張文忠，盧 軍，張瑞君，張 亮，李宗政，辛理夫

(1.華電福新能源股份有限公司，北京 100031；2.銳電科技有限公司，北京 100044)

0 引言

可視化(Visualization)是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。可視化技術(shù)使人們可在二維(2D)或三維(3D)圖形世界中對具有形體的信息直接進(jìn)行操作，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接交流。將可視化技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域，通過可視化技術(shù)可將風(fēng)電運(yùn)維工作中的各個主要要素轉(zhuǎn)化成圖像并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，從而進(jìn)行人員培訓(xùn)、技術(shù)支持等。利用可視化技術(shù)，通過圖像、3D 動畫，以及數(shù)據(jù)與實(shí)體模型相融合，可使管理者、初學(xué)者對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部件所處位置、外形及其運(yùn)行原理和檢修過程形成更直觀的認(rèn)識，可大幅減少管理和培訓(xùn)費(fèi)用支出，提升培訓(xùn)效率和管理水平。本文主要對可視化技術(shù)在風(fēng)電運(yùn)維中的應(yīng)用案例進(jìn)行了介紹和分析。

1 2D 可視化技術(shù)的應(yīng)用

1.1 風(fēng)電場集中監(jiān)控

目前，大部分風(fēng)電場及集控中心已大規(guī)模應(yīng)用2D 可視化技術(shù)，該技術(shù)能以圖形和數(shù)據(jù)的形式將獲取的風(fēng)電場中單臺風(fēng)電機(jī)組及全部風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時狀態(tài)信息進(jìn)行展示。根據(jù)這些信息既可以對風(fēng)電場的單臺風(fēng)電機(jī)組或集群進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，又可以通過查看歷史信息和現(xiàn)場數(shù)據(jù)對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

某風(fēng)電場運(yùn)營企業(yè)利用2D 可視化技術(shù)，將中央監(jiān)控系統(tǒng)對整個風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)果以圖像的形式顯示在屏幕上，以便于相關(guān)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程控制；并對風(fēng)電機(jī)組集群及單臺風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，以便于相關(guān)人員進(jìn)行相應(yīng)操作。具體如圖1、圖2 所示。

1.2 風(fēng)電場運(yùn)維信息管理

通過2D 可視化技術(shù)將匯集到數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)電場日常運(yùn)維工作記錄、風(fēng)電機(jī)組健康管理等運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化和表格化，然后提供給風(fēng)電場運(yùn)維工作者和管理者作為參考，極大地提高了運(yùn)維工作的效率。

1.3 物資管理

2D 可視化技術(shù)在物資管理方面的應(yīng)用主要是進(jìn)行檔案管理和第三方維修管理，是為了使現(xiàn)場相關(guān)工作人員和整理人員方便、高效地進(jìn)行物資檔案錄入工作，可規(guī)范風(fēng)電場運(yùn)營企業(yè)的檔案管理工作，將物資管理規(guī)范化、數(shù)據(jù)化、可視化，保證區(qū)域公司共享物資信息，解決企業(yè)物資聯(lián)動管理，提高風(fēng)電場運(yùn)營企業(yè)的物資利用率，節(jié)省風(fēng)電場運(yùn)營企業(yè)的運(yùn)營成本。

圖1 集群風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控界面Fig.1 Wind turbine cluster monitoring interface

圖2 單臺風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控界面Fig.2 Single wind turbine monitoring interface

圖3 物資管理界面Fig.3 Material management interface

1.4 日常運(yùn)維管理

日常運(yùn)維工作的管理主要涉及零部件的維修、更換記錄，以及風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維記錄、巡檢記錄的可視化管理。此模塊使現(xiàn)場人員和管理人員方便快捷地進(jìn)行風(fēng)電機(jī)機(jī)組運(yùn)維工作的檔案錄入，監(jiān)督工作人員的風(fēng)電機(jī)組部件更換、維修操作工藝，規(guī)范工作人員的風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)和巡檢檢查操作，并將檔案記錄數(shù)據(jù)庫化，方便查看風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)，以了解以往風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的歷史信息。

1.5 2D 可視化技術(shù)的應(yīng)用小結(jié)

