǒng)設(shè)置快捷傳送功能，學員通過此功能直接查看所要認知的設(shè)備，將其他設(shè)備隱藏或透明化，從而方便觀察設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

圖4 設(shè)備認知Fig.4 Device cognition

2.3 設(shè)備操作仿真培訓

設(shè)備操作仿真培訓對水電站關(guān)鍵設(shè)備進行手動操作培訓。水電站自動化程度很高，員工和學員很少有機會對設(shè)備進行手動操作，仿真培訓系統(tǒng)提供了手動操作練習的機會。這可以極大提高水電站工作人員的能力，保證了即便由于突發(fā)情況導(dǎo)致自動控制失靈，水電站工作人員也能手動進行設(shè)備操作。進行設(shè)備操作仿真培訓時，學員按照提示進行相應(yīng)設(shè)備的操作，掌握設(shè)備的操作步驟，如圖6所示。

2.4 運行仿真培訓

開停機是水電站運行的關(guān)鍵，對水電站進行開停機運行仿真培訓十分必要。現(xiàn)在水電站一般都是一鍵開停機，運行人員很少有機會了解設(shè)備在開停機過程中的動作。運行仿真培訓仿真水電站真實開停機過程，并對開停機過程中各設(shè)備動作進行三維動畫模擬。學員通過運行仿真培訓，可以掌握水電站開停機操作，熟悉電站各設(shè)備在開停機過程中的動作和作用。圖5為運行仿真界面，運行到各節(jié)點自動切換到相應(yīng)設(shè)備三維場景。

圖5 開機仿真界面Fig.5 Simulation interface of unit start-up

圖6 仿真培訓系統(tǒng)用戶結(jié)構(gòu)Fig.6 User structure of simulation training system

2.5 成績考核

水輪發(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)用戶分為管理員、學生和游客3種。管理員擁有最高權(quán)限，可以管理用戶的添加、刪除，還可以查看用戶考核成績。學生可以進行全部培訓和考核，游客只可以進行培訓而不能進行考核。水輪發(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示?？己朔譃閮刹糠郑皇菍υO(shè)備認知的考核，一是對設(shè)備操作的考核。設(shè)備認知考核(如圖7所示)以電站主要設(shè)備為考核內(nèi)容，讓學員找到所指定的設(shè)備。設(shè)備認知考核滿分為100，學員答對一題則獲得相應(yīng)的分數(shù)，答錯則不得分。設(shè)備操作考核(如圖8所示)考核學員操作設(shè)備，要求學生進行某種操作。學生找到相應(yīng)設(shè)備進行正確操作才可以得分。

圖7 設(shè)備認知考核Fig.7 Device cognitive examination

3 結(jié) 語

水輪發(fā)電機組運行仿真培訓系統(tǒng)是基于

圖8 設(shè)備操作考核Fig.8 Device operation examination

VRP開發(fā)的，目的是為了加強在校學生和水電站員工的實際操作技能。該系統(tǒng)已投入運行，培訓了多批學員，實際運行表明，通過該系統(tǒng)培訓，學員能夠更好地熟悉水電站設(shè)備，了解水電站運行過程和掌握操作技能，在現(xiàn)場作業(yè)時最大程度地減少誤操作現(xiàn)象，受到水電站工作人員和在校學生的歡迎。

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[1] 鄭曲全.淺談水電站自動化技術(shù)及其應(yīng)用[J].大眾科技，2008,(5):131-132.

[2] 吳海波.基于VC++技術(shù)面向?qū)ο蟮乃啺l(fā)電機組運行仿真系統(tǒng)[J].河海大學學報,2003,(2):148.

[3] 祁焱華,張 偉.3DS MAX 2011從入門到精通[M].北京:中國青年出版社,2011:14-18.

[4] 苗志宏,馬金強.虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,2014:58.

[5] 孫子嫻. 基于VR-Platform的三維虛擬學習環(huán)境的設(shè)計與開發(fā)[D].上海：上海師范大學,2009.

[6] 李云云. 淺析B/S和C/S體系結(jié)構(gòu)[J]. 科學之友,2011,(1):6-8.