林金偉

上海電氣工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 201199

1 研究背景

槽式光熱電站的設(shè)計(jì)規(guī)劃對(duì)電站運(yùn)行性能有重要的影響,一旦規(guī)劃出現(xiàn)失誤,有可能造成巨大的損失。傳統(tǒng)的光熱電站主要以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、圖紙等方式表現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃的預(yù)期場(chǎng)景,既不直觀也不形象。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前科技的前沿技術(shù),具有沉浸式的場(chǎng)景、逼真的可視化效果,可以在光熱電站規(guī)劃場(chǎng)景可視化構(gòu)建中發(fā)揮重要作用,在視覺、聽覺以及交互性方面更加符合人體感官的需要[1],有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法抽象、不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)[2]。相比于三維動(dòng)畫技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)所支持的實(shí)時(shí)渲染功能,便于方案的優(yōu)化調(diào)整,真正做到了所見即所得,滿足設(shè)計(jì)的快速迭代,增加規(guī)劃的科學(xué)性[3-4]。劉雄[5]探討了城市規(guī)劃中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。Gong Liang等[6]結(jié)合點(diǎn)云建模將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在工廠布局規(guī)劃中,并進(jìn)行了詳細(xì)的討論。Jamei等[7]進(jìn)行研究,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)展的智慧城市設(shè)計(jì)規(guī)劃中。Yap等[8]通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化和實(shí)時(shí)交互功能,使產(chǎn)品的制造過程可視化?？梢?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究已經(jīng)應(yīng)用到了眾多領(lǐng)域的可視化構(gòu)建中,并取得了一些成果。

筆者以某50 MW綜合能源一體化電站為對(duì)象,基于Unity引擎和SteamVR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)了槽式光熱電站規(guī)劃場(chǎng)景可視化虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電站規(guī)劃場(chǎng)景的沉浸式漫游,滿足了設(shè)計(jì)迭代、規(guī)劃評(píng)審、宣傳展示等需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行槽式光熱電站規(guī)劃的可視化構(gòu)建,包含兩大組成部分:模型環(huán)境和漫游交互[9]。槽式光熱電站可視化構(gòu)建總體設(shè)計(jì)如圖1所示。首先對(duì)槽式光熱電站的模型環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化建模,包括視覺、聽覺和觸覺。視覺是可視化構(gòu)建的最重要組成部分,包括了場(chǎng)景中所有能看到的如地形、環(huán)境、建筑、設(shè)備等。聽覺主要包括了各種音效和語音講解,增加場(chǎng)景的逼真度和完整性。觸覺主要是通過手柄的振動(dòng),為參觀者提供觸覺反饋。其次,將槽式光熱電站數(shù)字化模型環(huán)境導(dǎo)入至虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎Unity中,在引擎中完成模型環(huán)境的布局、光線處理、材質(zhì)渲染等工作。最后,進(jìn)行漫游交互開發(fā),包括漫游移動(dòng)和交互控制。

圖1 槽式光熱電站可視化構(gòu)建總體設(shè)計(jì)

3 槽式光熱電站虛擬模型環(huán)境

基于可視化構(gòu)建的目標(biāo),需要建立與真實(shí)槽式光熱電站場(chǎng)景一致的模型環(huán)境,包括地理信息、設(shè)備及建筑的三維模型,還需要進(jìn)行場(chǎng)景渲染、設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作模擬等工作。

3.1 地理信息數(shù)據(jù)可視化

槽式光熱電站通常處于我國西北部光照資源豐富的戈壁地帶,包括了占地?cái)?shù)平方公里的超大面積集熱場(chǎng),因此地理環(huán)境是影響電站可視化的一個(gè)非常重要的因素。在虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化場(chǎng)景中,需要特別關(guān)注電站站址的地形地貌、植被情況、道路、河流、邊界條件等因素,這些因素將很大程度上影響電站整體規(guī)劃的真實(shí)性和可視化效果。通過借助地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探數(shù)據(jù)資料,對(duì)電站所在地區(qū)的地貌特征進(jìn)行幾何數(shù)字化處理,建立包含戈壁環(huán)境、道路、山脈、植物等地形地貌信息及自然條件的三維數(shù)字化地理模型[10]。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行電站設(shè)備和建筑等主體目標(biāo)的構(gòu)建。

3.2 設(shè)備、建筑三維模型

為滿足對(duì)電站場(chǎng)景的高保真度還原,需要對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)的設(shè)備、建筑進(jìn)行1∶1三維數(shù)字化建模。槽式光熱電站所包含的三維模型主要有槽式集熱器、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、油鹽熱交換器、電加熱器、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器、主廠房、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、升壓站、空冷系統(tǒng)、追光式光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。筆者建立的電站場(chǎng)景中所使用的三維模型均由設(shè)備供應(yīng)廠家提供,保證了模型的準(zhǔn)確性。部分設(shè)備的三維模型如圖2所示。

