高 煒, 董海玲, 孫海彥, 茅大鈞

(1.華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電分公司 運行部, 江蘇 鎮(zhèn)江 212400;2.上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著社會的快速發(fā)展和生產(chǎn)需求的迅速提升,現(xiàn)代火電廠技術(shù)改造速度也在不斷加快,超臨界、超超臨界等大功率發(fā)電機組不斷投運,這將對火電廠工作人員提出更高的運行操作技能要求。文獻[1]通過虛擬技術(shù)構(gòu)建了鍋爐、發(fā)電機等設(shè)備的三維模型,用戶可對場景中的虛擬對象進行觀察和瀏覽。文獻[2]通過虛擬DCS技術(shù)對電廠的給水除氧系統(tǒng)進行了建模和仿真。文獻[3]通過虛擬技術(shù)對虛擬變電站進行三維建模仿真,并利用MATLAB模擬變電站的各種運行狀態(tài)。

目前,基于虛擬技術(shù)的電廠操作培訓(xùn)系統(tǒng)研究在國內(nèi)還處于起步階段,如果能使虛擬技術(shù)的應(yīng)用范圍擴展到電廠操作領(lǐng)域,將給發(fā)電企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟和社會效益,具有很好的發(fā)展前景。現(xiàn)階段的電廠生產(chǎn)、操作、運行技能培訓(xùn)主要以教材理論學(xué)習和機組DCS仿真機操作培訓(xùn)為主,存在培訓(xùn)機組設(shè)備落后、數(shù)量不足等問題。在虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中,電廠工作人員可以通過虛擬平臺隨時隨地模擬電廠機組設(shè)備的維護和操作。

1 虛擬技術(shù)與操作仿真系統(tǒng)

虛擬技術(shù)是操作者通過相關(guān)輸入設(shè)備,與虛擬環(huán)境進行交互,由計算機處理與操作者需求相適應(yīng)的數(shù)據(jù),并對操作者的輸入作實時反饋,使操作者得到與現(xiàn)實環(huán)境中同樣的感受[4]。虛擬操作是虛擬技術(shù)在設(shè)備操作領(lǐng)域的具體應(yīng)用,將虛擬技術(shù)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合而形成的操作仿真系統(tǒng)。操作者在一個逼真的三維虛擬環(huán)境中,由計算機實時反饋操作者的操作需求,以達到與現(xiàn)實中相同的操作效果。

由于電廠的訓(xùn)練場地有限,且無法保障培訓(xùn)的絕對安全,利用虛擬技術(shù)建立一套操作仿真系統(tǒng),不僅使操作者有身臨其境的感覺,達到電廠培訓(xùn)的目的,同時也保障了操作人員的安全。電廠操作人員可隨時隨地在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練各種設(shè)備操作和巡檢技能,提高自身在現(xiàn)實機組設(shè)備操作過程中的熟練程度。

2 虛擬場景模型的建立

本系統(tǒng)主要是將幾何和圖像繪制算法進行混合,采用不同的實時場景繪制策略對虛擬環(huán)境進行繪制,同時采用不同的控制算法對用戶的人機交互進行控制[5]。

2.1 場景繪制策略

為滿足實際生產(chǎn)過程中對信息表達的需求,本系統(tǒng)將虛擬場景與實體建模場景進行合成,提供以三維動態(tài)形式出現(xiàn)的信息環(huán)境,從而使系統(tǒng)更具真實感和沉浸感。同時,系統(tǒng)采用分層組織、幾何簡化、動態(tài)調(diào)度、紋理替代與圖像繪制相結(jié)合的實時繪制策略來進行場景的繪制。

