基于U n i t y 3 D的电力需求侧项目虚拟展示平台研究

高建宏，刘新锋，王志梁

（1.烟台供电公司，山东 烟台 264001；2.济南众德软件开发有限公司，山东 济南 250001；3.山东电力集团公司，山东 济南 250001）

0 引言

在建设低碳经济、绿色经济和循环经济以及节约型社会形势下，电力需求侧管理得到了充分的重视和发展。国网公司开展了诸如电动汽车、能效电厂、热能储存以及智能家居等电力需求侧项目，并且智能电网为电力需求侧管理注入了智能元素，使这些项目得到了社会的认可，获得了经济效益和社会效益。然而，当前这些项目只是一些试点、示范工程，局限于一些点上的建设，不能有效地在面上推开，不能更好地发挥示范工程的带动和辐射作用。为此，需要采用新的宣传工具加强电力需求侧的宣传，以推广项目实施。

随着社会发展，虚拟现实技术目前已被广泛应用在军事仿真、体育、医疗、农业等各个领域［1］。虚拟现实技术采用现代化的计算机技术生成逼真的视、听、触觉等多重感应的虚拟环境，用户可以同虚拟环境中的物体进行交互，能够产生身临其境的感觉［2］。

基于Unity 3D技术，建立基于Unity 3D的电力需求侧项目虚拟展示平台，进行电力需求侧示范工程网上展示，将电力系统开展的具有先进理念和技术项目进行介绍，将成为国内技术人员近距离接触、了解电力需求侧管理最新发展状况的前沿，使各示范工程能够低成本地快速传播，成为电力行业各单位进行交流电力需求侧工程建设的平台，有利于宣传科学用电的先进理念，充分发挥示范工程的示范带头作用，能够迅速推广电力需求侧建设的先进经验。通过电力需求侧项目虚拟展示平台，将电力供应与电力需求等各个环节上有机结合起来，生动形象地介绍电力需求侧基本知识，使广大客户了解电力需求侧管理相关知识，引导用户及其他机构积极参与到电力需求侧管理中。

1 电力需求侧项目展示研究现状

国外（如美国、英国、挪威、瑞典等）已经进行了大量的需求侧研究和实施，并取得了丰富的经验。2003年国际能源机构开展的需求响应资源研究，旨在推广将需求响应资源融入各国电力市场中，研究实现特定目标的必要方法、业务流程、基础、工具和实施进程。这些项目经验会通过网站发布出来，或者通过模拟技术对外发布，使参与者直观地接触到项目，激发他们参与需求侧管理的积极性。

国内对电力需求侧系统开发的研究比较多，主要有中国电科院的围绕建筑能源管理（或称用电需求侧管理）而开展的智能电网示范项目及可行性研究、朗新的电力需求侧管理解决方案、山大地纬的需求侧管理系统，这些系统大都是针对电力需求侧实体进行的。在电力需求侧项目建设经验推广方面，国网公司需求侧指导中心也开发了一套能够评估需求侧项目效益的互动网站，以及政策方法的宣传资料等；北京供电公司投资建设了国内领先、国际先进水平的北京电力展示厅，以实物的形式进行了科普知识介绍展区、节能减排与需求侧管理技术展区、优质服务宣传展区、电网科技展区等4个展区的建设。电力展示厅能够形象的向公众宣传政府的节能减排措施，提升民众的节能意识，推介电力需求侧管理技术，进而提高用电效率［3］。其缺点是投资高，普及面低，不能更好的起到推广作用。泰安供电公司建立了基于Flash 2D技术的电力需求侧展示，进行了家用电器节能知识等的展示，投资低，具备一定的推广价值。但是2D技术在展示效果方面远远不如真实场景，如何低成本、高真实的将示范工程展示给用户是一个迫切解决的问题。

当前虚拟现实技术目前已被广泛应用在军事仿真、体育、医疗、农业等各个领域［1］。例如，波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统简化加工过程；北京航空航天大学虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，用于飞行员训练的虚拟现实系统。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。

可以看出，采用基于3D的虚拟现实技术，其场景在沉浸感、交互性与实时性方面的综合效果优势是传统二维效果图及二维和三维动画技术所无法比拟的［4］。对电力需求侧示范项目展示来说，示范项目虚拟展示以三维的表现形式，能够全方位的展现一个物体，具有二维平面图象不可比拟的优势。

2 交互式三维虚拟展示平台架构设计

电力需求侧项目虚拟展示平台采用了Flash＋Unity 3D的综合技术，基于B／S架构，跨操作系统平台设计。系统可以一台触摸屏计算机上运行，也可以分布运行在一个大型计算机网络上。

Unity 3D作为一种三维虚拟现实游戏平台，可以充分、实时的处理大量的三维模型，其中Unity 3D引擎是其创造高质量3D仿真系统和真实视觉效果的核心技术。对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道，低端硬件也可以流畅运行漂亮的室内装饰、室外环境、植被景观和操作动画。同时，Unity 3D 也支持多种脚本语言（C＃，JavaScript等）。

