文 | 張瑞君，盧軍，張文忠，張亮，李宗政，辛理夫

風(fēng)電場(chǎng)多處在風(fēng)能資源豐富的草原、戈壁、高山、近海等偏遠(yuǎn)地區(qū)，受外界惡劣的環(huán)境和氣候因素的影響，技術(shù)人員的運(yùn)維工作面臨較多的實(shí)際困難。隨著出質(zhì)保機(jī)組數(shù)量的大量增加，高級(jí)技術(shù)人員短缺以及現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)專業(yè)培訓(xùn)需求增多的問(wèn)題日益凸顯，急需構(gòu)建一個(gè)輕量級(jí)支持移動(dòng)智能設(shè)備使用，能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的實(shí)時(shí)情況，用于風(fēng)電運(yùn)行、維護(hù)工作的支持系統(tǒng)。

風(fēng)電領(lǐng)域的運(yùn)維技術(shù)培訓(xùn)難點(diǎn)包括原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件響應(yīng)動(dòng)作情況的直觀講解及其通過(guò)平面的結(jié)構(gòu)原理邏輯圖、結(jié)構(gòu)圖紙的動(dòng)態(tài)和立體展示。WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖協(xié)議，通過(guò)WebGL 網(wǎng)頁(yè)制作技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁(yè)中3D 動(dòng)畫(huà)、3D 模型的交互及實(shí)時(shí)技術(shù)接入，可以進(jìn)行跨平臺(tái)的3D 網(wǎng)頁(yè)制作，更加直觀地在移動(dòng)端展示風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化，讓使用者有身臨其境之感。結(jié)合WebGL 技術(shù)，構(gòu)建滿足教學(xué)內(nèi)容的模型和原理動(dòng)畫(huà)，能夠立體多方位地查看零部件結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，動(dòng)態(tài)演示風(fēng)電機(jī)組各系統(tǒng)的運(yùn)行原理和零部件的響應(yīng)，從而提升風(fēng)電技術(shù)工作者的能力和運(yùn)行維護(hù)的工作效率。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于WebGL 的3D 技術(shù)，提出一種風(fēng)電運(yùn)維支持系統(tǒng)方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組虛擬化仿真模擬，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行原理和運(yùn)維技能的展示更加形象立體，為使用者帶來(lái)輕量級(jí)、可移動(dòng)、形象化和沉浸式的使用體驗(yàn)，為風(fēng)電運(yùn)維技能的傳承提供高效的載體。

風(fēng)電運(yùn)維可視化支持系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)電運(yùn)維可視化支持系統(tǒng)基于WebGL 技術(shù)制作風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備仿真模型和設(shè)備運(yùn)行原理動(dòng)畫(huà)，并基于風(fēng)電控制系統(tǒng)采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行仿真模擬。該系統(tǒng)應(yīng)用主流架構(gòu)、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠與其他系統(tǒng)進(jìn)行完美兼容，實(shí)現(xiàn)視頻資源的分類存儲(chǔ)、擴(kuò)展，通過(guò)預(yù)留接口可與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通。

系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，基于WebGL 框架HT 引擎設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，用戶可直接在瀏覽器上通過(guò)網(wǎng)址進(jìn)行訪問(wèn)，不依賴任何插件。如圖1 所示，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)展示層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要使用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)基本信息和采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，使用JSON 文件存儲(chǔ)3D 模型數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理層主要使用HT 引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及動(dòng)畫(huà)邏輯的實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)展示層主要使用基于WebGL 開(kāi)發(fā)的HT 引擎和HTML5 完成對(duì)3D 場(chǎng)景的加載渲染，通過(guò)改進(jìn)的渲染算法解決加載大量3D 模型時(shí)出現(xiàn)瀏覽器崩潰的現(xiàn)象?；赪ebGL引擎搭建的場(chǎng)景，可以自由旋轉(zhuǎn)、縮放、平移；通過(guò)JS 腳本控制模型、動(dòng)畫(huà)，可演示風(fēng)電機(jī)組各系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程；通過(guò)分步驟，又可分別查看不同時(shí)期的動(dòng)畫(huà)。在數(shù)字化風(fēng)電機(jī)組場(chǎng)景中，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整模型實(shí)現(xiàn)模型外殼顯示及模型驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)所用到的按鈕、列表、樹(shù)和彈窗等組件，都是基于HTML5 Canvas 實(shí)現(xiàn)的HT UI 庫(kù)組件。Canvas 又叫畫(huà)板，可以使用JavaScript 繪制想要的圖形（通過(guò)基本的圖形，如線、圓、矩形以及填充圖像繪制更加復(fù)雜的圖形）。通過(guò)Canvas能在指定的位置繪制需求像素，繪制效率高，動(dòng)畫(huà)性能高。Canvas 的渲染方案實(shí)現(xiàn)了高性能，例如，表格組件可顯示上百萬(wàn)個(gè)單元格，不存在卡頓現(xiàn)象；完備的頁(yè)面布局組件，可輕松實(shí)現(xiàn)頁(yè)面布局；單獨(dú)的頁(yè)面組件樣式設(shè)置，簡(jiǎn)化了代碼，更加方便快捷。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電運(yùn)維可視化支持系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

