虚拟电站岗位技能培训平台的研究与实现

虚拟电站岗位技能培训平台的研究与实现

刘聪1，曾国兵1，侯勇2，朱荣建3

(1.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051； 2.皖能合肥发电有限公司，合肥 230051；

3.温州次元数字科技有限公司，浙江 温州 325100)

主要研究电厂锅炉、集控运行及教学。

摘要：介绍了以安徽皖能合肥发电厂为原型开发的600 MW虚拟电站岗位技能培训平台系统。利用3DMax和Virtools为开发工具，采用虚拟现实技术，充分利用三维图形、三维动画和声音等多媒体表现形式，实现了三维虚拟火电厂的全方位场景漫游，主要设备的虚拟拆装、结构展示及工作原理介绍；同时实现了火电机组二维DCS仿真与三维仿真的交互实时通信；能够为电力院校进行虚实结合的“校中厂”模式仿真教学和600 MW级超临界火电机组运行人员的培训提供帮助。

关键词：虚拟电站岗位技能；3DMax；三维仿真；实时通信

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.017

收稿日期：2015-07-17

基金项目：安徽省教育厅质量工程省级教学研究项目(2014jyxm637)

作者简介：刘聪(1981-)，女(汉)，河北保定，讲师

中图分类号：TP399献标志码：A

0引言

火电机组是电力工业的重要组成部分，由于电力行业的高危性和设备的昂贵性，导致电力高职院校难以建立全真实生产性的“校中厂”。2011年10月20日，《教育部在关于推进高等职业教育改革创新引领职业教育科学发展的若干意见》中提出：“要加强职业教育信息化建设，开发虚拟流程、虚拟工艺、虚拟生产线等，将企业的生产过程、工作流程等信息实时传送到学校课堂的教学改革。”文中通过虚拟现实技术构建一个可人机交互的三维可视化的虚拟火电厂，虚拟火电厂能够真实反映火力发电厂的生产运行全过程及主要设备的结构、拆装以及工作原理的讲解等，了解电厂的所有设施和设备，同时可以模拟不同专业岗位的巡检路线并进行巡检，巡检过程中可以直观地监视设备的运行状态及运行参数，为电力院校建立虚实结合的“校中厂”模式仿真教学和600 MW级超临界火电机组运行人员的培训提供了帮助。

1虚拟电站岗位技能培训平台开发工具

1.1　3DS Max软件

3DS Max是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，它提供了强大的基于Windows平台的实时三维建模、动画设计和渲染等功能，3DS Max 的图像处理技术极大地简化了图像处理的复杂过程，被广泛应用于影视、广告、建筑设计、多媒体制作等不同领域的各种静、动态场景的制作。

1.2　Virtools软件

Virtools软件是法国Virtools公司开发的一套整合软件，它可以将3D模型、图片、视频及音频等常用的格式文件整合在一起。Virtools可提供功能强大的交互式虚拟现实平台，用户使用模块化的行为模块撰写互动行为元素的脚本语言，能够制作具有沉浸感的虚拟环境。虚拟环境对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。

2系统的总体设计

系统设计的目标是创建一个集视、听、触觉一体化的，能够模拟发电生产真实环境的虚拟仿真环境。为火电厂集控运行专业、电厂热能动力装置专业的学生实习、实训和电站技术人员进行上岗前的职业教育培训提供支撑,同时也能够对生产施工和科学技术研究提供技术指导。文中利用Potoshop软件制作虚拟现实建模初期的纹理贴图库,利用3DS Max软件构建一个虚拟电站,然后将虚拟电站移植入虚拟交互平台软件Virtools中，对虚拟电站场景进行驱动,并设置交互功能。本文主要解决的问题是在虚拟电站视景生成和场景驱动的时候，最大可能地降低系统资源消耗量,实现实时渲染、人机交互机与二维DCS仿真系统通讯的流畅性。