如图1所示，展示平台分为元数据模型、数据库、Unity 3D服务、应用层和表现层5层结构。

元数据模型与数据库：其中数据库通过机器中的文件集合来对系统的关键数据进行存储，在平台中，分为场景数据库和业务数据库。场景数据库的元数据包括建模、材质、声音、动作；业务数据库的元数据包括电流、电压、功率、照度等信息。可以根据需要进行扩展。

Unity 3D服务：主要指系统的运行逻辑。包括模型的放大缩小、相机控制、碰撞检测、声音控制、动作触发。用户可以在室内自由移动和操作，如鼠标触到门时即打开，可以点击墙上的开关开灯或者对房间设备的移动等。其中Unity3D服务不能完成的部分，可以通过二次开发完成（如访问业务数据库，进行实时数据的展示），二次开发语言可以选择C＋＋、JavaScript、C＃等。设计该层可降低系统复杂度，并将逻辑层与系统和用户的行为分离。

应用层：主要指系统的业务逻辑，在Unity3D服务提供接口的基础上进行智能家居、水源热泵、电动汽车、节能展厅的业务数据操作，为表现层提供实时展示信息。

表现层：包括用户界面及声音等，同时还包括特效处理，如粒子效果、模型特效等。

图1 基于Unity3D的三维虚拟展示平台

图2 三维虚拟展示平台功能模块划分

3 系统功能设计与实现

3.1 系统功能设计

电力需求侧项目虚拟展示系统包括电力需求侧管理知识、电动汽车、水源热泵、蓄冷蓄热、节能展厅、智能家居。系统以虚拟形式将电力需求侧管理知识、电动汽车、智能家居、节能展厅、水源热泵、蓄冷蓄热模块进行展示。具体功能如图2所示。

3.2 节能展厅节能灯功能实现

节能灯可以进行同功率下的照度、同照度的功率展示。首先设置同功率展示、同照度展示。单击展示该灯的当前展厅的照度效果，并在屏幕下方对应的展板内展示功率照度。图3为节能展厅节能灯3D模型以及节能信息对比。

图3 节能展厅节能灯3D模型以及节能对比信息

3.3 电动汽车功能实现

汽车根据使用能源类型分为电动汽车、燃油汽车、燃气汽车。表1为不同类型耗能汽车的费用对比。本费用对比以最新96号汽油价格为例，假设纯电动汽车单次充满为56 kWh，可行驶300 km左右，百公里耗电量为19 kWh，普通燃油汽车按行驶百公里耗油约8 L计算。根据此数据信息，在电动汽车展厅中进行不同能源汽车耗能费用的动态对比。

表1 不同能源类型汽车耗能费用对比

如图4所示，汽车附加动力引擎、碰撞检测及悬挂系统，给用户以亲身体验的效果。在驾驶过程中，能够根据汽车动力和汽车类型即时显示当前速度及百公里能耗和费用。

图4 不同能源类型汽车比赛模拟驾驶以及用能对比

3.4 水源热泵功能实现

水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源或者生活废水存储的能源作为冷、热源，进行转换的空调技术。

图5为水源热泵展示模型，分为水源热泵供治原理、家庭热能利用两部分。用户可以直观地在3D展厅里漫游，了解水源热泵的原理，以及热能如何利用，同时可以展示多媒体信息如表2所示，显示热源水泵的节能优势。

图5 水源热泵3D模型

表2 不同能源设备加热100 t热水费用比较

5 结语

采用3D技术，进行电力需求侧项目虚拟展示平台的研究，开发面向广大供电部门和客户的电力需求侧示范工程网上展示系统，与电力需求侧管理知识体系相融合，并通过多媒体编程技术与动态软件技术的有机结合，构建虚拟展览中心，将三维仿真建模、情景仿真动画演示与本地或网络数据同步，将信息实时展现在三维场景和立体动画之上，实现动态信息与三维场景的同步展示。从而实现了对电动汽车、节能灯、水源热泵等需求侧示范项目身临其境的全方位的展现，将节约用电、安全用电、节能产品展示和企业节能等知识以生动、直观、形象的形式展现出来，让用户体验到逼真的场景漫游和互动操作。为广大用户提供学习电力科普知识的平台，具有一定的创新意义，对于传播电力需求侧管理项目，不断推进电力需求侧建设的力度和深度，具有较大的推广意义。

［1］陈洪，马钦，朱德海.基于unity 3D的交互式虚拟农业仿真平台研究［J］.农机化研究，2012，34（3）：184－186.

［2］于建松.基于Unity 3D的室内漫游的关键技术研究［J］.盐城工学院学报（自然科学版），2011，24（4）：56－59.

［3］计力.北京电力展示厅示范工程建设及效果［J］.需求侧管理，2010，12（4）：69－71.

［4］于建松.基于Unity 3D的室内漫游仿真系统［J］.淮阴师范学院学报（自然科学），2011（12）：515－518.