三維數字電站系統的研究

蔡國利

（浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江 余姚 315400）

三維數字電站系統的研究

蔡國利

（浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江 余姚 315400）

為進一步實現電站的信息化管理，研究了三維數字電站系統的構成，分析了系統實現的三維互動仿真平臺和實時可縮放矢量圖形2項關鍵技術的特點，指出三維數字電站系統的投入，將更好地服務于電站的建設、運行、管理、維護、人員培訓等各個方面，提高企業的經濟效益，提升安全管理水平，具有廣闊的應用前景。

三維數字電站；虛擬；互動仿真；矢量圖形

隨著信息技術的快速發展，三維數字技術已經在電力行業的各個方面開始應用。虛擬現實技術、人工智能技術、物理仿真技術、數據挖掘技術、信息通信技術相結合的發展更拓展了三維圖形技術在電力行業中的應用前景。數字化電站的概念在二十世紀末開始提出，至今已經正式進入實施階段。

所謂數字化，實際上是指在電站從設計、建設到運行的整個生命周期過程中，實施完整的從數字化設計開始的數字化工程建設，同時在電站控制系統的各個層次，采用智能化、數字化的設備，在信息系統中采用相應的控制軟件和管理軟件，從而使得電站的生產運行人員和管理人員對整個電站的監控和管理，都實現智能化、數字化和透明化。

1 三維數字電站系統的功能

三維數字電站系統可以將電站內部所有基礎設施、廠房建筑、機械設備等實現三維圖像重現。電站建設期的施工進度，投產運行后檢修信息、設備檔案、備品備件等的集成管理，設備操作和檢修拆裝的人員培訓、檢修方案策劃、應急預案仿真等均可以在三維數字電站系統中得以實現。三維模型采用KKS（發電廠標識系統）編碼，使運行設備實現3D數字化，提高生產管理掌控能力，實現運行檢修數據的三維可視化快捷管理。

安全第一、預防為主，在危險性行業進行工作要時刻保證人身和設備的安全，盡最大努力減少事故的發生，因此定期進行應急預案的演練對于電力企業來說是一種行之有效的預防事故的方式，還可以鍛煉員工處理緊急事故的能力。但是應急演練投入的成本太高，受成本條件所限難以達到規定次數的要求。三維虛擬仿真系統的應用為應急演練提供了一種全新的開展模式，虛擬場景中模擬事故的發生，組織運行人員參與事故搶險。三維場景模擬應急演練不但能夠提高演練的真實性，還降低了投入成本，提高演練的效果，從而保證了運行人員面對事故時的應急應變能力，可以打破空間時間的限制，隨時進行事故應急演練。

三維數字電站不僅可以完全模擬出電站的實際場景和各種生產設備，還集合了電站的其他功能，作為信息系統和企業員工的工作平臺。通過該平臺可以及時快捷的發布資產管理系統、實時數據庫系統、生產經營指標管理系統、檔案管理系統的相關信息；可以通過數字電站系統了解當天在不同系統中的工作任務，并通過三維數字電站系統單點登錄有關業務處理系統完成工作；企業領導也可以在三維場景中隨時掌握電站生產運行狀態和重要工作任務的完成情況。

在數字化監控的基礎上，構建電站三維場景和電站生產運行管理系統、實時監控系統、設備管理系統、電子圖檔管理系統等的集成，通過電站三維場景實現設備運行虛擬仿真、設備拆解安裝過程的模擬、三維場景事故應急預案處理等三維場景與企業生產信息管理系統的集成和管控，進而提升安全生產管理和設備運行維護管理，降低企業成本，提高企業安全系數。

2 三維數字電站系統的基本模塊

2.1 重要設備的精細三維模型拆解、安裝過程模擬

電站設備的虛擬裝配。實現主要生產設備模擬拆解和三維展示，設備各個部件相關信息查看，包括設計圖紙、零件材料信息、供貨商信息的關聯。通過三維建模軟件實現主要生產設備的3D數字化建設，將主要生產設備的各個部件結構、運行過程、設備維修拆解等操作流程真實的模擬和仿真。將操作規程與三維模型相結合，制定出可視化的動態的操作規程。在虛擬仿真的基礎上實現對維修人員的設備安裝培訓，設備操作培訓，發電站運行等。

根據設備的實際拆解順序實現虛擬環境中的模擬拆解。在三維虛擬場景中進行模擬施工檢修，如發電站建設期的施工模擬或運行期的檢修吊裝模擬。將操作規程與三維模型結合，制定出可視化的動態的操作規程，用于人員的培訓、教學、演示。

2.2 電站全景的三維顯示及漫游

利用三維建模3D Studio Max并結合現場采集的照片素材，對電站所有建筑和設備進行數字化建模，運用虛擬現實仿真互動平臺把電站全景概貌、地上地下建筑設施、主要設備及設備工作方式、運行環境、自然環境等真實的展示出來。能身臨其境地感受設備的生產過程。

