基于虛擬現實的電廠智慧維護培訓仿真系統

張祖輝，孔競

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

1 引言

電力行業是我國經濟建設中重要的能源產業，電廠是提供電力能源的重要設施。近年來，電廠單元機組正朝著大容量、高參數和高自動化方向發展，電廠智能化水平也在不斷提高。在此背景下，機組運行人員的專業知識、操作技能和現場應變能力以及電廠的維護檢修系統面臨著更高的標準和要求。因此，加強對運行人員的培訓和對維護檢修系統的智能化提升對于電廠的安全、穩定、經濟運行具有至關重要的意義[1]。

傳統的電廠仿真培訓系統與生產作業、維護檢修等功能相互獨立，電廠員工在培訓過程中往往脫離實際生產環境，無法收獲逼真的現場體驗效果，培訓效果欠佳。近年來，虛擬仿真技術憑借著沉浸性、交互性、想象性、逼真性的獨特特征，逐漸應用于教育、醫療、工業等領域的研究、評估和可視化活動中[2,3]，為電廠仿真培訓系統提供了新的發展方向。

本文提出了一套智能化的電廠維護培訓仿真系統，系統利用虛擬現實技術實現了仿真模擬功能與電廠維護功能的結合，將電廠培訓仿真與維護檢修、生產運行有機串聯為一體。通過數據庫平臺的信息匹配整合和后臺趨勢化分析，實現電廠企業員工、電廠生產設備、可視化虛擬模型與實時運行參數之間的互聯互通，最終獲得智能化、物聯化、可視化的電廠維護預警和仿真培訓體驗。

2 系統原理及總體架構

電廠智慧維護培訓仿真系統通過可視化技術，將電廠內的建筑、鍋爐、汽機、管道、支吊架等以真實尺寸構建三維模型，在電廠三維場景內通過高速網絡通信技術和服務器平臺將虛擬模型與實時生產信息、視頻監控數據相關聯，打通仿真系統和維護檢修系統之間的信息孤島，以直觀、動態的方式展示廠區內的設備運行信息、視頻監控、安全預警提示等，并提供設備拆裝、互動式操作教學等功能，提高電廠的運營能力和智慧化水平。

整體需要建立數據庫系統、虛擬現實系統以及仿真培訓系統。

數據庫系統通過靜態數據表，存儲維護培訓仿真系統的物理拓撲結構，包括各類生產設備和監測數據之間的匹配關系與各自屬性；建立一系列的動態數據表，存儲仿真培訓系統與虛擬現實系統之間的交互指令與模擬仿真運行數據，包括仿真運行時間、控制參數等指令與數據。

虛擬現實系統實現仿真平臺的人機交互與信息呈現。利用Plant Design Management System（PDMS）軟件對廠區建筑和各類生產設備建立三維虛擬模型[4]。在Visual C++開發環境下設置調用三維場景的程序，構建虛擬現實人機交互界面，使操作人員能夠實時發布操作指令傳遞至后臺服務器，同時在瀏覽工作場景時觀察各類裝置設備的特性參數，并且獲取仿真系統模擬運行產生的數據和電廠實時監測數據。

仿真培訓系統是仿真培訓過程的模型和 數據來源，將電廠運行流程和典型工況數據，以及電廠運行規程規范等信息配置集成數據。以工業游戲形式為電廠人員提供單人獨立培訓教學和多角色互動仿真教學，建立動畫教學模塊、規程培訓模塊以及動態流程模擬模塊等。培訓后根據模擬仿真結果與標準結果的對比和教練員的綜合判定給出學員的成績，體現出良好的多角色交互性。

3 系統設計方案

3.1 三維模型及場景構建

如圖1所示，根據電廠實際工作場景使用PDMS軟件進行等比例建模。三維模型設計區域覆蓋到全廠范圍，包括主廠房和輔助工藝廠房，廠區總平道路和地形，地下溝道和管網部分，廠區綜合管架等。涵蓋內容有：（1）廠房內各占位模型，如典型的管道、鍋爐六道、暖通風道橋架和各類設備（機械設備、電氣設備）等；（2）實體支吊架模型，真實反映各零件和連接件；（3）檢修空間和維護通道；（4）地下設施，包括主廠房結構基礎、地梁、地溝和設備基礎等，廠區地下所有的管道、地溝和基礎等；（5）廠區綜合管架。

