基于U n i t y 3 D的電力需求側(cè)項目虛擬展示平臺研究

高建宏，劉新鋒，王志梁

（1.煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.濟(jì)南眾德軟件開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

在建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及節(jié)約型社會形勢下，電力需求側(cè)管理得到了充分的重視和發(fā)展。國網(wǎng)公司開展了諸如電動汽車、能效電廠、熱能儲存以及智能家居等電力需求側(cè)項目，并且智能電網(wǎng)為電力需求側(cè)管理注入了智能元素，使這些項目得到了社會的認(rèn)可，獲得了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。然而，當(dāng)前這些項目只是一些試點、示范工程，局限于一些點上的建設(shè)，不能有效地在面上推開，不能更好地發(fā)揮示范工程的帶動和輻射作用。為此，需要采用新的宣傳工具加強(qiáng)電力需求側(cè)的宣傳，以推廣項目實施。

隨著社會發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用在軍事仿真、體育、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域［1］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)采用現(xiàn)代化的計算機(jī)技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺等多重感應(yīng)的虛擬環(huán)境，用戶可以同虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺［2］。

基于Unity 3D技術(shù)，建立基于Unity 3D的電力需求側(cè)項目虛擬展示平臺，進(jìn)行電力需求側(cè)示范工程網(wǎng)上展示，將電力系統(tǒng)開展的具有先進(jìn)理念和技術(shù)項目進(jìn)行介紹，將成為國內(nèi)技術(shù)人員近距離接觸、了解電力需求側(cè)管理最新發(fā)展?fàn)顩r的前沿，使各示范工程能夠低成本地快速傳播，成為電力行業(yè)各單位進(jìn)行交流電力需求側(cè)工程建設(shè)的平臺，有利于宣傳科學(xué)用電的先進(jìn)理念，充分發(fā)揮示范工程的示范帶頭作用，能夠迅速推廣電力需求側(cè)建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗。通過電力需求側(cè)項目虛擬展示平臺，將電力供應(yīng)與電力需求等各個環(huán)節(jié)上有機(jī)結(jié)合起來，生動形象地介紹電力需求側(cè)基本知識，使廣大客戶了解電力需求側(cè)管理相關(guān)知識，引導(dǎo)用戶及其他機(jī)構(gòu)積極參與到電力需求側(cè)管理中。

1 電力需求側(cè)項目展示研究現(xiàn)狀

國外（如美國、英國、挪威、瑞典等）已經(jīng)進(jìn)行了大量的需求側(cè)研究和實施，并取得了豐富的經(jīng)驗。2003年國際能源機(jī)構(gòu)開展的需求響應(yīng)資源研究，旨在推廣將需求響應(yīng)資源融入各國電力市場中，研究實現(xiàn)特定目標(biāo)的必要方法、業(yè)務(wù)流程、基礎(chǔ)、工具和實施進(jìn)程。這些項目經(jīng)驗會通過網(wǎng)站發(fā)布出來，或者通過模擬技術(shù)對外發(fā)布，使參與者直觀地接觸到項目，激發(fā)他們參與需求側(cè)管理的積極性。

國內(nèi)對電力需求側(cè)系統(tǒng)開發(fā)的研究比較多，主要有中國電科院的圍繞建筑能源管理（或稱用電需求側(cè)管理）而開展的智能電網(wǎng)示范項目及可行性研究、朗新的電力需求側(cè)管理解決方案、山大地緯的需求側(cè)管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大都是針對電力需求側(cè)實體進(jìn)行的。在電力需求側(cè)項目建設(shè)經(jīng)驗推廣方面，國網(wǎng)公司需求側(cè)指導(dǎo)中心也開發(fā)了一套能夠評估需求側(cè)項目效益的互動網(wǎng)站，以及政策方法的宣傳資料等；北京供電公司投資建設(shè)了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平的北京電力展示廳，以實物的形式進(jìn)行了科普知識介紹展區(qū)、節(jié)能減排與需求側(cè)管理技術(shù)展區(qū)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)宣傳展區(qū)、電網(wǎng)科技展區(qū)等4個展區(qū)的建設(shè)。電力展示廳能夠形象的向公眾宣傳政府的節(jié)能減排措施，提升民眾的節(jié)能意識，推介電力需求側(cè)管理技術(shù)，進(jìn)而提高用電效率［3］。其缺點是投資高，普及面低，不能更好的起到推廣作用。泰安供電公司建立了基于Flash 2D技術(shù)的電力需求側(cè)展示，進(jìn)行了家用電器節(jié)能知識等的展示，投資低，具備一定的推廣價值。但是2D技術(shù)在展示效果方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如真實場景，如何低成本、高真實的將示范工程展示給用戶是一個迫切解決的問題。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用在軍事仿真、體育、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域［1］。例如，波音公司的波音777運輸機(jī)采用全無紙化設(shè)計，利用所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡化加工過程；北京航空航天大學(xué)虛擬實現(xiàn)與可視化新技術(shù)研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設(shè)計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