2.3 應急預案演練

三維應急預案模練系統通過對電站生產運行可能出現的災害模擬仿真和對應急人員行為模擬的仿真，在三維電站場景空間中模擬災害發生和發展的過程，以及運行人員在災害環境中可能做出的各種反應，并在三維場景平臺上，在最大限度模擬實際災害的條件下，開展防災救災的應急演練。并在此基礎上，制定電站各類災害應急預案。

三維場景應急預案模擬演練系統可以用來培訓各級決策和指揮人員、事故處置人員發現和應急處置行為，通過三維場景仿真來檢驗和評估應急預案的可操作性和實用性，提高各級人員的應急能力。三維數字電站應急演練系統運用信息化虛擬現實手段，加強企業的協調能力和應急能力，使應急演練更加科學化、智能化、虛擬化。

2.4 與其他信息系統的集成

實現與電站ERP（企業資源規劃）系統、EAM（企業資產管理）系統、備品備件物資管理系統、實時數據庫系統、電子圖檔管理系統等電站各信息系統與電站三維模型的動態關聯，在三維場景中實時直觀查看電站機組資產相關信息，進行數據交互，分析與展示。

3 實現三維數字電站的關鍵技術

3.1 三維互動仿真平臺

VRP（三維互動仿真平臺）被廣泛地應用于室內設計、古跡復原、工業仿真、城市規劃和軍事模擬等各個行業的三維虛擬仿真，這個平臺具采用了可視化的界面，通過簡單的配置腳本即可實現復雜的三維場景控制功能，降低了三維場景開發時的技術難度，電站技術人員經過簡單的培訓就能夠進行三維場景設計和開發。VRP虛擬平臺的特點如下：

（1）高效快捷、簡單易用。VRP平臺在三維場景制作上技術要求低，主要是面向圖形制作人群，系統操作非常簡單，具有可視化的三維場景編輯環境，不需要太多編程方面的知識，通過在系統界面上調整參數即可實現三維場景的控制。系統在使用上更加省時省力，使設計和開發三維數字電站項目的制作門檻和成本大大降低，可以不過多考慮各種程序實現的技術細節，而將精力完全投入到最終三維場景效果制作和數據業務集成上來。

（2）高效的渲染引擎。VRP三維虛擬平臺具有實時的高效渲染能力，對硬件平臺要求較低，渲染速度快，只需要普通硬件即可運行。并且在運行VRP三維場景時，可以同時在電腦上運行其他應用程序，保證了三維數字電站在三維場景中能夠調用企業資產管理、檔案管理、圖紙管理、實時監控等系統的數據集成。

（3）實時的高真實感畫質。VRP具有強大的三維場景貼圖控制能力，可以方便地實現對三維場景貼圖的內部色彩調整、總量控制、壓縮、批量轉換格式等。同時，對烘培貼圖的支持非常完善，能夠支持各種流行的渲染器，為制作高畫質的實時演示打下良好的基礎。

（4）良好的硬件兼容性。VRP三維場景開發對服務器和客戶端硬件的要求不高，VRP生成的三維場景可以廣泛應用在目前主流的硬件平臺，企業無需升級和改造現有的網絡和計算機設備，降低系統建設成本。

（5）良好的交互特性。VRP三維場景能夠實現部件物理碰撞功能，通過物理碰撞反映場景真實的物理環境，避免了在三維場景中出現設備穿插等現象的發生，保證三維場景與真實場景的高度一致，也可以實現在三維場景中與真實場景一樣的行走漫游和設備交互，實現了三維場景良好的交互性。

在三維數字電站的設計中，應用VRP進行三維平臺的搭建。以工程對象為核心，關聯相對應文檔數據、中立XML（可擴展標記語言）數據和模型數據以及工程對象，使外部數據及后期管理緊密圍繞設計對象，進行更加行之有效的管理。

將三維模型作和數據集成展示全部開發形成程序插件，可以分別集成到三維數字電站信息系統中，使得三維數字電站系統具備三維場景的展示和瀏覽功能。通過VRP開發程序包提供的接口實現三維數字電站系統對三維場景中各項元素的控制。用戶可以控制諸如設備模型狀態，設備操作動作，設備運行狀態，設備在場景中的顯示隱藏，設備材質透明等諸多屬性。

通過VRP開發程序包提供的事件回調機制將用戶在三維場景中執行的操作，比如點擊鼠標和鍵盤操作等將信息發送到三維數字電站系統中，系統在得到這些消息和事件后可以根據系統的配置和交互配置調用企業各中信息系統數據信息，實現三維場景與企業信息系統的集成。利用VRP進行三維電站建模和集成的流程如圖1所示。

圖1 VRP三維數字電站建模流程

3.2 實時可縮放矢量圖形

SVG（可縮放矢量圖形）是三維數字電站實時監控的重要組件，基于XML編碼的開放式圖形和圖像標準，通過圖形與實時監控數據庫的動態數據交互，實現電站生產組態的實時展示，主要有以下幾個特點：