圖2 部分設(shè)備三維模型

在建立虛擬場(chǎng)景時(shí),由于設(shè)備供應(yīng)廠家所提供的三維模型包含了很多工程細(xì)節(jié)及技術(shù)秘密,這些內(nèi)容不需要在虛擬場(chǎng)景中呈現(xiàn),因此在滿足虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可視化需求的前提下,需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,針對(duì)不同顯示顆粒度需求的地方進(jìn)行減面操作,通過模型簡(jiǎn)化可以減少對(duì)硬件系統(tǒng)資源特別是顯卡資源的消耗,增加流暢度。

3.3 場(chǎng)景渲染

為滿足虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景高逼真度的需求,需要根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)劃意圖進(jìn)行美術(shù)處理,根據(jù)地理信息系統(tǒng)提供的相關(guān)地理環(huán)境數(shù)據(jù),營(yíng)造戈壁的地形地貌和自然環(huán)境。根據(jù)設(shè)備、建筑的真實(shí)設(shè)計(jì)外觀,創(chuàng)造逼真的設(shè)備和建筑外觀視覺效果。在Unity引擎中基于真實(shí)環(huán)境和各設(shè)備、建筑的照片,利用UV紋理貼圖和編寫著色器等方式,針對(duì)不同的設(shè)備零部件、建筑、自然環(huán)境等要素設(shè)計(jì)開發(fā)不同的材質(zhì)庫。對(duì)于集熱器中導(dǎo)油管流動(dòng)效果的可視化,通過編寫程序控制貼圖的UV值隨時(shí)間進(jìn)行變化,即可呈現(xiàn)出材質(zhì)流動(dòng)的效果。

3.4 粒子特效創(chuàng)建

槽式光熱電站的功能是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,因此能量流動(dòng)的顯示是電站可視化的重要組成部分。通常槽式光熱電站的能量流動(dòng)包含三個(gè)回路,每個(gè)回路的導(dǎo)熱介質(zhì)和溫度都不同,采用流動(dòng)的粒子特效,并配合不同的材質(zhì),可以有效地表現(xiàn)出不同回路、不同介質(zhì)的能量流動(dòng)效果,如圖3所示。

圖3 粒子能量流動(dòng)效果

3.5 設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作模擬

槽式光熱電站包含眾多需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備,為了將這些設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作狀態(tài)在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行可視化的呈現(xiàn),在Unity引擎中通過設(shè)置關(guān)鍵幀創(chuàng)建上述設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作模擬動(dòng)畫,并通過編寫腳本程序控制這些動(dòng)畫的播放。正常狀態(tài)下,槽式集熱器和追光式光伏的朝向角度會(huì)隨著一天中太陽位置的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以保證對(duì)太陽能利用的最大化,在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)場(chǎng)景中要表現(xiàn)該效果,需要在通過關(guān)鍵幀創(chuàng)建槽式集熱器和追光式光伏的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)畫的基礎(chǔ)上,編寫腳本程序?qū)?chǎng)景平行光的照射角度與集熱器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)聯(lián),即可呈現(xiàn)出槽式集熱器和追光式光伏隨太陽照射角度變化而轉(zhuǎn)動(dòng)的效果,并在地面上顯現(xiàn)出因光照角度變化而移動(dòng)的陰影。

3.6 音效和語音講解

為進(jìn)一步增強(qiáng)場(chǎng)景的逼真程度,場(chǎng)景中的聽覺包括了設(shè)備運(yùn)行的音效和語音講解功能,通過錄音、音效模擬及講解配音將場(chǎng)景中需要聽覺參與的部分錄制成音頻文件。當(dāng)漫游到相應(yīng)位置時(shí),觸發(fā)對(duì)應(yīng)的聽覺體驗(yàn)。

4 槽式光熱電站漫游交互設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)用戶與槽式光熱電站虛擬現(xiàn)實(shí)可視化場(chǎng)景之間的信息交流,需要開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電站漫游交互功能,借助操控設(shè)備將控制指令傳遞至虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)中,系統(tǒng)根據(jù)指令觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作,其中最重要的就是漫游移動(dòng)和交互控制。

