虛擬現實技術在風力發電機組檢修中的應用

王小坡 ，董 澤 ，白國梁 ，張 悅 ，騰 聰

（1.河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心（華北電力大學），河北 保定 071003；2.國家電投東北電力有限公司撫順熱電分廠，遼寧 撫順 113006）

0 引言

目前，我國風力發電盛風期大概有半年時間，期間所產生的電能大概占全年的75%，風的有無受自然條件的限制，因此，在盛風期降低風力發電機組故障率十分重要，降低風力發電機組故障率將帶來十分可觀的經濟效益。一般情況，由于設計零件之間的協調性、嚴厲的自然環境等因素的影響，會使得風力發電機組運行故障率提高。

傳統風力發電機組設備檢修中，一般檢修人員都是去實際的現場分析故障原因，風力發電設備所處的自然環境比較偏僻，檢修訓練效率低、過程繁雜、質量不高，并且不容易掌握整個風力發電機組的整體結構，風力發電機組檢修培訓質量會下降，虛擬檢修技術能夠很好地解決上述問題。虛擬檢修技術能夠模擬實物拆卸和裝配過程的行為，并且可按照實際現場繪出零件模型。通過虛擬現實技術，風力發電檢修人員能夠在虛擬環境中觀察風力發電機組零部件的拆卸和裝配過程。虛擬現實技術在風力發電機組檢修中的應用可以真實、直觀、深層次、多角度再現風力發電機組檢修工藝，從而使訓練人員能夠快速掌握風力發電機組檢修的工藝。

三維虛擬現實技術將風力發電機組檢修環節可視化，即將現實中的風力發電機組零件進行動畫拆裝和文字提示相結合，采用計算機技術對真實現場檢修環節和現場環境進行虛擬展現，給受訓人員創造出三維立體的環境，使受訓人員能夠在虛擬世界中更加真實地進行風機檢修，使得檢修的流程更加形象生動。使得受訓人員能夠更加清晰地了解風力發電機組零件結構、拆裝順序和拆裝工藝。有助于受訓人員更好更快地掌握風力發電機組檢修知識和操作工藝，提高了檢修工作效率。

虛擬檢修技術主要功能特點：1）滿足檢修教學要求，擁有轉向架三級修相關的風機故障情況和檢修工藝；2）風機模型、模型動畫、文字標識等信息對風機檢修工藝做出全面直觀的演示；3）風機檢修模塊除了自動播放檢修整個過程，還能夠在虛擬環境中更加真實地演示風機零件的檢修順序以及文字說明，使用鍵盤鼠標完成風機零件的拆裝、旋轉等操作；4）通過檢修培訓系統能夠實現對學員操作檢修過程的監控，能夠記錄檢修的操作過程，實現對受訓人員的檢修結果評價。

1 系統框架

軟件功能框如圖1所示。虛擬現實技術在風力發電機組檢修中應用主要包含3個模塊：虛擬拆裝仿真環境模塊、仿真培訓模塊和在線考試模塊。

虛擬拆裝仿真環境模塊。運用3Ds Max軟件精細地創建風力發電機組場景和風機零件模型。3Ds Max能夠在Windows系統中運行，實現風力發電機組動畫的制作，通過該軟件能夠進行風力發電機組場景構建、風機模型構建、拆裝工藝制作。運用反距離權重差值算法將三維實體模型數據轉變成三維空間虛擬場景的數據。

仿真培訓模塊。基于Unity 3D引擎使得風力發電機組模型動畫和文字相匹配，該引擎會生成文件*.vrch。能夠實現動畫過程演示、拆裝文字演示和拆裝動作操作，能夠很好地實現風力發電設備虛擬檢修培訓任務。檢修人員通過該平臺，無需進入現場就能實現對風力發電機組虛擬檢修。

圖1 軟件功能框圖

2 關鍵技術和實現

2.1 三維模型數據及差值算法

圖2 三維空間模型元素

三維模型數據結構。虛擬現實技術將現場風力發電機組零件進行抽象虛擬模型化的同時，還要保證虛擬模型數據相對準確。虛擬模型可以由4類基本元素表示：點、線、面、體，如圖2所示。點結構是作為三維空間最基本的表示形式，點可以表示多種三維場景的事物，例如，可以表示出風機某軸承的旋轉中心點位置、接觸傳動軸之間中心位置偏差等；線結構可以表達出風機模型的邊界特征，三維場景中線的長度、方向、傾斜角都是它的特性，可以表現出風機模型的邊緣、運動的軌跡等；面結構可以很好地表達出風機模型的面特征，三維模型零件的面距離地面的高低、平面的傾斜程度、相鄰兩個面的距離等，面結構也能夠表示出三維模型的規則物體和不規則的物體，也可以表示出復雜的三維場景；體作為三維場景中最根本的元素，模型的點、線、面都是組成體的元素，它包含三維模型的所有屬性。

