基于虛擬現實技術的水輪發電機組運行仿真

何新穎，樂 毅，陳 洪，肖志懷(.武漢大學，武漢 43007；.湖北宣恩洞坪水電有限責任公司，湖北 恩施 445500)

0 引 言

我國水輪發電機組正在向著大容量、高水頭、高比轉速、自動化程度高等方面發展，水輪發電機組中主要機電設備的技術水平也得到迅速發展。水輪發電機組及其輔助設備的控制系統、狀態監測系統等基本實現了自動化和信息化，機組開停機與增減負荷等操作實現了計算機遠程控制，自動化程度越來越高[1]。正因為自動化程度的不斷提高，導致了相關專業學生和電廠工作人員的學習培訓難度不斷加大。傳統的現場培訓方式，不僅費時費力，而且效果也不顯著。首先，水電站建筑、設備繁雜，有些設備根本無法進行現場觀摩和學習；其次，在重要而復雜的技術操作上，學員往往很長時間內都沒有機會實時演練，尤其在電網中承擔重要負荷任務的大型電廠，不可能因為學員的學習和培訓而進行開、停機等直接影響電力系統穩定和電廠經濟效益的操作。因此,高質量、便捷實用的虛擬仿真培訓系統成為水電廠現代化管理的一個必要內容[2]。

3Ds Max是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，它集建模、材質、燈光、渲染、動畫、輸出于一體[3]。3Ds Max具有快速實時、操作靈活、易學易用等優點，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計以及工程可視化等領域。VRP是一款由中視典數字科技有限公司獨立開發的具有完全自主知識產權的直接面向三維美工的一款虛擬現實軟件[4]。VRP擁有強大的功能[5]：具有碰撞功能，交互性好，場景逼真；可以利用各種相機，對場景設備進行全方位的觀察；既可以打包生成獨立的可執行文件，又可以掛在網頁上供用戶遠程使用。

水輪發電機組運行仿真系統使用3Ds Max和VRP進行開發設計。系統結合水電站培訓中所遇到的諸多問題，對水電站三維虛擬交互場景進行了全面的分析和研究。通過前期實景取材、3ds Max物理建模與動畫制作、VRP交互功能設計和數據庫設計，最終完成了水輪發電機組運行仿真系統的制作。本仿真培訓系統以水電站三維虛擬仿真模型為基礎，設計了豐富的交互功能，能讓用戶在虛擬場景中進行漫游瀏覽、設備認知、設備操作和運行仿真培訓，實現了水電站培訓的相關功能。

1 仿真培訓系統設計流程

建立水電站虛擬仿真培訓系統，首先要建立水電站模型。以水電站仿真模型為基礎，對水電站主要設備進行介紹，讓學員對水電站各主要設備有個全面的認識。然后，對水電站進行開停機運行仿真，模擬開停機過程，仿真開停機操作，用動畫模擬開停機過程中水力機組及相關設備的動作。最后，針對培訓內容進行考核，用戶信息和考核成績都存在MySQL數據庫中。建立仿真培訓系統的具體過程如下。

(1)通過3DsMAX軟件，將水電廠廠區建筑、道路、綠化及相關設施，和水電廠中控室、水力機組車間和水輪機開停機相關的關鍵設備，進行三維建模。結合水輪機開停機標準流程及操作，制作相應的三維動畫。

(2)將制作完成的三維模型及動畫導入到VRP軟件，進行人機交互內容開發。在仿真平臺VRP添加各種控件，包括按鈕、導航圖、圖片等，通過調取VRP腳本編輯功能，實現軟件所需的各種人機交互操作。

(3)利用已有的水輪機組開停機信息數據，關聯到虛擬場景中的對應模型，模擬真實的水輪機組操作過程的狀態表現。利用數據庫存儲開停機信息數據，設置相應觸發控件或操作，完成水輪發電機組的開停機仿真。VRP軟件自帶與各種常用數據庫的關聯，可以方便地與數據庫相連。

(4)通過服務器技術構建基于B/S結構的三維仿真培訓信息系統。利用C#構建信息系統的后臺，主要涉及各種數據的存儲、刪除和管理數據傳輸等，記錄學員的操作過程，實現軟件后臺考核功能。

仿真培訓系統基于B/S結構[6]開發，適用于遠程教學。學員通過登錄網頁，點擊水電站仿真培訓系統鏈接，下載安裝相應插件，就可以在線進行培訓和考核。仿真培訓的結構如圖1所示。

圖1 仿真培訓系統結構Fig.1 Structure of simulation training system

2 仿真培訓系統功能

基于虛擬現實技術的水輪機組運行仿真結合實際電站，建立電站的水輪發電機組、調速器、勵磁系統、蝶閥、輔助系統、大壩、廠房等模型，對機組的開停機運行進行仿真， 模擬機組開停機過程中電站各設備的開閉運行狀態，并對電站設備手動操作進行仿真培訓。