3系统实现

3.1　搜集资料和制作纹理贴图

在对火电站各设备建模前,首先要确定各设备在火电厂系统环境中的真实几何尺寸、相对位置及模型的精度等级。另外，由于各模型精细程度等级的限制，场景中各设备的真实感就要靠物体的表面纹理来体现。但是3DS Max软件不能对设备的纹理图片进行全面、细致的处理，这就要借助于其他图形图像处理软件来实现。通过讨论比较，本文采用Photoshop软件进行处理，处理过程如下：首先用单反相机到电厂去拍下设备的实景照片，对拍回的相片采用Photoshop软件进行纠正处理，将纠正好的图片采用插件另存为RGB或RGBA格式，整理成模型纹理库，供后期用3DS Max制作时进行调用。

3.2　设备三维模型建立

电厂各设备的三维模型是虚拟电站岗位技能培训平台的基础,模型建立得好坏直接影响到虚拟电站场景的真实度。考虑到后期二维DCS仿真和虚拟电站岗位技能培训平台的实时交互的要求,以及网络带宽和传输速率的制约,在建模中进行了综合考虑，遵循这么一个原则:以各设备模型不失真、满足后期的设备结构拆装为前提，制作过程中尽量采用简单的模型。最后通过添加材质、贴图及渲染等办法得到如图2所示的设备场景模型。

图1　真空泵简模

图2　真空泵简模效果

3.3　场景驱动

用3DS Max制作好的模型场景文件要导入Virtools软件中，首先要安装Virtools提供的Virtools_to_Max输出插件。模型制作软件3DS Max包涵的模型、材质、贴图、动画等都可以输出Virtools所识别的(*.NMO,*.CMO)格式文件。安装好插件后，就可以在3Dmax软件的导出选项中选择Virtools Export (*.nmo,*.cmo,*.vmo)，打开输出插件窗口,可对当中一些参数进行设置(如动画、资源共享、贴图精度等等)。导出的vmo文件是不充许Virtools进行导入的，只能在程序打包运行中调用，而*.nmo和*.cmo就可以导入到Virtools中，然后可对其所包括的资源进行一系列的操作等。

3.4　模型的交互设计

Virtools交互设计开发可分为以下3种：

1)Virtools自带的700多个Buliding Blocks内置行为模块, Buliding Blocks模块包括了大部分所要实现的功能,例如物体的缩放、移动、旋转、贴图更替、材质的效果等等,可以满足大部分的程序开发。如图3所示。

图3　Virtools内的节点程序1

2)Virtools脚本语言(VSL)。VSL是一种强大的脚本语言，用于作为VirtoolsBuliding Blocks的补充。它的类达到60多个，数学函数130多个，基本都是从Object类派生出来的，Buliding Blocks方式能做到的基本都能做到，如图4所示。

3)SDK和VC++来写Building Blocks。SDK 是一套软件开发工具 ,提供 Virtools 软件的所有底层函数，开发者结合VC++可以使用它对 Virtools 引擎进行功能扩充和制作自定义的可执行应用程序，如图5所示。

图4　Virtools内VSL脚本语言

图5　Virtools SDK扩展开发

3.5　电站系统展示

电站系统展示是将火电厂的各个子系统(如凝结水系统、风烟系统、抽汽系统等)单独地孤立出来呈现给学习者。各子系统可以通过鼠标控制摄像机的远近，对系统进行360度旋转观察管路流程、系统设备组成情况等，如图6～7所示。

图6　燃烧器系统

图7　凝结水系统

3.6　设备的虚拟拆装

设备的虚拟拆装是将电站的主要设备单独展示，用户可以对其拆装、分解、组合，从而达到对设备结构的认知。功能实现的过程是充分利用前期对设备进行零部件的建模，使一个零部件为一个物体。将各模型导入Virtools后把各个零部件的角度、位置记录到数组中，然后编写操控程序，以达到按设备的先后顺序拖动零部件，进行组合。通过程序带有的吸附功能，移动到与正确位置一定的范围内，零部件就自行吸附，如图8所示。