風(fēng)電運(yùn)維可視化支持系統(tǒng)主要包括9 個(gè)模塊（見(jiàn)圖2）。系統(tǒng)以實(shí)際應(yīng)用為核心，逐級(jí)構(gòu)造，使用詳實(shí)的3D 動(dòng)畫(huà)制作風(fēng)電機(jī)組組成和控制系統(tǒng)的原理等基礎(chǔ)知識(shí)，為用戶提供便捷的理論學(xué)習(xí)內(nèi)容；定期維護(hù)模塊為用戶從理論學(xué)習(xí)到實(shí)操學(xué)習(xí)提供了過(guò)渡；故障處理模塊則整合理論和實(shí)操內(nèi)容，形成完整處理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的工作流程；數(shù)字化風(fēng)機(jī)模塊能將故障數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并對(duì)其進(jìn)行可視化分析，加深用戶對(duì)風(fēng)電機(jī)組原理和運(yùn)行邏輯的理解，形成符合用戶認(rèn)知規(guī)律的系統(tǒng)學(xué)習(xí)路線。

一、3D場(chǎng)景漫游模塊

該模塊是指用戶通過(guò)鼠標(biāo)和滾輪可完成對(duì)整個(gè)3D 場(chǎng)景的移動(dòng)、縮放、選中、旋轉(zhuǎn)操作，并能從任意角度查看設(shè)備結(jié)構(gòu)。選中相應(yīng)的部件會(huì)彈出該設(shè)備的信息框，從中可以查看設(shè)備的信息，包括定期維護(hù)及拆裝信息（如圖3、圖4）。

二、故障處理模塊

點(diǎn)擊故障編號(hào)或名稱，能在界面顯示“故障分析”和“故障消除”兩個(gè)列表?！肮收戏治觥卑ㄒ罁?jù)圖紙、控制邏輯、設(shè)備的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析的視頻內(nèi)容?！肮收舷卑ǖ囊曨l內(nèi)容有：（1）消除故障時(shí)工器具使用；（2）對(duì)照?qǐng)D紙進(jìn)行故障排查時(shí)元件、電氣回路測(cè)量與檢查以及故障點(diǎn)定位；（3）消除故障時(shí)零部件更換。

故障處理的內(nèi)容按照?qǐng)D5 進(jìn)行分步制作，每一小步為一個(gè)視頻或者文檔，并配有文字說(shuō)明。

圖3 整機(jī)模型

圖4 減速機(jī)透視模型

三、定期維護(hù)模塊

該模塊包含維護(hù)的項(xiàng)目、使用的工器具、消耗材料的名稱和數(shù)量、維護(hù)的方法和步驟。依據(jù)維護(hù)手冊(cè)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（列標(biāo)準(zhǔn)名稱）按照機(jī)組結(jié)構(gòu)從下至上、機(jī)艙從內(nèi)到外的順序逐一介紹每個(gè)維護(hù)項(xiàng)目的操作步驟，并在操作中用文字附注詳細(xì)的工作標(biāo)準(zhǔn)以及注意事項(xiàng)。

四、安全模塊

該模塊包含風(fēng)電機(jī)組安全作業(yè)規(guī)范、安全工器具及防護(hù)用品的使用等。

五、資料庫(kù)模塊

用戶可通過(guò)該模塊對(duì)系統(tǒng)中的定期維護(hù)模塊、故障處理模塊、安全模塊所展示的內(nèi)容進(jìn)行集中管理，具有資料的上傳和刪除功能。

圖5 故障處理

圖6 故障處理模塊界面

資源庫(kù)依據(jù)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，完整覆蓋整個(gè)機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。為系統(tǒng)的資源擴(kuò)展和技術(shù)支持、培訓(xùn)素材制作提供規(guī)范載體。以資源庫(kù)中每個(gè)項(xiàng)目為基本元素，可最大化地進(jìn)行資源復(fù)用（復(fù)用率可達(dá)60%以上，節(jié)省了開(kāi)發(fā)維護(hù)成本），通過(guò)調(diào)用基本單元完成從部件到系統(tǒng)，再到整機(jī)的構(gòu)建。

