虛擬現實技術在發電行業安全培訓領域的應用與研究

周渝 蒲大森 馮旭東

摘 要 虛擬現實技術目前已廣泛應用于各個領域且取得良好效果。本文以基于生產現場的風電廠VR實訓系統為例，重點介紹在現有技術和HTCvivi眼鏡設備基礎上，建立一個基于PC機的風電廠VR實訓系統;利用3DS MAX 建立三維模型并導入unity實現三維場景控制與交互技術等內容。

關鍵詞 虛擬現實;虛擬培訓;VR技術;安全培訓;三維模型

引言

虛擬現實技術是20世紀80年代末90年代初崛起的一種新型實用技術。被稱為是進入另一個世界的新工具，是創造巨大財富的產業[1]。本課題希望在現有技術和HTCvivi眼鏡設備的基礎上，建立一個基于PC機的風電廠VR實訓系統;利用3DS MAX 建立三維模型并導入到unity實現三維場景控制與交互技術，從而在風電廠安全培訓和運檢實操培訓中進行培訓的應用與研究。

1風電廠VR實訓系統的研究與設計

1.1 虛擬培訓系統的概念

所謂虛擬培訓系統，是指利用虛擬現實技術生成的一類適于進行教育培訓的虛擬環境，可是某一現實世界培訓基地或設施的真實實現，也可是虛擬構想成的世界。

1.2 虛擬培訓系統的特征

（1）仿真性

在虛擬現實技術支持下，虛擬與真正的培訓設施功能相同，操作方法一樣。理想的虛擬環境應該達到使受訓者難以分辨真假的程度。

（2）超時空性

虛擬培訓環境能夠將過去、現在、未來世界等擁有的物體和發生的事件單獨呈現或進行有機組合，并可隨時隨地提供給學員進行培訓。

1.3 風電廠VR實訓系統的設計

（1）系統設計目標

該系統主要利用三維建模軟件3DSMAX構建風電廠升壓站和風機塔筒的相關模型，利用unity調用3DSMAX模型實現三維場景控制，使員工“真實”操作，掌握工作流程以及風電廠中易發生的火災等事故的體驗與應急處置操作。

（2）系統的功能

1）實操培訓

操作技能培訓主要針對的是高級培訓學員和一線檢修人員，利用人機交互，結合HTCVIVI眼鏡套裝設備的應用，進行模擬檢修操作。虛擬現實技術除了能夠自動播放整個檢修過程外，還能夠在虛擬的環境下演示正確的檢修順序，并以文字說明的方式更加規范的完成零部件拆裝等操作[2]。

2）虛擬體驗

主要模擬風電廠中容易發生的火災與跳塔逃生、高墜等事故的體驗與應急處置。讓學員在相對安全的虛擬環境中體驗事故的發生從而達到警示教育的目的。

（3）系統使用的軟、硬件平臺

1）三維建模軟件3DS MAX

3DS MAX是一個功能強大的三維建模軟件，與其他虛擬現實建模軟件相比它具有建模技術強、 方法多等特點。

2）unity引擎

Unity3D是由Unity Technologies開發的一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。

3）HTC VIVI眼鏡

HTC Vive是由HTC與Valve聯合開發的一款VR虛擬現實頭盔產品。 有Valve的SteamVR提供的技術支持， 因此在Steam平臺上已經可以體驗利用Vive功能的虛擬現實游戲。

（4）關鍵技術與實現的研究

1）三維模型差值算法

運用3DsMax軟件針對風力發電機組進行空間三維建模，使用空間差值方法，將三維實體模型數據轉變成三維空間虛擬場景數據。選擇反距離權重差值算法，具體關系：

圖1：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2：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1 各個樣品點的具體關系 ? 圖2 反距離權重差值算法實例

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、型號、運行時的數據和裝配位置[3]。

2結束語

通過虛擬現實技術對整個風電廠進行真實場景還原重建，使受訓人員不進入現場，能夠實時進行風機箱變及升壓站開關柜的檢修，同時能夠體驗在作業中遇到的各種事故，學習各種應急措施。

參考文獻

[1] 胡慶夕，蘇建明，張續紅.聚焦虛擬現實技術[J].機電一體化，2002 （6）：6-11.

[2] 王佳.風力發電機組虛擬檢修系統關鍵技術的研究與實現[J].黑龍江科技，2019（2）：114-115.

[3] 劉子韜.基于Virtools的水輪機虛擬檢修系統[J].水力能源科學， 2017（25）：203-204.

作者簡介

周渝（1982-），男;學歷：大專，職稱：高級技術工程師，現就職單位：重慶市科源能源技術發展有限公司，研究方向：虛擬現實技術領域。