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基于虚拟现实技术的火力发电厂仿真系统的开发

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：石兴盼

[导读] 虚拟现实技术是近年来兴起的一种新技术，将虚拟仿真技术应用火力发电厂仿真系统开发之中，优势明显，满足火力发电厂建设、管理的需要，提高了效率，降低了成本。同时基于虚拟现实技术开发仿真系统需要建模、场景优化、交互系统以及漫游功能等多个方面全面开发设计，保证系统的运行的流畅性、场景的真实性、仿真的有效性。未来虚拟现实技术在火力发电厂仿真系统应用方面会不断加深，建设更加智能化、更加真实化、集成度更高的系统。

河北保定华仿科技股份有限公司石兴盼 071000

摘要: 虚拟现实技术是近年来兴起的一种新技术，将虚拟仿真技术应用火力发电厂仿真系统开发之中，优势明显，满足火力发电厂建设、管理的需要，提高了效率，降低了成本。同时基于虚拟现实技术开发仿真系统需要建模、场景优化、交互系统以及漫游功能等多个方面全面开发设计，保证系统的运行的流畅性、场景的真实性、仿真的有效性。未来虚拟现实技术在火力发电厂仿真系统应用方面会不断加深，建设更加智能化、更加真实化、集成度更高的系统。
关键词：虚拟现实技术；火力发电厂；仿真系统；研究
        引言
        虚拟现实技术是近年来兴起的一种新技术，是物联网技术的深层次应用，能够给使用人员带来沉浸式体验，继而达到所需的效果。因此虚拟现实技术被应用于教育、工程建设等方面，起到了良好的效果。火力发电厂作为电网能源的起始段，其运行效果直接影响了后续的供配电工程。随着火电厂规模不断扩大，火电厂运行运维操作复杂度不断提升，因此对于工作人员的技术水平、熟练度以及相应的内部结构认识要求不断提升。如果使用实物来开展相应的学习、培训工作，投入成本高，维护费用高，恰好的利用虚拟现实技术可以很好的解决这些问题。
        一、虚拟现实技术概述
        虚拟现实技术也被称为VR（Virtual Real，简称VR）技术是一种新型技术，目前仍处于发展之中，对于VR技术的定义尚在发展之中。目前学术界认为VR技术是使用数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术，结合人工智能技术，网络数据处理技术继而进行的一种信息技术，为使用人员的创建体验式空间。
        VR技术是利用VR计算机语言在网络上营造虚拟环境，也就是虚拟现实造型语言Virtual Reality Modeling language，也可以嵌入Java、Java script等语言完成网络虚拟平台。依靠各种传感设备，继而让使用人员沉浸到逼真的虚拟环境之中。
        二、虚拟现实技术火电厂仿真系统应用优势
        2.1火电厂的沉浸式体验
        利用unity3d软件和c#脚本语言来构建虚拟火电厂，继而使用者可以利用虚拟火电厂观察火电厂的全部实景，并且这种观察不受任何时间、任何地点的限制，这是传统技术无法实现的效果。
        2.2虚拟现实技术优化工作环境
        虚拟显示技术可以构建整个火电厂的各个设备，传统的工作环境需要面临高温环境，工作强度高。而利用虚拟显示技术可以让工作人员远程监督和管理设备运行情况，降低了工作人员的工作强度，继而达到管理效果，优化了工作环境。
        2.3火电厂仿真设计更高效
        利用虚拟现实技术能够将整个施工效果提前，让人员能够快速发现电厂设计规划布局的不足，继而进行调整，极大的降低了工程后期变更带来的成本投入，这对于整个火电厂系统建设都是极为有利的。
        三、虚拟火电厂仿真系统的开发
        3.1虚拟火电厂仿真系统构成
        虚拟火电厂是基于实际火电厂构建的一种网络虚拟空间，因此想要提高虚拟仿真效果，第一步就是要整理分析火电厂组成，将其划分成多个单元，继而完成仿真系统构建。现阶段火电厂主要是由锅炉、汽轮机、发电机以及变压器等设备，利用设置场景和光源而布置整个电厂环境。借助特殊的外部设备（例如3D鼠标，操纵杆，普通键盘或普通鼠标），可以自然方式操纵环境中的虚拟设备。
虚拟场景的建立包括三个步骤：基本几何图形的创建，子场景的连接，调整和优化以及复杂场景交互功能的设置。基本几何可以直接用、c#脚本语言编写，可以在可视化工具中完成，也可以在3D动画软件（例如3dsmax）中创建。可以在unity3d软件、c#脚本语言和其他外部程序之间的接口，以实现复杂的场景交互功能。最后，可以将创建的虚拟现实场景压缩并发布到Web。