(1) 分層組織 系統(tǒng)根據(jù)電廠的實際情況對虛擬場景進行分層處理,然后根據(jù)電廠設(shè)備所處的位置計算相應(yīng)的層次,同時建立索引鏈表。根據(jù)現(xiàn)實場景中包含的物體數(shù)和物體分布的稀疏程度對場景進行細分。以樹狀形式組織整個場景,從而形成場景的結(jié)構(gòu)樹。場景的組織過程是自上而下的,若將整個場景理解為根節(jié)點,則場景中不同的系統(tǒng)為中間節(jié)點,具體設(shè)備為葉節(jié)點。因此,當操作者在場景中漫游時,可以直接根據(jù)索引鏈表定位到結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點,當視點移動時,根據(jù)目標點區(qū)域可直接連接到新的節(jié)點。采用分層組織的定位策略可以提高系統(tǒng)的場景顯示速度。

(2) 幾何簡化 考慮到電廠實際生產(chǎn)中的部分設(shè)備是由一些結(jié)構(gòu)完全相同的模塊所構(gòu)成,本系統(tǒng)對少數(shù)幾個模塊的結(jié)構(gòu)進行繪制,并采用紋理映射技術(shù)描繪其他結(jié)構(gòu)相同的模塊,從而減少繪制數(shù)量,提高繪制速度,且不會降低繪制場景的精度。

(3) 動態(tài)調(diào)度 本系統(tǒng)僅對操作者視野范圍內(nèi)的場景進行繪制,以減少繪制的多邊形數(shù)目,從而提高繪制速度。視點移動過程中內(nèi)存快速釋放視野范圍外的數(shù)據(jù),保存視野范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),同時讀入新的視野數(shù)據(jù),以實現(xiàn)虛擬場景的實時動態(tài)調(diào)度。

(4) 紋理替代 由于現(xiàn)實電廠環(huán)境中含有部分靜態(tài)場景,因此采用紋理替代原則,對滿足簡化要求的景物進行紋理替代,將其映射到空間四邊形表面,以減少復(fù)雜的圖像繪制畫面,從而簡化模型復(fù)雜度。

2.2 虛擬交互控制

虛擬場景應(yīng)具備運動功能,才能響應(yīng)工作人員的操作,實現(xiàn)人機交互的功能。為提高虛擬場景的交互特性,通過控制預(yù)測圖形的生成來實現(xiàn)對物體的運動控制。同時,為保證畫面的穩(wěn)定性,將系統(tǒng)預(yù)測圖像間過渡畫面的幀數(shù)初始設(shè)置為定值。

為了在生成預(yù)測圖像時可以快速改變場景中物體所處的位置,同時實現(xiàn)從當前畫面到下一幀畫面的過渡,本系統(tǒng)主要使用以下方法。

(1) 當用戶通過手持設(shè)備對物體進行拾取時,系統(tǒng)自動尋找該物體,并通知系統(tǒng)這一物體將要進行交互操作,同時將當前場景的物體放入隊列中。在繪制后續(xù)預(yù)測圖像時,系統(tǒng)將不再繪制上述隊列中的景物。

(2) 采用從后幀預(yù)測采樣圖像向當前幀采樣圖像變換的方法生成過渡畫面背景,同時利用算法直接繪制移動場景中的景物,從而得到最終顯示畫面。

由于虛擬環(huán)境中視點場景復(fù)雜度的差異較大,所以生成各幀畫面所需的相差也較大,便會導(dǎo)致在視點移動過程中畫面刷新頻率出現(xiàn)跳躍性變化,影響視覺效果,同時會出現(xiàn)幀頻不穩(wěn)定的現(xiàn)象。系統(tǒng)采用恒定幀顯示算法解決上述問題。算法流程如圖1所示。

圖1 恒定幀顯示算法流程

令F為期望刷新頻率,則Tframe=1/F為每幀中間過渡圖像繪制時間的期待值,tframe為實際某一幀中間過渡圖像繪制時間,Tkeyframe為關(guān)鍵幀的生成時間,Tson為子進程中生成所有中間過渡圖像的總時間。算法在子進程中每幀中間過渡圖像后加入停頓時間,子進程在繪制一幀中間畫面時,利用Tframe-tframe的時間來控制幀頻的穩(wěn)定。算法需要滿足以下3個條件。