通過2D 可視化技術(shù)可將匯集的風(fēng)電場信息和數(shù)據(jù)圖形化展示，便于分析，有效降低了風(fēng)電場運(yùn)維管理時的難度；可使風(fēng)電場的物資得到最優(yōu)化利用，為風(fēng)電運(yùn)維工作提供便捷的信息在線監(jiān)測技術(shù)，提高了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控水平，有利于風(fēng)電場安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 3D 可視化技術(shù)的應(yīng)用

由于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無論是用于產(chǎn)品展示和介紹，還是用于人員培訓(xùn)，2D 的展示方法都無法真實(shí)、直觀地展示風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其在實(shí)際運(yùn)行過程中的工作原理。得益于3D可視化技術(shù)的發(fā)展，使用戶能更直觀地查看風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣連接狀況，更好地理解風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作原理。

2.1 基于3D 可視化技術(shù)的仿真模擬、培訓(xùn)

通過3D 建模軟件，可將風(fēng)電機(jī)組各部分按照實(shí)物大小等比例搭建3D 模型。采用3D 模型能更直觀地從不同角度、維度觀看風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，并能與模型進(jìn)行交互，用戶可通過透視與動畫功能觀看風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和不同系統(tǒng)中零部件的響應(yīng)過程。圖4 為機(jī)艙內(nèi)主要部件的3D 模型。

圖4 機(jī)艙內(nèi)主要部件的3D 模型Fig.4 3D model of main components in the nacelle of wind turbine

2.1.1 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油冷系統(tǒng)工作原理的3D 動畫演示

相對于2D 平面動畫的局部剖面展示，使用3D 動畫制作技術(shù)可將風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油冷系統(tǒng)工作過程中的熱能傳導(dǎo)過程及油冷系統(tǒng)各部件的響應(yīng)過程進(jìn)行立體展示。用戶能更直觀地從整體到局部觀察到元器件的響應(yīng)，可觀察到無法用肉眼直接看到的變化過程，更利于用戶對其原理的理解。圖5 為齒輪箱油冷系統(tǒng)工作原理的3D 動畫展示。

圖5 齒輪箱油冷系統(tǒng)工作原理的3D 動畫展示界面Fig.5 3D animation display interface of working principle of gear box oil cooling system

2.1.2 風(fēng)電機(jī)組的檢修培訓(xùn)應(yīng)用

利用3D 技術(shù)，嚴(yán)格按照風(fēng)電機(jī)組各部件的實(shí)物比例進(jìn)行精細(xì)化建模，依據(jù)檢修規(guī)程模擬設(shè)備檢修的拆解、檢修及安裝，并展示了檢修時涉及到的檢修工具、檢修備品備件，以及設(shè)備拆解后的擺放。用戶可直接查看設(shè)備的檢修工藝和進(jìn)度，此方式可培訓(xùn)相關(guān)人員學(xué)習(xí)具體的檢修過程和檢修標(biāo)準(zhǔn)。利用3D 技術(shù)呈現(xiàn)的輪轂滑環(huán)如圖6 所示。

圖6 3D 技術(shù)呈現(xiàn)的輪轂滑環(huán)Fig.6 Wheel hub slip ring displayed by 3D technology

2.2 VR 技術(shù)應(yīng)用

VR 技術(shù)是指以3D 技術(shù)為基礎(chǔ)，采用虛幻引擎模擬真實(shí)的現(xiàn)場環(huán)境開發(fā)虛擬場景，使用VR 立體頭盔等設(shè)備制作沉浸式交互體驗(yàn)。該技術(shù)在風(fēng)電場的應(yīng)用主要涉及：1)風(fēng)電運(yùn)維人員的安全培訓(xùn)和情景再現(xiàn)，包括事故體驗(yàn)、應(yīng)急急救和應(yīng)急處置等；2)模擬現(xiàn)實(shí)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行、檢修場景及零部件的實(shí)時分解等內(nèi)容，可與使用人員實(shí)時交互，以提升用戶對風(fēng)電機(jī)組的認(rèn)知和提高其作業(yè)技能。