圖1 電廠內典型管道實物與PDMS模型對照圖

將三維模型導出至相應格式文件，使用Unity3D軟件進一步渲染優化電廠工作場景，對燈光、組件等場景元素進行深層次加工，完成對模型的材質貼圖，使虛擬場景效果更為逼真。將模型信息配置集成數據，加密上傳至服務器，用于仿真培訓過程中調用分析。

3.2 仿真培訓系統開發

建立基于虛擬分布式處理單元（Visual Distributed Processing Unit，VDPU）的激勵式仿真系統[5]。所謂 VDPU，就是將實際分散控制單元（Distributed Processing Unit，DPU）中的功能移植到VDPU軟件上，采用軟件仿真的方法在計算機上模擬一個或者多個DPU的工作過程，使分散控制功能脫離電廠實際硬件而實現。

使用Visual C++開發服務器平臺下的VDPU程序，根據電廠的實際操作環境建立人機交互界面，根據需要添加各種控件，包括按鈕、導航圖、圖片等，從而實現在服務器中模擬多個DPU的工作過程，然后通過數據傳輸反饋至人機交互界面，邏輯結構如圖2所示。

圖2 基于VDPU的仿真模式邏輯結構圖

在服務器操作系統中編寫程序實現DPU功能的移植，VDPU可以直接使用實際分散控制系統生成的下載文件，從而方便地再現DPU功能。此外，針對關鍵的操作規范和操作流程制作動畫，并與相應的設施或設備關聯，方便學員在教學環節調用觀看。

3.3 實時運行數據關聯

建立實時生產檢測數據和數據庫服務器之間的通信接口，將電廠生產實時數據上傳至數據庫系統。建立生產數據與三維虛擬仿真模型之間的對應關系，實現仿真培訓系統對監測數據的實時調用。同時將數據保存在數據庫中，便于后期調用分析。后臺服務器一旦發現實時數據達到歷史故障接近值，立即在人機交互界面顯示報警提示。

3.4 仿真培訓管理

建立學員信息庫和培訓資料庫，學員信息包含學員姓名、崗位級別、成績評定等，培訓資料庫包含操作規程、培訓案例、培訓記錄等。使用虛擬現實眼鏡終端設備和三維投影屏相結合的方式實現智慧維護培訓仿真功能。建立一套“教-學-練-考-評”的完整培訓考核評價體系，操作員的最終成績可由2部分組成，一部分為系統根據記錄的操作數據與標準答案對照自動形成的評價結果，另一部分為教練員調閱學員操作記錄，根據實際情況做出的評價優化。通過上述考核工作，保證崗位定級工作的客觀、公平、準確進行。

4 系統功能介紹

4.1 電廠虛擬全景漫游

平臺利用實時動態三維數據加載技術實現三維數據的分布式加載。操作人員可以選定廠區內場景，自定義漫游路徑，在全廠區域內進行虛擬漫游瀏覽，還可通過人機交互輸出多種格式的場景漫游圖片或視頻。通過點擊場景中的設備模型，顯示該設備的的詳細信息，例如，設備名稱、設備監控視頻、安全參數以及操作規程等。通過漫游，學員可以熟悉電廠各設備的位置，對于電站巡檢人員準確快速找到巡檢設備尤其有用。場景漫游界面還可以設置路線導航圖，顯示漫游人員所處的位置和行進的方向，起到小地圖指引的作用。