(1)Tson應(yīng)大于Tkeyframe。若不滿足此條件,則在插值過程結(jié)束后,等待下一幀生成時會產(chǎn)生嚴重的停頓現(xiàn)象。

(2) 在滿足第1個條件的前提下,使幀頻盡快穩(wěn)定。

(3)Tkeyframe應(yīng)大于tframe。若不滿足此條件,則在關(guān)鍵幀切換時可能會出現(xiàn)刷新頻率的跳躍性變化。

2.3 基于改進方向的包圍盒碰撞檢測算法

在交互式的虛擬場景中,用戶可以通過操作手柄、鍵盤設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等對場景中的相應(yīng)設(shè)備進行操作,其中碰撞檢測問題是不可避免的。目前,常用的碰撞檢測算法有:方向包圍盒(Oriented Bounding Box,OBB)算法、軸向包圍盒(Axis-Aligned Bounding Box,AABB)算法、固定方向凸包(Fixed Directions Hulls,FDH)算法和包圍球(Sphere)算法等[6]。OBB算法的優(yōu)點是具有任意性,可以在任意方向上構(gòu)建包圍物體對象的最小長方體,其檢驗效果優(yōu)于AABB算法和Sphere算法,冗余性較好,但也存在計算量較大、檢驗過程較為復(fù)雜的缺點。因此,本文提出了一種基于改進OBB碰撞檢測算法[7],可以明顯簡化計算過程,提高運算速率。具體算法步驟如下。

步驟1 確定場景模型在x軸上的投影區(qū)間范圍[Pxmin,Pxmax]。

步驟2 將場景模型在x軸上的投影區(qū)間進行n(n∈Z+)等分,計算公式如下

(1)

式中:h——一個區(qū)間的長度。

步驟3 根據(jù)各頂點在x軸上的投影位置,將模型的頂點集U劃分為n個子集,計算頂點集U中各個子集的編碼,則位于第i個子集的點所構(gòu)成的頂點集Ui為

(2)

式中,i=1,2,3,…,m。

步驟4 提取近似包圍盒的頂點集U′

(3)

步驟5 通過對U′求均值和協(xié)方差,來構(gòu)造OBB包圍盒。頂點集U′的均值μ和協(xié)方差矩陣Cjk分別為

(4)

(5)

式中:l——場景模型的三角形數(shù)目;

2.4 場景仿真實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)除了時空共享、實時交互等基本功能外,還需對場景實驗仿真數(shù)據(jù)進行分析。本文主要從場景模型的數(shù)據(jù)屬性和資源加載時間兩個方面進行分析,以此來評價系統(tǒng)的仿真效果。表1為場景模型屬性值。

表1 模型屬性值

表1中,主機組系統(tǒng)、給煤機系統(tǒng)、磨煤機系統(tǒng)以及10 kV開關(guān)柜均屬于交互對象,因此它們的面數(shù)和頂點數(shù)都遠大于天空背景。其中,主機組系統(tǒng)作為主要的操作場景,其面數(shù)和頂點數(shù)都較其他交互對象要大。由于天空背景的模型特別大,可覆蓋整個場景,所以其渲染時間最長。各場景模型的幀率都大于30 fps,滿足系統(tǒng)模型效率的要求。

場景資源的一次加載時間為15 s,分開加載時間為5 s,分開加載時間較短,因此場景資源分開加載的顯示效果比一次加載的顯示效果要好。

3 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)