六、數(shù)字化風(fēng)機(jī)模塊

將風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，通過(guò)該模塊對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的模擬展示風(fēng)電機(jī)組不同狀態(tài)機(jī)的變化。用戶通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流的重放和追溯，能直觀理解風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)和風(fēng)電機(jī)組的控制原理。

七、論壇模塊

用戶可建立和發(fā)布主題內(nèi)容，上傳文字、圖片、視頻，其他用戶可對(duì)該主題進(jìn)行瀏覽、留言、關(guān)鍵字搜索。在線交流與分享技術(shù)技能的方式，有助于運(yùn)維人員技術(shù)水平和機(jī)組故障處理能力的提高。每一個(gè)風(fēng)電運(yùn)營(yíng)公司都擁有眾多類型的機(jī)型，每一種機(jī)型都有各自專屬的備件配置，通過(guò)論壇能夠聚集公司內(nèi)相同機(jī)型的運(yùn)維人員。對(duì)于論壇中收集到的問(wèn)題，可凝聚整個(gè)公司的技術(shù)力量進(jìn)行解答，通過(guò)檢索即可快速找出已經(jīng)得到解決問(wèn)題的答案。

圖7 數(shù)字化風(fēng)機(jī)界面

應(yīng)用效果

借助WebGL 技術(shù)在網(wǎng)頁(yè)端構(gòu)建3D 可視化模型，技術(shù)人員通過(guò)不同角度反復(fù)觀看機(jī)組的組成結(jié)構(gòu)和其在不同運(yùn)行工況下元器件的響應(yīng)過(guò)程，能夠直觀學(xué)習(xí)到所需的知識(shí)，更好地掌握機(jī)組結(jié)構(gòu)和控制原理知識(shí)；利用故障處理、定期維護(hù)等相關(guān)模塊能夠快速完成相關(guān)故障的分析、處理及機(jī)組維護(hù)。

一、風(fēng)電機(jī)組組成和控制原理培訓(xùn)

在風(fēng)電機(jī)組未出質(zhì)保（維護(hù)工作由整機(jī)廠家完成）的內(nèi)蒙古自治區(qū)某風(fēng)電公司應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行了2 次針對(duì)風(fēng)電機(jī)組組成和控制原理的培訓(xùn)，參加人員共53 人（新入職人員22 人，初級(jí)技術(shù)人員31 人），其中40 人未經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)。培訓(xùn)考試平均分?jǐn)?shù)為82 分，而傳統(tǒng)課堂培訓(xùn)的2 年平均分?jǐn)?shù)為68.5 分。這表明相對(duì)于傳統(tǒng)課堂，通過(guò)本系統(tǒng)學(xué)習(xí)能有效提高技術(shù)人員的技能水平。

二、風(fēng)電機(jī)組故障處理

在風(fēng)電機(jī)組已出質(zhì)保的內(nèi)蒙古自治區(qū)某風(fēng)電公司應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行故障排查支持工作。應(yīng)用本系統(tǒng)處理故障76 次，其中高級(jí)技術(shù)人員應(yīng)用21 次，初級(jí)技術(shù)人員應(yīng)用54 次，參與人數(shù)12 人。統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)故障處理情況發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)分析沒(méi)有遺漏，精準(zhǔn)度達(dá)到100%，故障點(diǎn)排查覆蓋率達(dá)89%；初級(jí)技術(shù)人員平均故障處理時(shí)間減少32%，高級(jí)技術(shù)人員平均故障處理時(shí)間減少19%。試用結(jié)果表明，通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行故障排查工作能有效提高現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的工作效率，減少機(jī)組停機(jī)時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電運(yùn)維工作中高級(jí)技術(shù)人員短缺以及風(fēng)電場(chǎng)對(duì)集約化管理的需求，本文提出了基于WebGL 技術(shù)和HT 引擎框架開(kāi)發(fā)、用于風(fēng)電運(yùn)維人員培訓(xùn)和實(shí)際工作的風(fēng)電運(yùn)維可視化支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)在瀏覽器端對(duì)風(fēng)電機(jī)組以及各子系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行3D 仿真模擬，使資料和數(shù)據(jù)的展示更加真實(shí)、立體，為風(fēng)電運(yùn)維集約化、運(yùn)維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)傳承提供支撐。