图8　设备虚拟拆装的部分程序

3.7　管道数据库管理系统

电站有很多管道，每个管道都有颜色分类、标牌名称、流动方向等。为方便修改和管理及教学需要，管理人员可通过管道后台管理系统对电站中的各种管道进行自定义颜色、提示标牌的随时修改等操作。为实现这一功能，我们对电站锅炉侧跟汽机侧的所有的管道、标牌等建立了相对应的数据库信息，如图9所示。

图9　管道数据库系统

3.8　设备工作原理视频介绍

虚拟电站岗位技能培训平台中有火电站各主要设备工作原理、系统工作过程的视频介绍，通过视频讲解使学生能对电厂各设备、系统进一步了解。随着电站设备的不断更新换代，该平台也支持管理人员后期的不断修改和更新，通过可视化的界面进行添加、删除视频等操作，以达到自己的教学目的，如图10所示。

图10　视频栏目管理

4系统发布

系统开发完毕后,Virtools可采用两种格式文件的发布:一种是以CMO文件格式保存,供其他Virtools进行调用，作为资源文件形式；另一种是将整个系统以VMO文件格式进行发布保存,VMO文件可以配合相应的HTML文件格式进行网页浏览器形式的播放,这种情况，客户端需要安装播放插件VirtoolsWebPlayer,才能实现对VMO的支持,也可以开发单独的VMO文件播放器，播放VMO这种文件形式只适用于单机版,如图11所示。

图11　用户漫游图

5关键技术分析

5.1　贴图烘焙技术

Render To Textures也就是贴图烘焙技术，简单地说就是先把光照信息渲染成贴图，再把这个烘焙后的贴图代替原来该物体的贴图，也可以以加壳的形式与原来的贴图共存。这样光能传递的信息变成了贴图，不需要CPU参与计算了，这种方式在三维虚拟中应用广泛，提高硬件利用效率的同时，又能保证物体视觉效果上的真实性。为让电站模型具有光感，我们对电厂每个设备都采用了贴图烘焙技术，使模型上的光感更细腻，更真实，同时也减少了计算机占用的资源，如图12～13所示。

图12　烘焙前的效果

图13　烘焙后的效果

5.2　漫游功能

虚拟电站场景的游览方式有两种：自由巡检模式和固定巡检模式。

自由巡检模式是操作人通过自己定义的按键，控制场景中的虚拟人对电厂任意地方漫游行走。实现的过程是把控制代码附加在摄影机上，这样摄影机就继承了代码所要表达的意途，达到自由漫游的效果。程序中对各种不可穿越的设备物体进行了碰撞处理，避免穿过碰撞物。角色动作控制行为模块流程图如图14所示。

图14　角色动作控制行为模块撰写流程图

固定巡检由预先设置好的路径轨迹来引导相机运动游览，到某个设备处再自由浏览该点的设备。流程图如图15所示。

图15　引导相机动作流程图

5.3　与二维DCS仿真通信

虚拟电站岗位技能培训平台与清华紫光公司开发的600 MW DCS仿真机进行单向数据通讯开发，600 MW DCS仿真系统各设备运行参数数据能实时反馈至虚拟电站场景中。

以下是虚拟电站系统跟二维DCS仿真系统数据通讯的代码(部分)。

//初始化与实时数据引擎的连接

//szHost：主机名

//szShop：实时数据库名

//返回值：与实时数据库的连接id，用作以下大部分数据操作接口的输入参数

//例：intiConId=Connect(“prjsrv”,”prjsrv_prjname_0”);

intConnect(PCSTRszHost,PCSTRszShop);

//添加需取值的标签点

//nConId：上一接口(Connect)所取得的连接id，以下相同

//szTag：所需取值的标签点名称

//返回值：标签点对应的编号

//例：intiTagId=AddTag(iConId,“TAGNAME.AV”);

intAddTag(intnConId,PCSTRszTag);