利用HTC Vive頭盔和數(shù)字手柄,讓用戶置身三維虛擬空間中,模擬電廠的操作環(huán)境和操作過程。連通DCS仿真系統(tǒng),生成監(jiān)控人員與操作人員之間的協(xié)同訓(xùn)練模擬畫面,從而提高員工的培訓(xùn)效率,同時有效模擬整個過程,訓(xùn)練協(xié)同能力。本系統(tǒng)采用虛擬技術(shù),利用多種共享服務(wù)器等硬件資源,提高電廠基礎(chǔ)設(shè)施資源的利用效率和電廠工作人員的管理水平,實現(xiàn)計算資源的動態(tài)優(yōu)化。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要裝配兩臺服務(wù)器:后臺數(shù)據(jù)管理中心服務(wù)器,主要完成數(shù)據(jù)接入、存儲和計算的功能;模擬訓(xùn)練服務(wù)器,主要完成VR內(nèi)容數(shù)據(jù)發(fā)布功能。

3.2 軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)利用新一代仿真建模軟件Multigen Creator進行軟件開發(fā)。該軟件具備針對應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式,可以描述三維模型的幾何層次結(jié)構(gòu),很好地進行多邊形建模、矢量建模,同時還能夠精確地生成大面積的地形。

系統(tǒng)軟件開發(fā)的主要流程如下。一是搜集電廠設(shè)備運行和操作規(guī)程,設(shè)備故障和維修的相關(guān)資料(包括維修工具和設(shè)備的形狀尺寸、相對位置等),以及設(shè)備物體之間的相互約束與干涉關(guān)系等。二是根據(jù)搜集到的設(shè)備參數(shù),利用Creator軟件進行模型搭建。三是建立仿真對象,并將巡檢時需要操作的設(shè)備及就地顯示儀表加載到圖形界面里,通過Vega Prime進行函數(shù)調(diào)動,模擬現(xiàn)場可能出現(xiàn)的故障。四是利用軟件開發(fā)進行程序編寫,調(diào)用模型實現(xiàn)虛擬設(shè)備的操作。按照設(shè)備操作邏輯編寫程序,以達到正確的處理現(xiàn)場設(shè)備故障的步驟和順序,并實現(xiàn)人機交互、行為動作、對象呈現(xiàn)等功能。

系統(tǒng)操作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)操作流程示意

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

華電江蘇某發(fā)電廠新員工入職培訓(xùn)時的技能培訓(xùn)中,采用了本文所提出的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。通過佩戴專業(yè)的虛擬裝備,能夠使員工沉浸在虛擬電廠環(huán)境中,達到了仿真專業(yè)培訓(xùn)的目的。培訓(xùn)現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖5 新員工入職培訓(xùn)照片

根據(jù)電廠的實際運行環(huán)境,結(jié)合現(xiàn)代化電廠技能培訓(xùn)的相關(guān)需求,模擬搭建了逼真的虛擬電廠運行環(huán)境,如圖6所示。

圖6 虛擬電廠環(huán)境

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的電廠二次設(shè)備如圖7所示。由圖7可以看出,通過專業(yè)的虛擬系統(tǒng)搭建技術(shù)創(chuàng)建的模型,其外觀與真實設(shè)備基本一致,滿足了不同角度的光照折射中所呈現(xiàn)出的視覺效果。

圖7 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)二次設(shè)備

4 結(jié) 語

虛擬培訓(xùn)操作系統(tǒng)的開發(fā)和利用使得電廠相關(guān)培訓(xùn)更加靈活、方便,不再受到地點和設(shè)備的限制,保證了人員的操作安全,減輕了很多培訓(xùn)管理人員的工作負擔,使得培訓(xùn)考核統(tǒng)計工作更加快捷,培訓(xùn)效率得到有效提升。同時,相關(guān)負責人員可以隨時了解培訓(xùn)人員的學(xué)習情況,便于掌握和控制培訓(xùn)進度。雖然本系統(tǒng)可以取得較好的培訓(xùn)效果,但后續(xù)仍需要更多的理論研究和實際調(diào)研來完善對全廠維護環(huán)境的虛擬實現(xiàn)。