（1）SVG圖能夠任意無損縮放，適應各種智能移動終端不同屏幕分辨率,不會因為圖形放大而失真，而且文件尺寸更小，適宜在移動互聯網上發布。三維數字電站集成基于SVG圖發布的生產組態，保證了生產組態圖具有良好的交互性，并且可以使用JavaScript方便地控制SVG圖形，實現對SVG自身或對其他對象、圖像的控制，可以使電站實時監控信息能夠在SVG圖形上得到充分展示。

（2）SVG作為W3C推薦標準，IOS，Android，WP等主流智能移動終端的操作系統和瀏覽器全部原生支持SVG，保證實時監控組態圖形能在各類主流智能移動終端播放。

（3）SVG符合電力系統通用的圖形交換標準，電站移動實時監控系統采用的SVG圖形可以從電站已有SCADA（數據采集與監控）系統導出，而無需重新繪制，提高系統通用性和適應性，通過配置數據源和圖形交互控制就可以實現組態圖的實時交互顯示。

綜上所述，SVG技術在跨平臺性、可交互性、實時性和通用性等方面具有不可替代的優勢，因此采用SVG作為三維數字電站實時監控組態發布的圖形格式，實現電站三維場景與電站實時監控系統的集成整合。實時可縮放矢量圖形架構如圖2所示。

圖2 實時可縮放矢量圖形架構

4 系統的架構及應用效果

三維數字電站系統將電站主要生產設備三維數字化模擬與企業管理信息系統和實時監控系統有機集成，具有超強的三維環境沉浸感和實際業務場景的互動性，三維數字電站環境不但能夠使用戶獲得身臨其境的生產運營體驗，還可以通過數據集成在實時的虛擬環境中隨時獲取企業生產經營的數據和資料，協助運行與管理人員對各種技術方案進行評審規避風險，減少人力物力的浪費。系統整體架構如圖3所示。

圖3 三維數字電站整體系統架構

主要應用有：

（1）三維數字電站實現主要生產設備的3D數字化建設，將主要電站生產設備的部件結構、機組運行過程、系統操作流程按照實際環境模擬和仿真。將操作規程與三維模型相結合，制定出可視化的動態的操作規程。在虛擬仿真的基礎上實現對檢修流程優化，減少不必要的環節和人員合理化配置。

（2）通過設備拆分進行檢修人員的檢修培訓和操作培訓，系統虛擬設備直觀展現了設備的內部結構和安裝順序，記憶深刻方便理解。通過設備拆解和裝配平臺培訓后，讓每個學員能快速熟悉和掌握跨專業檢修的技能，從而減少檢修人員投入，降低檢修成本和檢修時間。

（3）生產運行培訓和設備檢修通過三維數字Web平臺進行真實的模擬操作，規避在檢修中誤操作風險，減少不必要經濟浪費和人員傷害；針對風險演練、風險預案，在三維數字電站系統中進行演練，提高電站各級管理人員、生產人員的事故應急能力，避免事故的蔓延和造成不必要經濟損失，提高了經濟效益。

（4）三維數字電站系統有助于提升企業安全水平，在虛擬環境中演練企業可能發生的安全風險預案，從而大幅的提高企業員工的技能水平，確保在今后實際生產過程降低人身和事故安全，減少企業安全隱患。

（5）三維數字電站系統還集成企業業務應用，管理人員在統一系統中全面了解企業的生產經營情況，提升企業管理水平，提高管理效率。三維效果如圖4—7所示。

圖4 三維數字電站場景概覽

5 結語

利用三維數字建模技術建立電站三維數字系統，整合了電站設計、建設、運營等個階段的的信息化系統，通過集成企業生產經營相關的管理信息系統和生產實時監控系統內各種相關功能，實現三維模型與企業管理信息系統的有機結合。三維數字電站系統能完成電站在計算機環境下的三維重現和模擬應用，提高了運行、管理、維護、檢修、培訓等科學化、規范化水平，并為電站全生命周期數字化管理奠定了基礎。

圖5 三維數字電站場景漫游

圖6 三維數字電站場景數據關聯導航

圖7 三維數字電站設備拆解

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（本文編輯：楊 勇）

Research of 3D Digital Power Station System

CAI Guoli
(Zhejiang GuohuaYuyao Gas Power Generation Co.，Ltd.，Yuyao Zhejiang 315400，China)

To further implement information-based management of power station system，the paper investigates configuration of 3D（three dimensional）digital power station and analyzes characters of three-dimensional interactive simulation platform and real-time scalable vector graphics.The paper indicates that the operation of 3D digital power substation system can better serve the construction，operation，management，maintenance of power plant as well as personnel training;it can also increase economic benefits of enterprises，enhance safety management level and can be used widely.

3D digital power station；virtual；interactive simulation；vector graphics

TM866

B

1007-1881（2015）07-0057-05

2015-05-29

蔡國利（1964），男，高級工程師，從事燃氣-蒸汽聯合循環電站生產技術管理工作。