4.1 漫游移動(dòng)開發(fā)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架,漫游移動(dòng)的方式包括被動(dòng)式漫游和主動(dòng)式漫游。被動(dòng)式漫游根據(jù)規(guī)劃者的意圖、地形地貌、建筑、設(shè)備等實(shí)際場(chǎng)景的具體特點(diǎn),進(jìn)行漫游路徑確定,包括一些鳥瞰、透視等視角,并需要依據(jù)人體感官的接收程度,在不降低高空視角、連續(xù)運(yùn)動(dòng)等視覺效果的同時(shí),減小眩暈等不適感[11]。并且,當(dāng)視角移動(dòng)至對(duì)應(yīng)的位置時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的場(chǎng)景變化、設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作、音效及語音講解等。主動(dòng)式漫游讓觀察者借助手柄等操控設(shè)備,進(jìn)行自由地移動(dòng),自由地選擇觀察視角,自由地通過交互界面操控場(chǎng)景中的各種動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)完全根據(jù)觀察者意愿的漫游體驗(yàn)。

4.2 交互控制開發(fā)

用戶需要通過手柄將控制指令傳遞至系統(tǒng)中,進(jìn)而控制虛擬場(chǎng)景中的設(shè)備運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)的出現(xiàn)/隱藏、漫游位置的變化、音效和語音講解的播放等,同時(shí)也需要呈現(xiàn)部分設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)信息。在Unity引擎中,基于UGUI開發(fā)用于UI交互操作的圖形和用戶界面[12-13]。UI交互界面如圖4所示。在槽式光熱電站場(chǎng)景可視化系統(tǒng)中,除了佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器的用戶需要操控電站場(chǎng)景系統(tǒng),一旁的輔助人員有時(shí)也會(huì)因?yàn)閹椭摂M現(xiàn)實(shí)用戶需要操控虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景系統(tǒng),因此在鍵盤上設(shè)置了對(duì)應(yīng)的按鍵功能,使得輔助人員可以通過鍵盤控制虛擬場(chǎng)景,增加了可操控性。

圖4 UI交互界面

5 綜合能源一體化電站虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

基于上述槽式光熱電站規(guī)劃場(chǎng)景可視化構(gòu)建的策略,以某50 MW綜合能源一體化電站為對(duì)象,基于Unity引擎建立了槽式光熱電站規(guī)劃場(chǎng)景可視化虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng),展示效果如圖5所示。硬件方面,選用VIVE Cosmos作為虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器,由Precision 7720移動(dòng)工作站提供運(yùn)算。主要硬件如圖6所示。用戶佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器后,可以沉浸式地體驗(yàn)該綜合能源一體化電站的規(guī)劃場(chǎng)景、設(shè)備的運(yùn)行效果、能量傳遞效果等并配合有音效和語音講解,實(shí)現(xiàn)具有人機(jī)交互、高逼真度、身臨其境的虛擬電站場(chǎng)景漫游,進(jìn)而滿足對(duì)設(shè)計(jì)迭代、規(guī)劃評(píng)審、宣傳展示等功能的需求。

圖5 槽式光熱電站可視化展示效果

圖6 虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)主要硬件

6 結(jié)束語

在場(chǎng)景的可視化構(gòu)建中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠直觀地將想象中的場(chǎng)景直接具象的構(gòu)建、呈現(xiàn)出來,更容易發(fā)現(xiàn)規(guī)劃中存在的問題,提高設(shè)計(jì)規(guī)劃迭代的工作效率。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建槽式光熱電站可視化場(chǎng)景,主要包括了四項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

(1) 創(chuàng)造虛擬的環(huán)境。針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)劃等當(dāng)前現(xiàn)實(shí)中不存在的場(chǎng)景,可以實(shí)現(xiàn)快速場(chǎng)景構(gòu)建,并保證非常高的逼真程度,幫助設(shè)計(jì)出更加合理的規(guī)劃。

(2) 身臨其境的觀察體驗(yàn)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)造的虛擬電站場(chǎng)景,在一定程度滿足了對(duì)視覺、聽覺、觸覺的全方位全視角感受,讓用戶有更真實(shí)的體驗(yàn)感。

(3) 對(duì)復(fù)雜的規(guī)劃細(xì)節(jié)進(jìn)行計(jì)算,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境下對(duì)場(chǎng)地地形、建筑形態(tài)、機(jī)械設(shè)備等進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)它們的布局、運(yùn)行等進(jìn)行模擬仿真,通過觀察設(shè)計(jì)規(guī)劃中的具體細(xì)節(jié),幫助設(shè)備選型,實(shí)現(xiàn)對(duì)不合理地方的識(shí)別和修正。

(4) 直觀逼真的畫面效果,可以在招投標(biāo)、項(xiàng)目洽談、展會(huì)展覽等活動(dòng)中快速形象地幫助客戶了解到設(shè)計(jì)規(guī)劃的效果,有助于市場(chǎng)的拓展。