張祖輝，孔競

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計院有限公司，杭州 310012）

1 引言

電力行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重要的能源產(chǎn)業(yè)，電廠是提供電力能源的重要設(shè)施。近年來，電廠單元機(jī)組正朝著大容量、高參數(shù)和高自動化方向發(fā)展，電廠智能化水平也在不斷提高。在此背景下，機(jī)組運(yùn)行人員的專業(yè)知識、操作技能和現(xiàn)場應(yīng)變能力以及電廠的維護(hù)檢修系統(tǒng)面臨著更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，加強(qiáng)對運(yùn)行人員的培訓(xùn)和對維護(hù)檢修系統(tǒng)的智能化提升對于電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與生產(chǎn)作業(yè)、維護(hù)檢修等功能相互獨(dú)立，電廠員工在培訓(xùn)過程中往往脫離實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，無法收獲逼真的現(xiàn)場體驗(yàn)效果，培訓(xùn)效果欠佳。近年來，虛擬仿真技術(shù)憑借著沉浸性、交互性、想象性、逼真性的獨(dú)特特征，逐漸應(yīng)用于教育、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的研究、評估和可視化活動中[2,3]，為電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提供了新的發(fā)展方向。

本文提出了一套智能化的電廠維護(hù)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了仿真模擬功能與電廠維護(hù)功能的結(jié)合，將電廠培訓(xùn)仿真與維護(hù)檢修、生產(chǎn)運(yùn)行有機(jī)串聯(lián)為一體。通過數(shù)據(jù)庫平臺的信息匹配整合和后臺趨勢化分析，實(shí)現(xiàn)電廠企業(yè)員工、電廠生產(chǎn)設(shè)備、可視化虛擬模型與實(shí)時運(yùn)行參數(shù)之間的互聯(lián)互通，最終獲得智能化、物聯(lián)化、可視化的電廠維護(hù)預(yù)警和仿真培訓(xùn)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)原理及總體架構(gòu)

電廠智慧維護(hù)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)通過可視化技術(shù)，將電廠內(nèi)的建筑、鍋爐、汽機(jī)、管道、支吊架等以真實(shí)尺寸構(gòu)建三維模型，在電廠三維場景內(nèi)通過高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和服務(wù)器平臺將虛擬模型與實(shí)時生產(chǎn)信息、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，打通仿真系統(tǒng)和維護(hù)檢修系統(tǒng)之間的信息孤島，以直觀、動態(tài)的方式展示廠區(qū)內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行信息、視頻監(jiān)控、安全預(yù)警提示等，并提供設(shè)備拆裝、互動式操作教學(xué)等功能，提高電廠的運(yùn)營能力和智慧化水平。

整體需要建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過靜態(tài)數(shù)據(jù)表，存儲維護(hù)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括各類生產(chǎn)設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的匹配關(guān)系與各自屬性；建立一系列的動態(tài)數(shù)據(jù)表，存儲仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的交互指令與模擬仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括仿真運(yùn)行時間、控制參數(shù)等指令與數(shù)據(jù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真平臺的人機(jī)交互與信息呈現(xiàn)。利用Plant Design Management System（PDMS）軟件對廠區(qū)建筑和各類生產(chǎn)設(shè)備建立三維虛擬模型[4]。在Visual C++開發(fā)環(huán)境下設(shè)置調(diào)用三維場景的程序，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互界面，使操作人員能夠?qū)崟r發(fā)布操作指令傳遞至后臺服務(wù)器，同時在瀏覽工作場景時觀察各類裝置設(shè)備的特性參數(shù)，并且獲取仿真系統(tǒng)模擬運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和電廠實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是仿真培訓(xùn)過程的模型和 數(shù)據(jù)來源，將電廠運(yùn)行流程和典型工況數(shù)據(jù)，以及電廠運(yùn)行規(guī)程規(guī)范等信息配置集成數(shù)據(jù)。以工業(yè)游戲形式為電廠人員提供單人獨(dú)立培訓(xùn)教學(xué)和多角色互動仿真教學(xué)，建立動畫教學(xué)模塊、規(guī)程培訓(xùn)模塊以及動態(tài)流程模擬模塊等。培訓(xùn)后根據(jù)模擬仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的對比和教練員的綜合判定給出學(xué)員的成績，體現(xiàn)出良好的多角色交互性。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 三維模型及場景構(gòu)建

如圖1所示，根據(jù)電廠實(shí)際工作場景使用PDMS軟件進(jìn)行等比例建模。三維模型設(shè)計區(qū)域覆蓋到全廠范圍，包括主廠房和輔助工藝廠房，廠區(qū)總平道路和地形，地下溝道和管網(wǎng)部分，廠區(qū)綜合管架等。涵蓋內(nèi)容有：（1）廠房內(nèi)各占位模型，如典型的管道、鍋爐六道、暖通風(fēng)道橋架和各類設(shè)備（機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備）等；（2）實(shí)體支吊架模型，真實(shí)反映各零件和連接件；（3）檢修空間和維護(hù)通道；（4）地下設(shè)施，包括主廠房結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、地梁、地溝和設(shè)備基礎(chǔ)等，廠區(qū)地下所有的管道、地溝和基礎(chǔ)等；（5）廠區(qū)綜合管架。