反距離權重差值算法。運用3Ds Max軟件針對風力發電機組進行空間三維建模，再通過虛擬格式轉換工具將其轉變成三維虛擬模型的各個數據，就可以獲得三維模型的點、線、面、軸心位置以及各三維零件之間的相對位置等信息。此時必須使用合適的空間差值方法，將三維實體模型數據轉變成三維空間虛擬場景的數據。選擇反距離權重差值算法，該差值算法易于理解，原理是計算待求點周圍的各個樣品點的測量值進行加權平均來求值，具體關系：

式中：Mi為控制點i的加權平均測量值；Mz為點z的估計值；di為控制點i與點z的間距大小；N為估算中用的控制點數目；r為指定點的冪數，r取值2。

圖3定義了6個頂點，m1～m6分別代表了三維實體零件6個數據，風機模型復雜程度低一些，最常用的r=2的距離的平方反比算法，確定出平面上的定點z，對應虛擬現實系統中的部件模型。

圖3 反距離權重差值算法實例

2.2 三維建模技術

三維建模技術就是創造一個虛擬風力發電的環境，要對風電設備實際現場的環境了解，采集現場外圍環境、內部零件的參數、內部結構、型號、運行時的數據和裝配位置。三維建模的軟件有很多，本系統使用的軟件是3Ds Max，能夠更加輕松地實現對風機設備零件建模，虛擬世界中每個零件盡可能真實地還原現場的設備信息，零件建模質量的高低最能決定受訓人員在虛擬環境下真實度，從而創造出更加真實的檢修環境，使受訓人員能夠有身臨其境的感覺，圖4所示為風機的主軸部分。目前，系統的建模技術部分采用的是三維掃描技術，通過該技術能夠得到粗略的構建風機零件模型，再通過后期處理加工完善風機模型。

圖4 風機主軸

三維建模技術能夠精確地實現風機發電設備的虛擬再現，在虛擬世界中，能夠非常逼真地營造出虛擬檢修環境，使人身臨其境，隨著近些年三維建模技術的日益成熟，在虛擬世界中能夠更加真實地反應出模型的光線、色彩、形狀、坐標等信息。

2.3 虛擬裝配動畫制作方案

三維動畫制作常用軟件有Maya和3Ds Max。Maya能夠實現動畫、建模、渲染等功能，受到了很多人的喜愛。3Ds Max軟件能夠基于Widows系統專門針對制作動畫的軟件，在虛擬的三維場景中制作出逼真的3D動畫，電腦圖像與動畫制作多采用3Ds Max軟件，在發電、影視等領域應用廣泛。3Ds Max作為該系統的設計軟件，主要由于3Ds Max入手相對容易，操作者不用掌握復雜的計算機繪圖能力。該軟件操作起來十分方便，能夠使操作人員盡快投入到系統開發，同時3Ds Max的渲染效果好、渲染速度快、軟件運行環境要求低，同時自帶的插件也表現很好。

風力發電機組由于地處位置比較偏僻，一般檢修培訓需要去現場進行，成本較大。虛擬現實風機設備檢修很好地解決了這個問題。完成整個虛擬檢修的過程，首先要制作風力發電機組零件動畫，根據實際現場需求，制作了拆裝的動畫，很好地實現了虛擬現實設備檢修。

從而實現虛擬現實的拆裝檢修，拆裝檢修動畫如圖5所示。

圖5 拆裝動畫

2.4 Unity 3D引擎動畫封裝

Unity 3D是非常受歡迎的虛擬平臺，Unity3D主要包括編輯器和游戲引擎。該引擎在游戲制作中經常使用。例如手槍包括形狀、威力參數、聲音等都可以通過這個平臺得以表現。該引擎支持C#，和JavaScript腳本編程。另一個部分是Unity 3D編輯器，配置了多種語言腳本編輯器。

基于Unity3D開發平臺能夠實現對拆解步驟文字的添加，風力發電機組虛擬檢修拆裝需要文字說明，文字說明使受訓人員能夠根據正確的檢修步驟，完成風力發電機組的檢修過程。平臺實現對動畫和文字的整合，平臺如圖6所示，將3Ds Max中創建的風力發電機組模型及動畫導出為對應FBX文件，然后導入到創建的平臺中，首先新建場景，載入風力發電機組的FBX文件，然后載入場景，風力發電機組的模型就導入了平臺中，如圖7所示，此時，可以通過該平臺實現對動畫和文字的匹配。最后實現對于動畫和文字的組合，選擇對應的風力發電機組零件，會彈出對應的文字提示，如圖8所示。

圖6 檢修平臺

圖7 模型導入平臺

圖8 動畫文字結合

3 結語

將虛擬現實技術運用到風力發電機組檢修中，通過虛擬現實技術將風力發電機組進行在線模擬，構建逼真的風機檢修培訓環境，使得受訓人員在不進入現場的情況下，依然能夠了解風力發電機組的所有零件結構，能夠實時地進行風機的拆裝檢修操作，同時能夠在線學習各個零件自動拆裝，從而實現了風力發電機組虛擬檢修的在線實操培訓。使得受訓人員能夠更好地掌握風機檢修知識，達到很好的風機檢修培訓效果。