電力生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站研究

彭 遠 方， 賴 真 明， 杜 光 勇， 周 波

(中電建水電開發(fā)集團有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

隨著國家十四五規(guī)劃的出臺，加速了企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。面對能源革命與數(shù)字革命的雙重疊加及 “國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的戰(zhàn)略要求，電力生產(chǎn)企業(yè)不斷進行探索。利用數(shù)據(jù)可視化、信息物理融合等數(shù)字孿生技術(shù)可為更好地服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)運營。數(shù)據(jù)驅(qū)動三維場景是數(shù)字孿生體系的重要組成部分，數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能是當前國際學術(shù)前沿與應(yīng)用過程智能化的發(fā)展趨勢[1]。目前部分研究主要依賴信息空間的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗證、及運行決策等,缺乏應(yīng)用實體對象的物理實況小數(shù)據(jù)(如設(shè)備實時運行狀態(tài)、突發(fā)性擾動數(shù)據(jù)、瞬態(tài)異常小數(shù)據(jù)等)的考慮與支持,存在“仿而不真”的問題。

數(shù)字水電站是水電行業(yè)發(fā)展過程中工業(yè)化與信息化融合的產(chǎn)物。近年來，在信息技術(shù)引入到生產(chǎn)實際應(yīng)用中后，工業(yè)技術(shù)并沒有與信息技術(shù)產(chǎn)生相互促進與彼此帶動的效應(yīng)[2],數(shù)字水電站的提出與應(yīng)用迎合了智慧運營管理的要求，實現(xiàn)工業(yè)化、信息化相互融合，彼此帶動。當前行業(yè)在數(shù)字工廠及培訓方向已有一些研究，趙暉等[3]設(shè)計了具備工程設(shè)計、工廠生產(chǎn)管理、DNC單元遠程控制功能的數(shù)字化工廠系統(tǒng)，具備靈活性與實用性；隋少春等[4]基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的方式構(gòu)建了一種數(shù)字化工廠，具備對設(shè)備的三維可視化監(jiān)控、加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計可視化以及設(shè)備預警等功能；謝天宇，吳馨等[5]通過Unity引擎引入SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接使用，實現(xiàn)了變壓設(shè)備的交互性教學，具備實際應(yīng)用價值。

實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字車間及培訓的研究在智能制造、軍事、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，但在水電領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2 Unity3D平臺介紹

Unity3D作為被廣泛使用的實時3D創(chuàng)作平臺,在多個領(lǐng)域被應(yīng)用，如工業(yè)中數(shù)字孿生。使用 Unity 能夠?qū)δＰ蛿?shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)或點云數(shù)據(jù)進行實時傳輸和渲染，在添加物理特性和行為邏輯后，不僅可以將簡單、抽象的模型和數(shù)據(jù)處理為照片級的實時渲染效果，還可以在多個平臺以 AR/VR/MR 的形式進行交互。

Unity是實現(xiàn)數(shù)字線程的良好平臺，提供了實時渲染、物理引擎、MR等關(guān)鍵技術(shù)，同時具備面向工業(yè)標準的支持，這對實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站具有獨特優(yōu)勢。

3 技術(shù)框架及模型數(shù)據(jù)資源

3.1 技術(shù)框架

采用Unity的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站技術(shù)實現(xiàn)主要包括三維建模、實時數(shù)據(jù)準備、Unity編程驅(qū)動幾個部分。三維建模可選擇Revit、SolidWorks、3DMax等多種建模軟件，將三維模型文件導出為內(nèi)嵌材質(zhì)的FBX文件后導入Unity，實現(xiàn)對三維模型的驅(qū)動。實時數(shù)據(jù)驅(qū)動主要通過Socket、UnityWebRequest等方法與實時數(shù)據(jù)平臺通信定時獲取實時數(shù)據(jù)，也可通過將Unity與實時數(shù)據(jù)平臺建立長連接的方式，將實時數(shù)據(jù)通過變位上送的策略上送給Unity引擎，Unity調(diào)用獲取的實時數(shù)據(jù)改變?nèi)S場景中模型的顏色、位置、運動狀態(tài)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動。Unity驅(qū)動三維場景技術(shù)框架見圖1。

3.2 三維模型資源

Unity3D支持主流的CAD格式模型導入和輕量化：CATIA、IGES、STEPS、SolidWorks、Pro/Engineer、ALIAS、JT、FBX、3dxml、OBJ、DAE、3DS、STL等。構(gòu)建一個常規(guī)Unity3D項目可使用Revit、SolidWorks、3DMax等建模軟件建立的模型導出為一種通用模型格式FBX模型并導入Unity項目中應(yīng)用。