//移除已添加的标签点

//nConId：同上

//nRtDataId：上一接口(AddTag)所取得的标签点编号

//例：RemoveTag(iConId,iTagId);

voidRemoveTag(intnConId,intnRtDataId);

//添加数据标签点后对本地缓存的更新

//nConId：同上

//返回值：非法连接id返回-1，成功返回0

//例：intiRes=Refresh(iConId);

intRefresh(intnConId);

//根据标签点id取得实时值

//nConId：同上

//nRtDataId：同上

//返回值：标签点实时值

//例：doubledValue=GetValue(iConId,iTagId);

doubleGetValue(intnConId,intnRtDataId);

//取得标签点名称取得实时值

//nConId：同上

//szPointName：标签点名称

//返回值：标签点实时值

//例：doubledValue=GetValue(iConId,”TAGNAME.AV”);

doubleGetValueByName(intnConId,PCSTRszPointName);

//根据标签点id设置实时值

//nConId：同上

//szPointName：标签点名称

//szValue：新的实时值

//返回值：失败为-1，成功为0

//例：intiRes=SetValue(iConId,”TAGNAME.AV”,“1.21”);

intSetValue(intnConId,PCSTRszPointName,PCSTRszValue);

6结语

目前，利用本文研究成果开发完成的虚拟电站岗位技能培训平台，已经应用于我院的认知实习、仿真实训、热力发电厂等一体化教学的课程中。通过虚拟电站岗位技能培训平台实现了基于虚拟电站环境的“校中厂”教学模式。在本文的研究成果基础上，如何实现虚拟电站岗位技能培训平台与电站二维DCS仿真的双向通信，用虚拟电站岗位技能培训平台替代二维DCS仿真的虚拟就地，以及如何实现通过网络远程访问系统，将是下一步需要研究的问题。

参考文献

[1] 张永军,陈坚红,任浩仁,等. 虚拟实景和Internet技术在火电厂教学系统中的应用[J].热力发电，2003(1)：54-57.

[2] 贺雪晨,杨婷,焦慧,等.基于VR技术的虚拟电厂仿真系统开发[J].华东电力,2009，37(5)：832-834.

[3] 孙麟,刘迎春,徐春霞.基于VRML的虚拟场景漫游实现[J].计算机工程与设计,2008,29(14)：3748-3751.

[4] 阎光伟,王瑞华.核电站三维动态仿真系统[J].电力系统自动化,2012，36(1)：107-111.

[5] 郭连仲,张纪平,郭浩森,等.二维与三维同步交互技术

在变电站仿真系统中的应用[J].河北电力技术,2011，30(5)：6-7.

[6] 王瑞华.核电站虚拟拆装系统的研究与实现[D].北京：华北电力大学，2012.

[7] 蔡武，陈果，朱志敏，等.基于3D Max和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计[J].煤炭工程，2011(1)：1-7.

The research and implementation on virtual power plant post skills training platform

LIU Cong, et al.

(AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

Abstract：This paper introduces the 600 MW virtual power plant post skills training platform system development according to the prototype of Hefei Wanneng power plant in Anhui province. With production softwares 3dmax and virtools as development tools, using virtual reality technology, making full use of 3d graphics, 3d animation and sound as multimedia forms, the training platform system has achieved virtual three-dimensional and omni-directional roaming scenario of the power plant. The main equipment of virtual disassembly, structure show and working principle have been introduced; meanwhile an interactive real-time communication between the two-dimensional DCS simulation and three dimensional simulation of thermal power unit has been realized; also a help for the electric power college implementing simulation teaching in model of “the factory in school” combining with virtual and reality, and the level of 600 MW supercritical thermal power unit operation personnel training have been provided.

Key words：virtual power plant post skills; 3DMax;3d animation; real-time communication