可以看出，采用基于3D的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其場景在沉浸感、交互性與實時性方面的綜合效果優(yōu)勢是傳統(tǒng)二維效果圖及二維和三維動畫技術(shù)所無法比擬的［4］。對電力需求側(cè)示范項目展示來說，示范項目虛擬展示以三維的表現(xiàn)形式，能夠全方位的展現(xiàn)一個物體，具有二維平面圖象不可比擬的優(yōu)勢。

2 交互式三維虛擬展示平臺架構(gòu)設(shè)計

電力需求側(cè)項目虛擬展示平臺采用了Flash＋Unity 3D的綜合技術(shù)，基于B／S架構(gòu)，跨操作系統(tǒng)平臺設(shè)計。系統(tǒng)可以一臺觸摸屏計算機(jī)上運行，也可以分布運行在一個大型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上。

Unity 3D作為一種三維虛擬現(xiàn)實游戲平臺，可以充分、實時的處理大量的三維模型，其中Unity 3D引擎是其創(chuàng)造高質(zhì)量3D仿真系統(tǒng)和真實視覺效果的核心技術(shù)。對DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，低端硬件也可以流暢運行漂亮的室內(nèi)裝飾、室外環(huán)境、植被景觀和操作動畫。同時，Unity 3D 也支持多種腳本語言（C＃，JavaScript等）。

如圖1所示，展示平臺分為元數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫、Unity 3D服務(wù)、應(yīng)用層和表現(xiàn)層5層結(jié)構(gòu)。

元數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫：其中數(shù)據(jù)庫通過機(jī)器中的文件集合來對系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，在平臺中，分為場景數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。場景數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)包括建模、材質(zhì)、聲音、動作；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率、照度等信息?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。

Unity 3D服務(wù)：主要指系統(tǒng)的運行邏輯。包括模型的放大縮小、相機(jī)控制、碰撞檢測、聲音控制、動作觸發(fā)。用戶可以在室內(nèi)自由移動和操作，如鼠標(biāo)觸到門時即打開，可以點擊墻上的開關(guān)開燈或者對房間設(shè)備的移動等。其中Unity3D服務(wù)不能完成的部分，可以通過二次開發(fā)完成（如訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的展示），二次開發(fā)語言可以選擇C＋＋、JavaScript、C＃等。設(shè)計該層可降低系統(tǒng)復(fù)雜度，并將邏輯層與系統(tǒng)和用戶的行為分離。

應(yīng)用層：主要指系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，在Unity3D服務(wù)提供接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能家居、水源熱泵、電動汽車、節(jié)能展廳的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)操作，為表現(xiàn)層提供實時展示信息。

表現(xiàn)層：包括用戶界面及聲音等，同時還包括特效處理，如粒子效果、模型特效等。

圖1 基于Unity3D的三維虛擬展示平臺

圖2 三維虛擬展示平臺功能模塊劃分

3 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

電力需求側(cè)項目虛擬展示系統(tǒng)包括電力需求側(cè)管理知識、電動汽車、水源熱泵、蓄冷蓄熱、節(jié)能展廳、智能家居。系統(tǒng)以虛擬形式將電力需求側(cè)管理知識、電動汽車、智能家居、節(jié)能展廳、水源熱泵、蓄冷蓄熱模塊進(jìn)行展示。具體功能如圖2所示。