三維模型建模中應(yīng)考慮項目在實際驅(qū)動中需用到的模型對象，針對這部分對象需是可運動或改變材質(zhì)的獨立組件，此外的其他模型應(yīng)做合并處理，項目導出為FBX時應(yīng)勾選內(nèi)嵌模型材質(zhì)，同時考慮在不影響整體使用體驗的前提下適當減少模型面數(shù)，此操作將會在最終項目生成運行時節(jié)省設(shè)備性能，提升用戶體驗。

圖1 Unity驅(qū)動三維場景技術(shù)框架

FBX格式的三維模型文件可直接導入Unity項目資源文件夾。如出現(xiàn)FBX模型材質(zhì)丟失，可點中FBX模型，在Inspector窗口中將Meterials下的Location模式改為Use Embedded Meterials即可。

3.3 實時數(shù)據(jù)資源

數(shù)字水電站的實時數(shù)據(jù)資源來源于生產(chǎn)現(xiàn)場電力監(jiān)控系統(tǒng)(含機組、升壓站、公用、閘門等控制單元)、在線監(jiān)測系統(tǒng)(含機組、主變、GIS等監(jiān)測系統(tǒng))等，根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護要求將數(shù)據(jù)經(jīng)正向隔離裝置后送往生產(chǎn)管理大區(qū)，通過建一套靈活的實時數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)，按數(shù)字水電站三維場景驅(qū)動需求，加工整理數(shù)據(jù)。處理流程為：采集-整理-傳輸-加工-服務(wù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：生產(chǎn)現(xiàn)場傳感器-采集系統(tǒng)-安全隔離裝置-專用網(wǎng)絡(luò)-實時數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。

實時數(shù)據(jù)從電站現(xiàn)場到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺采用單向傳輸，不與生產(chǎn)設(shè)備交互。傳感器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)現(xiàn)地控制單元采集、監(jiān)控系統(tǒng)上位機處理后打包送出。數(shù)據(jù)打包時只傳送變量值，加上必要的校驗信息，使用計算機網(wǎng)絡(luò)UDP協(xié)議，可以很好地滿足傳輸要求。

實時數(shù)據(jù)處理平臺部署在互聯(lián)網(wǎng)接入?yún)^(qū)域，生產(chǎn)控制大區(qū)、管理大區(qū)與數(shù)據(jù)服務(wù)平臺之間部署單向隔離裝置，確保傳輸安全。平臺采用Java語言編寫，功能包括實時數(shù)據(jù)接收校驗、分析計算、數(shù)據(jù)存儲、向外主要以HTTP方式提供服務(wù)，數(shù)據(jù)調(diào)用靈活方便。

3.4 Unity平臺實時數(shù)據(jù)資源獲取

Unity中實時數(shù)據(jù)資源獲取通過C腳本實現(xiàn)。實時數(shù)據(jù)獲取方式有多種，如Socket、UnityWebRequest等方法。實時數(shù)據(jù)接口可定義為標準JSON數(shù)組(key-value)格式，如：

[{″id″:″A00001″,″value″:0}, {″id″:″A00002″,″value″:13.423}]

其中″id″表示點號，″value″表示數(shù)值，一個數(shù)據(jù)對象即為一個測點對應(yīng)的點號及數(shù)據(jù)。此時應(yīng)將該字符串解析為模擬量數(shù)據(jù)類型，才能在Unity腳本中進行數(shù)值調(diào)用。JSON解析可通過開源的LitJSON插件進行解析，此外，在解析腳本中還應(yīng)創(chuàng)建模擬量實時數(shù)據(jù)的實體類用于JSON解析，解析出的實時數(shù)據(jù)即可調(diào)取用于數(shù)字水電站的各種三維模型控制。

4 實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站的技術(shù)實現(xiàn)

4.1 運動控制

在Unity中，驅(qū)動對象運動給出了多種方案，主要有Transform組件、Rigidbody(剛體)組件及CharacterController(角色控制)組件。

Transform組件可實現(xiàn)3D物體的平移(Translate)、縮放(scale)、旋轉(zhuǎn)(Rotate)的控制，其中來自物理水電站的實時數(shù)據(jù)如轉(zhuǎn)速、位移距離等數(shù)據(jù)可根據(jù)物體運動特點傳入到對象的速度控制參數(shù)中，實現(xiàn)對運動距離、運動速度、旋轉(zhuǎn)速度等控制，配合位置坐標插值算法(Lerp、SLerp)可實現(xiàn)平滑運動的效果，通過參數(shù)調(diào)教，實現(xiàn)數(shù)字水電站與物理水電站一致的孿生應(yīng)用。