圖1 電廠內(nèi)典型管道實(shí)物與PDMS模型對照圖

將三維模型導(dǎo)出至相應(yīng)格式文件，使用Unity3D軟件進(jìn)一步渲染優(yōu)化電廠工作場景，對燈光、組件等場景元素進(jìn)行深層次加工，完成對模型的材質(zhì)貼圖，使虛擬場景效果更為逼真。將模型信息配置集成數(shù)據(jù)，加密上傳至服務(wù)器，用于仿真培訓(xùn)過程中調(diào)用分析。

3.2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

建立基于虛擬分布式處理單元（Visual Distributed Processing Unit，VDPU）的激勵式仿真系統(tǒng)[5]。所謂 VDPU，就是將實(shí)際分散控制單元（Distributed Processing Unit，DPU）中的功能移植到VDPU軟件上，采用軟件仿真的方法在計算機(jī)上模擬一個或者多個DPU的工作過程，使分散控制功能脫離電廠實(shí)際硬件而實(shí)現(xiàn)。

使用Visual C++開發(fā)服務(wù)器平臺下的VDPU程序，根據(jù)電廠的實(shí)際操作環(huán)境建立人機(jī)交互界面，根據(jù)需要添加各種控件，包括按鈕、導(dǎo)航圖、圖片等，從而實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器中模擬多個DPU的工作過程，然后通過數(shù)據(jù)傳輸反饋至人機(jī)交互界面，邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于VDPU的仿真模式邏輯結(jié)構(gòu)圖

在服務(wù)器操作系統(tǒng)中編寫程序?qū)崿F(xiàn)DPU功能的移植，VDPU可以直接使用實(shí)際分散控制系統(tǒng)生成的下載文件，從而方便地再現(xiàn)DPU功能。此外，針對關(guān)鍵的操作規(guī)范和操作流程制作動畫，并與相應(yīng)的設(shè)施或設(shè)備關(guān)聯(lián)，方便學(xué)員在教學(xué)環(huán)節(jié)調(diào)用觀看。

3.3 實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

建立實(shí)時生產(chǎn)檢測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的通信接口，將電廠生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)與三維虛擬仿真模型之間的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時調(diào)用。同時將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，便于后期調(diào)用分析。后臺服務(wù)器一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)達(dá)到歷史故障接近值，立即在人機(jī)交互界面顯示報警提示。

3.4 仿真培訓(xùn)管理

建立學(xué)員信息庫和培訓(xùn)資料庫，學(xué)員信息包含學(xué)員姓名、崗位級別、成績評定等，培訓(xùn)資料庫包含操作規(guī)程、培訓(xùn)案例、培訓(xùn)記錄等。使用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡終端設(shè)備和三維投影屏相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)智慧維護(hù)培訓(xùn)仿真功能。建立一套“教-學(xué)-練-考-評”的完整培訓(xùn)考核評價體系，操作員的最終成績可由2部分組成，一部分為系統(tǒng)根據(jù)記錄的操作數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)答案對照自動形成的評價結(jié)果，另一部分為教練員調(diào)閱學(xué)員操作記錄，根據(jù)實(shí)際情況做出的評價優(yōu)化。通過上述考核工作，保證崗位定級工作的客觀、公平、準(zhǔn)確進(jìn)行。

4 系統(tǒng)功能介紹

4.1 電廠虛擬全景漫游

平臺利用實(shí)時動態(tài)三維數(shù)據(jù)加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的分布式加載。操作人員可以選定廠區(qū)內(nèi)場景，自定義漫游路徑，在全廠區(qū)域內(nèi)進(jìn)行虛擬漫游瀏覽，還可通過人機(jī)交互輸出多種格式的場景漫游圖片或視頻。通過點(diǎn)擊場景中的設(shè)備模型，顯示該設(shè)備的的詳細(xì)信息，例如，設(shè)備名稱、設(shè)備監(jiān)控視頻、安全參數(shù)以及操作規(guī)程等。通過漫游，學(xué)員可以熟悉電廠各設(shè)備的位置，對于電站巡檢人員準(zhǔn)確快速找到巡檢設(shè)備尤其有用。場景漫游界面還可以設(shè)置路線導(dǎo)航圖，顯示漫游人員所處的位置和行進(jìn)的方向，起到小地圖指引的作用。

4.2 實(shí)時信息可視化展示

智慧維護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的一個重要功能是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合5G通信技術(shù)將廠區(qū)內(nèi)重要的監(jiān)測信息可視化展示，主要包含生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和廠區(qū)環(huán)境信息。制作電廠模型構(gòu)建和場景渲染時，將建筑、設(shè)備、傳感裝置等單獨(dú)建立且設(shè)置編號，在后臺數(shù)據(jù)庫將模型編號與監(jiān)測數(shù)據(jù)（如視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)等）進(jìn)行一對多的關(guān)聯(lián)。操作人員可以通過查詢設(shè)備唯一編號直接定位到模型所在位置，也可以直接點(diǎn)擊模型查詢設(shè)備編號并且讀取設(shè)備對應(yīng)的監(jiān)測信息。運(yùn)行人員可以在人機(jī)交互界面同時查詢不同種類的電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，全面掌握廠區(qū)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 智能預(yù)警維護(hù)