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        3.2复杂电力设备的建模过程
        火力发电设备的构造比较复杂，设备外形不规则，建模难度较大，因此需要构建人员有着高超的建模水平。常见的三维建模软件是3DMax软件，建模人员将模型数据化，继而完成复杂模型的构建。为了更好的说明问题，本文以变压器建模为例。首先对变压器进行形体分析，利用构建圆柱体和长方体来创建基体，在基体的基础上创建变压器的油箱、高压套管、低压套管、分接开关、标杆和螺钉，使用“布尔运算”对上述部件分别进行切割或嵌入，调整它们的大小，最后将所有部件组合形成变压器。
        3.3场景的多细节层次优化
       火电厂仿真系统的构建模型文件多，如果不对这些模型文件进行二次处理，直接导入到系统之中，会导致系统负荷较大，降低了整个系统的流畅度。因此有必要对整个系统场景进行优化，继而满足在有限的带宽下，能够维持一个流畅的系统运行。常用的技术就是场景的多细节层次优化技术（level of details，简称LOD技术），该技术根据视点与物体之间的距离，选择模型的精细度。当视点很远时，将选择粗糙模型。当视点靠近对象时，将选择精细模型。使用平滑过渡技术来显示模型，从而可以提高浏览速度。简而言之，LOD的基本概念是对场景的较小，较远或较不重要的部分使用较少的细节表示，以便在显示的保真度和帧频之间取得平衡。根据虚拟电厂现场表达的特点，为主要设备单元构建了相应的粗糙模型和精细模型。当用户浏览虚拟电厂的大场景时，会介绍设备的粗略模型。当用户需要浏览主要设备的详细信息时，可以使用锚点来指导设备的精细模型。这样，可以实现虚拟场景的分层浏览，可以考虑浏览速度和细节显示的要求。
        因此在利用LOD技术是根据不同的模型提供不同的场景来控制场景复杂度，加快图形绘制速度，能够解决复杂场景导致的计算机负载较大的问题，有效提升系统运行流畅度。
        3.4 虚拟显示交互系统实现
        unity3d软件和c#脚本语言来实现用户与3D对象之间的直接交互。利用3D交互设备，设备之中会显示相应的对话框，可以进行虚拟操作，继而实现交互功能。例如在实际应用中用户单击断路器时，测试用户触摸事件的检测器，检测到用户的动作，通过c#脚本语言收集该事件并执行TouchTime函数，出现对话框并对断路器进行介绍，使用人员即可完成相应的使用体验，达到仿真工作的效果。
        3.5 漫游功能的实现
        漫游功能是现代仿真系统中不可或缺的一个模块，漫游系统并不仅仅实现了看的效果，随着技术的发展，真实触感的提升，漫游功能已经成为了实现听、看、触的集成化技术，从空间上实现了真正的仿真体验感。借助必要的设备，用户可以自然地在虚拟空间中漫游。他们可以从任何角度观察和浏览环境中的虚拟对象。同时，它们可以与对象进行交互并进行操作。合理的漫游浏览模式可以使观察者直接方便地完成对电厂规划和设备运行的观察。
        结束语
        虚拟仿真技术应用火力发电厂仿真系统开发之中，优势明显，根据上文的论述，我们可以得出以下结论：
        1）基于虚拟现实技术开发火力发电厂仿真系统是火力发电厂建设、管理的需要；
        2）基于虚拟现实技术开发火力发电厂仿真技术有着独特的优势，提高了培训效率，降低了成本；
        3）基于虚拟现实技术开发仿真系统需要建模、场景优化、交互系统以及漫游功能等多个方面全面开发设计，保证系统的运行的流畅性、场景的真实性、仿真的有效性。
        未来虚拟现实技术在火力发电厂仿真系统应用方面会不断加深，建设更加智能化、更加真实化、集成度更高的系统。
参考文献
[1]潘冬辉, 韦中悬, 黄锐钦,等. 基于VR技术的电站锅炉信息仿真系统实现[J]. 建模与仿真, 2020, 9(4):8.
[2]朱奕, 伞冶. 新型火电机组仿真系统设计开发[J]. 系統仿真學報, 2006, 18.
[3]王晓亮, 宋东辉, 王晓光. 基于虚拟现实技术的火力发电厂仿真系统的开发[J]. 课程教育研究, 2017.