2.1 場景漫游仿真

場景漫游對水電站場景進行自動瀏覽或自主瀏覽。廠房外部包括大壩和周邊環境用飛行相機進行漫游，廠房內部包括發電機層、水輪機層、蝶閥層和地下隧道用行走相機進行漫游。通過漫游，學員熟悉了水電站各設備在電站中的位置。這對學員是非常重要的，尤其是對電站巡檢人員準確快速找到巡檢設備十分有用。場景漫游界面還設置了導航圖，導航圖可以顯示漫游人員所處的位置和行進的方向，起到了小地圖的功能。圖2為廠房外場景漫游，圖3為廠房內場景漫游。

圖2 廠房外場景漫游Fig.2 Scene roaming outside the plant

圖3 廠房內場景漫游Fig.3 Scene roaming inside the plant

2.2 設備認知培訓

水輪發電機組運行仿真系統設備的認知功能對水電站主要設備進行全面介紹，讓學員全面了解水電站設備。學員通過點擊所要認知的設備，系統加載相應的設備信息。設備信息包括設備臺賬、主要參數、主要部件和設備功能，如圖4所示。水電站中一些設備屬于埋入設備如尾水管、蝸殼等，還有一些設備在其他設備內部如轉輪等，這些都不方便學員學習和認知其結構。因此，仿真系統設置快捷傳送功能，學員通過此功能直接查看所要認知的設備，將其他設備隱藏或透明化，從而方便觀察設備的結構。

圖4 設備認知Fig.4 Device cognition

2.3 設備操作仿真培訓

設備操作仿真培訓對水電站關鍵設備進行手動操作培訓。水電站自動化程度很高，員工和學員很少有機會對設備進行手動操作，仿真培訓系統提供了手動操作練習的機會。這可以極大提高水電站工作人員的能力，保證了即便由于突發情況導致自動控制失靈，水電站工作人員也能手動進行設備操作。進行設備操作仿真培訓時，學員按照提示進行相應設備的操作，掌握設備的操作步驟，如圖6所示。

2.4 運行仿真培訓

開停機是水電站運行的關鍵，對水電站進行開停機運行仿真培訓十分必要。現在水電站一般都是一鍵開停機，運行人員很少有機會了解設備在開停機過程中的動作。運行仿真培訓仿真水電站真實開停機過程，并對開停機過程中各設備動作進行三維動畫模擬。學員通過運行仿真培訓，可以掌握水電站開停機操作，熟悉電站各設備在開停機過程中的動作和作用。圖5為運行仿真界面，運行到各節點自動切換到相應設備三維場景。

圖5 開機仿真界面Fig.5 Simulation interface of unit start-up

圖6 仿真培訓系統用戶結構Fig.6 User structure of simulation training system

2.5 成績考核

水輪發電機組運行仿真系統用戶分為管理員、學生和游客3種。管理員擁有最高權限，可以管理用戶的添加、刪除，還可以查看用戶考核成績。學生可以進行全部培訓和考核，游客只可以進行培訓而不能進行考核。水輪發電機組運行仿真系統結構如圖所示。考核分為兩部分，一是對設備認知的考核，一是對設備操作的考核。設備認知考核(如圖7所示)以電站主要設備為考核內容，讓學員找到所指定的設備。設備認知考核滿分為100，學員答對一題則獲得相應的分數，答錯則不得分。設備操作考核(如圖8所示)考核學員操作設備，要求學生進行某種操作。學生找到相應設備進行正確操作才可以得分。

圖7 設備認知考核Fig.7 Device cognitive examination

3 結 語

水輪發電機組運行仿真培訓系統是基于

圖8 設備操作考核Fig.8 Device operation examination

VRP開發的，目的是為了加強在校學生和水電站員工的實際操作技能。該系統已投入運行，培訓了多批學員，實際運行表明，通過該系統培訓，學員能夠更好地熟悉水電站設備，了解水電站運行過程和掌握操作技能，在現場作業時最大程度地減少誤操作現象，受到水電站工作人員和在校學生的歡迎。

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[1] 鄭曲全.淺談水電站自動化技術及其應用[J].大眾科技，2008,(5):131-132.

[2] 吳海波.基于VC++技術面向對象的水輪發電機組運行仿真系統[J].河海大學學報,2003,(2):148.

[3] 祁焱華,張 偉.3DS MAX 2011從入門到精通[M].北京:中國青年出版社,2011:14-18.

[4] 苗志宏,馬金強.虛擬現實技術基礎與應用[M].北京:清華大學出版社,2014:58.

[5] 孫子嫻. 基于VR-Platform的三維虛擬學習環境的設計與開發[D].上海：上海師范大學,2009.

[6] 李云云. 淺析B/S和C/S體系結構[J]. 科學之友,2011,(1):6-8.