系統(tǒng)將歷史運(yùn)行工況的關(guān)鍵參數(shù)（如溫度、濕度、氣壓、流量等）分種類保存，將實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)與歷史監(jiān)測值比較，判斷當(dāng)前工況是否運(yùn)行正常；同時在后臺服務(wù)器處理平臺添加數(shù)學(xué)模型計算和趨勢化分析功能，對鍋爐、汽機(jī)等關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行全壽命周期的管控，若監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常，則會在對應(yīng)的三維模型上標(biāo)記突出，并在人機(jī)交互界面進(jìn)行彈窗提示。此外，異常信息會在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行備份記錄，方便電廠運(yùn)行人員進(jìn)行復(fù)查分析。系統(tǒng)著重針對鍋爐四管泄漏和壽命管理、汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測、紅外成像監(jiān)測、轉(zhuǎn)機(jī)滾動軸承壽命管理和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等設(shè)立專門的預(yù)警維護(hù)模塊，提升整體安全管理能力。

4.4 機(jī)組運(yùn)行預(yù)測及事故分析

系統(tǒng)提供機(jī)組仿真預(yù)測功能，可以通過導(dǎo)入實(shí)時的電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，模擬和預(yù)演電廠機(jī)組的各種可能工況，合理預(yù)測機(jī)組未來一段時間內(nèi)的運(yùn)行狀況。一旦發(fā)現(xiàn)隱患立即采取措施調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。現(xiàn)場發(fā)生事故后，可以將事故發(fā)生時的運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)中，重演事故過程。通過分析監(jiān)測仿真系統(tǒng)中的運(yùn)行過程，尋找事故發(fā)生的原因。將事故數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫保存，用于學(xué)員調(diào)用學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)員應(yīng)急處理該類事故的能力。

4.5 設(shè)備拆裝模擬

學(xué)員可以通過點(diǎn)擊所要認(rèn)知的設(shè)備查看相應(yīng)的設(shè)備信息，包括主要參數(shù)、零部件組成、設(shè)備功能和操作規(guī)程等。此外，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備部件圖及裝配圖采集設(shè)備零部件形狀、幾何尺寸、相互匹配關(guān)系及相對位置等特征信息，建立設(shè)備拆裝數(shù)據(jù)庫。進(jìn)一步研發(fā)PDMS軟件二次開發(fā)接口，在模型構(gòu)建階段生成拆裝模擬演示視頻。通過在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中選擇所需設(shè)備模型，加載服務(wù)器緩存的高精度設(shè)備模型數(shù)據(jù)及動態(tài)拆裝視頻，直接在線調(diào)用查看設(shè)備的精準(zhǔn)拆裝演示。

4.6 多角色互動教學(xué)

系統(tǒng)支持多員工同時在線培訓(xùn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教練員與學(xué)員的實(shí)時互動交流。將關(guān)鍵的電廠運(yùn)行人員操作流程制作成三維模擬演練腳本，學(xué)員可以在操作界面選擇執(zhí)行不同的腳本從而加載相應(yīng)的培訓(xùn)場景。培訓(xùn)過程中，交互界面按照工作規(guī)程進(jìn)行提示，以三維工業(yè)游戲的形式，在虛擬場景中進(jìn)行模擬訓(xùn)練，如開關(guān)的操作、閥門的控制、機(jī)械的裝配等。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還原真實(shí)的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。對于復(fù)雜的培訓(xùn)演練過程，系統(tǒng)支持多人合作培訓(xùn)仿真，通過多臺虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備終端同時登陸操作，分角色布置培訓(xùn)學(xué)習(xí)任務(wù)，完成操作全過程仿真。系統(tǒng)通過對比學(xué)員操作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自動打分評價，并對錯誤操作進(jìn)行糾正講解和正確操作演示。建立培訓(xùn)歷史數(shù)據(jù)庫，方便后期調(diào)用復(fù)習(xí)，加強(qiáng)培訓(xùn)效果。

5 結(jié)語

電廠規(guī)模的擴(kuò)大和智能化發(fā)展對電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)提出了日益嚴(yán)格的要求。針對傳統(tǒng)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)與生產(chǎn)作業(yè)、維護(hù)檢修等功能相互獨(dú)立的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電廠智慧維護(hù)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。通過可視化虛擬現(xiàn)實(shí)交互，為電廠運(yùn)行人員提供逼真的實(shí)景操作教學(xué)和培訓(xùn)。同時，通過調(diào)用實(shí)時電廠運(yùn)行工況數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了電廠智能監(jiān)測預(yù)警和機(jī)組運(yùn)行預(yù)測等功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電廠培訓(xùn)仿真與維護(hù)檢修、生產(chǎn)運(yùn)行的有機(jī)結(jié)合，為大型發(fā)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了數(shù)字化保障。