4.2 實時信息可視化展示

智慧維護仿真培訓系統的一個重要功能是通過虛擬現實技術，結合5G通信技術將廠區內重要的監測信息可視化展示，主要包含生產控制系統數據、視頻監控數據和廠區環境信息。制作電廠模型構建和場景渲染時，將建筑、設備、傳感裝置等單獨建立且設置編號，在后臺數據庫將模型編號與監測數據（如視頻監控數據、傳感監測數據等）進行一對多的關聯。操作人員可以通過查詢設備唯一編號直接定位到模型所在位置，也可以直接點擊模型查詢設備編號并且讀取設備對應的監測信息。運行人員可以在人機交互界面同時查詢不同種類的電廠運行數據，全面掌握廠區內部運行狀態。

4.3 智能預警維護

系統將歷史運行工況的關鍵參數（如溫度、濕度、氣壓、流量等）分種類保存，將實時運行數據與歷史監測值比較，判斷當前工況是否運行正常；同時在后臺服務器處理平臺添加數學模型計算和趨勢化分析功能，對鍋爐、汽機等關鍵生產設備進行全壽命周期的管控，若監測到數據異常，則會在對應的三維模型上標記突出，并在人機交互界面進行彈窗提示。此外，異常信息會在數據庫中進行備份記錄，方便電廠運行人員進行復查分析。系統著重針對鍋爐四管泄漏和壽命管理、汽輪發電機組振動監測、紅外成像監測、轉機滾動軸承壽命管理和自動調節系統狀態監測等設立專門的預警維護模塊，提升整體安全管理能力。

4.4 機組運行預測及事故分析

系統提供機組仿真預測功能，可以通過導入實時的電廠監測數據并設置相關參數，模擬和預演電廠機組的各種可能工況，合理預測機組未來一段時間內的運行狀況。一旦發現隱患立即采取措施調整運行參數，保證機組的安全運行。現場發生事故后，可以將事故發生時的運行數據導入仿真系統中，重演事故過程。通過分析監測仿真系統中的運行過程，尋找事故發生的原因。將事故數據上傳至數據庫保存，用于學員調用學習，從而提高學員應急處理該類事故的能力。

4.5 設備拆裝模擬

學員可以通過點擊所要認知的設備查看相應的設備信息，包括主要參數、零部件組成、設備功能和操作規程等。此外，系統根據設備部件圖及裝配圖采集設備零部件形狀、幾何尺寸、相互匹配關系及相對位置等特征信息，建立設備拆裝數據庫。進一步研發PDMS軟件二次開發接口，在模型構建階段生成拆裝模擬演示視頻。通過在虛擬現實系統中選擇所需設備模型，加載服務器緩存的高精度設備模型數據及動態拆裝視頻，直接在線調用查看設備的精準拆裝演示。

4.6 多角色互動教學

系統支持多員工同時在線培訓教學，實現教練員與學員的實時互動交流。將關鍵的電廠運行人員操作流程制作成三維模擬演練腳本，學員可以在操作界面選擇執行不同的腳本從而加載相應的培訓場景。培訓過程中，交互界面按照工作規程進行提示，以三維工業游戲的形式，在虛擬場景中進行模擬訓練，如開關的操作、閥門的控制、機械的裝配等。利用虛擬現實技術，還原真實的生產作業環境。對于復雜的培訓演練過程，系統支持多人合作培訓仿真，通過多臺虛擬現實設備終端同時登陸操作，分角色布置培訓學習任務，完成操作全過程仿真。系統通過對比學員操作和標準規范自動打分評價，并對錯誤操作進行糾正講解和正確操作演示。建立培訓歷史數據庫，方便后期調用復習，加強培訓效果。

5 結語

電廠規模的擴大和智能化發展對電廠培訓仿真系統提出了日益嚴格的要求。針對傳統培訓仿真系統與生產作業、維護檢修等功能相互獨立的現狀，本文提出了一種基于虛擬現實技術的電廠智慧維護培訓仿真系統。通過可視化虛擬現實交互，為電廠運行人員提供逼真的實景操作教學和培訓。同時，通過調用實時電廠運行工況數據實現了電廠智能監測預警和機組運行預測等功能。系統實現了電廠培訓仿真與維護檢修、生產運行的有機結合，為大型發電廠的安全經濟運行提供了數字化保障。