2.2.1 事故現(xiàn)場的模擬

風(fēng)電機(jī)組工作人員的日常工作涉及到高空和帶電作業(yè)，通過VR 技術(shù)可真實(shí)再現(xiàn)由工作人員違章作業(yè)引起的人身傷害事故，以及應(yīng)急逃生和救援方法，并且可以通過第三視角重放事故，讓體驗(yàn)者從中學(xué)習(xí)急救、逃生方法，并了解違反安全作業(yè)規(guī)程的危害。下文為某風(fēng)電企業(yè)與軟件開發(fā)商合作，利用VR 技術(shù)模擬的3 種事故現(xiàn)場。

1)觸電事故。模擬了工作人員在機(jī)艙內(nèi)違章作業(yè)，手觸碰到帶電部位，導(dǎo)致發(fā)生電擊事故，該工作人員瞬間倒地休克。觸電倒地全過程還可以通過第三視角重放。圖7 為觸電事故模擬。

圖7 觸電事故模擬Fig.7 Electric shock accident simulation

2)墜落事故。模擬了工作人員在吊裝口邊緣未正確使用防墜裝置，導(dǎo)致失足跌落，直接摔入底層的墜落事故。用戶可通過第三視角觀看到墜落艙底后的傷殘狀態(tài)。圖8 為墜落事故模擬。

圖8 墜落事故模擬Fig.8 Fall accident simulation

3)中暑事故。由于風(fēng)電機(jī)組設(shè)備內(nèi)部環(huán)境具有高密封性，且各類機(jī)械設(shè)備不斷運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量熱能，但工作人員在進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部作業(yè)時必須穿戴各類安全設(shè)備，包裹較為嚴(yán)實(shí)。因此，在該條件下作業(yè)非常容易中暑，雖然中暑的發(fā)生看似平常，但其可能造成的人生安全危害卻極為重大，此時安全急救是頭等大事。模擬了中暑人員的急救操作，應(yīng)首先將中暑人員拖至通風(fēng)處。圖9 為中暑人員急救模擬。

圖9 中暑人員急救模擬Fig.9 First aid simulation of heatstroke personnel

2.2.2 風(fēng)電設(shè)備仿真模擬

通過3D 可視化技術(shù)構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型后，可通過VR 工具進(jìn)行觸摸或通過PC 端鼠標(biāo)拖拽方式將設(shè)備進(jìn)行拆解，之后還可以通過一鍵還原將設(shè)備還原到最初狀態(tài)；模擬還具有拆解還原功能，可查看設(shè)備自動拆解的過程及拆解之后自動還原的過程。相比于3D 動畫方式，VR 技術(shù)可使學(xué)習(xí)者身臨其境地體驗(yàn)部件的拆解，有助于加深學(xué)習(xí)者的感知記憶和操作反射，提升學(xué)習(xí)的趣味性和操作性。

圖10 器件拆解模擬Fig.10 Device disassembly simulation

2.3 3D 可視化技術(shù)的應(yīng)用小結(jié)

3D 可視化技術(shù)解決了風(fēng)電機(jī)組多項(xiàng)培訓(xùn)難題，除可為風(fēng)電運(yùn)維工作者提供虛擬現(xiàn)實(shí)的場景之外，還為風(fēng)電運(yùn)維人員安全、技能培訓(xùn)提供了模擬平臺。

3 結(jié)論

本文對2D 和3D 可視化技術(shù)在風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。通過采用2D 可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)將匯集的風(fēng)電場信息和數(shù)據(jù)以圖形化的方式展現(xiàn)，便于分析，有效降低了風(fēng)電場運(yùn)維管理難度；可使風(fēng)電場的物資得到最優(yōu)利用，為風(fēng)電運(yùn)維工作提供便捷的信息在線監(jiān)測技術(shù)，提高了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控水平，保證了風(fēng)電場安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。通過采用3D 可視化技術(shù)解決了與風(fēng)電機(jī)組相關(guān)的培訓(xùn)難題，為風(fēng)電運(yùn)維工作者提供了虛擬現(xiàn)實(shí)的場景，并為風(fēng)電運(yùn)維人員安全、技能培訓(xùn)提供了模擬平臺。

加強(qiáng)可視化技術(shù)在風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域的應(yīng)用，有助于促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)與利用。