3.2 節(jié)能展廳節(jié)能燈功能實現(xiàn)

節(jié)能燈可以進(jìn)行同功率下的照度、同照度的功率展示。首先設(shè)置同功率展示、同照度展示。單擊展示該燈的當(dāng)前展廳的照度效果，并在屏幕下方對應(yīng)的展板內(nèi)展示功率照度。圖3為節(jié)能展廳節(jié)能燈3D模型以及節(jié)能信息對比。

圖3 節(jié)能展廳節(jié)能燈3D模型以及節(jié)能對比信息

3.3 電動汽車功能實現(xiàn)

汽車根據(jù)使用能源類型分為電動汽車、燃油汽車、燃?xì)馄嚒１?為不同類型耗能汽車的費用對比。本費用對比以最新96號汽油價格為例，假設(shè)純電動汽車單次充滿為56 kWh，可行駛300 km左右，百公里耗電量為19 kWh，普通燃油汽車按行駛百公里耗油約8 L計算。根據(jù)此數(shù)據(jù)信息，在電動汽車展廳中進(jìn)行不同能源汽車耗能費用的動態(tài)對比。

表1 不同能源類型汽車耗能費用對比

如圖4所示，汽車附加動力引擎、碰撞檢測及懸掛系統(tǒng)，給用戶以親身體驗的效果。在駕駛過程中，能夠根據(jù)汽車動力和汽車類型即時顯示當(dāng)前速度及百公里能耗和費用。

圖4 不同能源類型汽車比賽模擬駕駛以及用能對比

3.4 水源熱泵功能實現(xiàn)

水源熱泵是利用地球水所儲藏的太陽能資源或者生活廢水存儲的能源作為冷、熱源，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。

圖5為水源熱泵展示模型，分為水源熱泵供治原理、家庭熱能利用兩部分。用戶可以直觀地在3D展廳里漫游，了解水源熱泵的原理，以及熱能如何利用，同時可以展示多媒體信息如表2所示，顯示熱源水泵的節(jié)能優(yōu)勢。

圖5 水源熱泵3D模型

表2 不同能源設(shè)備加熱100 t熱水費用比較

5 結(jié)語

采用3D技術(shù)，進(jìn)行電力需求側(cè)項目虛擬展示平臺的研究，開發(fā)面向廣大供電部門和客戶的電力需求側(cè)示范工程網(wǎng)上展示系統(tǒng)，與電力需求側(cè)管理知識體系相融合，并通過多媒體編程技術(shù)與動態(tài)軟件技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建虛擬展覽中心，將三維仿真建模、情景仿真動畫演示與本地或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步，將信息實時展現(xiàn)在三維場景和立體動畫之上，實現(xiàn)動態(tài)信息與三維場景的同步展示。從而實現(xiàn)了對電動汽車、節(jié)能燈、水源熱泵等需求側(cè)示范項目身臨其境的全方位的展現(xiàn)，將節(jié)約用電、安全用電、節(jié)能產(chǎn)品展示和企業(yè)節(jié)能等知識以生動、直觀、形象的形式展現(xiàn)出來，讓用戶體驗到逼真的場景漫游和互動操作。為廣大用戶提供學(xué)習(xí)電力科普知識的平臺，具有一定的創(chuàng)新意義，對于傳播電力需求側(cè)管理項目，不斷推進(jìn)電力需求側(cè)建設(shè)的力度和深度，具有較大的推廣意義。

［1］陳洪，馬欽，朱德海.基于unity 3D的交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（3）：184－186.

［2］于建松.基于Unity 3D的室內(nèi)漫游的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，24（4）：56－59.

［3］計力.北京電力展示廳示范工程建設(shè)及效果［J］.需求側(cè)管理，2010，12（4）：69－71.

［4］于建松.基于Unity 3D的室內(nèi)漫游仿真系統(tǒng)［J］.淮陰師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2011（12）：515－518.