Rigidbody(剛體)組件可以使三維模型能夠受到物理系統(tǒng)中力的影響。Rigidbody組件提供了大量參數(shù)設(shè)置，可提供豐富的外力控制效果，該組件需與碰撞盒(CollisionBox)搭配使用，利用碰撞檢測(Collision Detection)屬性實時計算物體碰撞后的運動狀態(tài)，可用于機組零件拆裝擺放等仿真。

Character Controller(角色控制)組件是Unity為了使開發(fā)者能方便地開發(fā)第一人稱視角而封裝的一個組件，可以看做是受限的剛體，會表現(xiàn)出一定的物理效果，但不受力的作用。該組件也提供了大量參數(shù)用于對象控制，場景中虛擬人物或攝像機運動控制時，使用character controller來控制對象的移動，可以獲取更加豐富的碰撞信息，完成更好的控制。

4.2 顏色控制

水電站生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC控制屏柜中，有大量指示燈用于指示設(shè)備狀態(tài)，一般有紅色、綠色、橙色、白色等。在三維場景中，相關(guān)指示燈對象可通過實時數(shù)據(jù)中對應(yīng)的開關(guān)量(DI)控制，如開關(guān)量狀態(tài)為0顯示綠色，狀態(tài)為1顯示紅色。在Unity中，通過腳本獲取實時數(shù)據(jù)并監(jiān)控狀態(tài)變化，調(diào)用Unity自帶的Color方法進行對象顏色控制，如：obj.GetComponent().color = Color.red;也可直接通過替換對象材質(zhì)實現(xiàn)狀態(tài)變化。

4.3 UI搭建

Unity引擎V4.6以后版本自帶了功能強大圖形用戶界面UGUI(unity Graphical User Interface)，開發(fā)者可自主搭建各種用戶圖形界面用來顯示信息或與用戶交互。通過UGUI，可快速搭建出用于用戶操作的功能菜單、數(shù)據(jù)展示、設(shè)備信息展示等功能。Canvas組件上設(shè)置Render Mode(渲染模式)，可實現(xiàn)UI顯示渲染方式的調(diào)整，UGUI提供了覆蓋、攝像機、世界空間三種模式，可適用于不同的應(yīng)用場景，如要將UI設(shè)置在三維模型旁，則將渲染模式選擇世界空間模式，將UI的Canvas坐標調(diào)整到三維模型旁即可。

基于UGUI，開發(fā)者們也開發(fā)了大量操作簡單實用的開源插件，如XCharts圖表插件，可通過簡單配置實現(xiàn)條形圖、柱狀圖、雷達圖、液位圖、熱力圖等多種可視化圖表配置，并支持上萬數(shù)據(jù)量的可視化呈現(xiàn)，為數(shù)字水電站的數(shù)據(jù)可視化提供了很好的支持。

數(shù)字水電站220 kV出線場見圖2。

圖2 數(shù)字水電站220 kV出線場

5 結(jié) 語

面對能源革命與數(shù)字革命的雙重疊加，面對 “國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的戰(zhàn)略要求，傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)企業(yè)積極應(yīng)變。根據(jù)水電站實時數(shù)據(jù)構(gòu)成、生產(chǎn)管理大區(qū)實時數(shù)據(jù)平臺現(xiàn)狀，從數(shù)字水電站三維模型資源準備、實時數(shù)據(jù)資源準備、Unity與實時數(shù)據(jù)通信、實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站的技術(shù)實現(xiàn)及UI呈現(xiàn)等方面進行了闡述，驗證了應(yīng)用Unity3D引擎實現(xiàn)電力生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字水電站的可行性，該方法亦可在數(shù)字風電、數(shù)字光伏、數(shù)字儲能等場景中應(yīng)用，在一定程度為電力生產(chǎn)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的探索提供支持。

Unity3D引擎使用C語言編程，通過腳本驅(qū)動數(shù)字場景，同時具備豐富的插件庫及開發(fā)文檔，降低了開發(fā)門檻。分析了一個簡單實例，在實際項目中，應(yīng)充分考慮企業(yè)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，提前做好數(shù)據(jù)應(yīng)用規(guī)劃，這將為項目落地及擴展帶來便利。