林益江

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立一套混流式發(fā)電機(jī)組的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由機(jī)組設(shè)備的盤臺監(jiān)控系統(tǒng)和運行三維系統(tǒng)組成，可連續(xù)、實時地仿真電廠機(jī)電設(shè)備運行與維護(hù)情況，可以提供全工況、全方位的理論和實訓(xùn)教學(xué)，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生可在系統(tǒng)上模擬現(xiàn)場運行人員進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控、操作等功能，不用親臨電廠現(xiàn)場，也可以掌握必備的運行操作技能。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?虛擬現(xiàn)實；水電廠；運維培訓(xùn)

［中圖分類號］ ?TV737 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］ ?2096-0603（2019）23-0216-03

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶該環(huán)境直接進(jìn)行自交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用計算機(jī)模擬出一個三維的虛擬世界，給使用者進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使用者會有身臨其境的感覺，可以沒有限制地感覺三維空間里的事物。虛擬現(xiàn)實匯集了計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、人機(jī)智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、高度并行的計算機(jī)技術(shù)和人的行為研究等多項關(guān)鍵技術(shù)。

一、研究的背景及意義

我校發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)主要培養(yǎng)面向發(fā)配電領(lǐng)域，從事電氣運行與維護(hù)、電氣設(shè)備安裝與調(diào)試、電氣設(shè)備生產(chǎn)與裝配三個崗位的高素質(zhì)技能型人才。隨著發(fā)配電領(lǐng)域由建設(shè)轉(zhuǎn)為內(nèi)涵發(fā)展，近十年已建或新建電廠都進(jìn)行了計算機(jī)監(jiān)控改造，自動化水平很高，企業(yè)用人單位要求生產(chǎn)人員逐漸向運維一體、機(jī)電一體、一專多能方向發(fā)展，因此培養(yǎng)技能復(fù)合型人才的需求極為迫切。目前，國內(nèi)水力發(fā)電廠向“無人值班、少人值守”發(fā)展，而對水電技術(shù)人員的要求也向“機(jī)電合一、運維一體”轉(zhuǎn)化，水輪發(fā)電機(jī)組是一個包含多設(shè)備、涉及多學(xué)科的復(fù)雜耦合大系統(tǒng)，運維人員必須十分了解設(shè)備，并對其檢修過程進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練操作才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，新的檢修人員很難通過一兩次現(xiàn)場檢修工作經(jīng)驗掌握機(jī)組檢修需把握的各個環(huán)節(jié)。水力發(fā)電類專業(yè)在培養(yǎng)水電廠運行時，必需緊跟電力行業(yè)水電企業(yè)的特殊要求。是建立現(xiàn)階段先進(jìn)的水電站運行虛擬仿真系統(tǒng)，更新原有的物理仿真系統(tǒng)，以適應(yīng)職業(yè)教學(xué)的發(fā)展，跟上水電技術(shù)發(fā)展的步伐，使我校培養(yǎng)的專業(yè)人才所具備的知識和技能滿足企業(yè)的崗位要求。由于電力系統(tǒng)運行對安全性要求極高，難以提供學(xué)生開展實踐教學(xué)和鍛煉的機(jī)會。而脫離了實際環(huán)境進(jìn)行的教學(xué)，沒有人的角色參與其中，達(dá)不到一種一目了然和切身體會的效果，學(xué)生不能夠全方位了解設(shè)備的物理特性和設(shè)備檢修過程，很難真正掌握檢修知識，而且對檢修現(xiàn)場突發(fā)狀況，也很難對其做出為了滿足水電站對專業(yè)檢修技術(shù)人員培訓(xùn)的要求，怎樣保證學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率，降低學(xué)習(xí)或?qū)嵱?xùn)的安全風(fēng)險，采用新技術(shù)、新模式已成為一種必然趨勢。而VR仿真系統(tǒng)可連續(xù)、實時地仿真電廠機(jī)電設(shè)備運維情況，可以提供全工況、全方位的教學(xué)，通過該技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生只需要一臺電腦，就能夠在虛擬環(huán)境中全方位、快速了解機(jī)組結(jié)構(gòu)，以交互方式掌握檢修流程及工藝，加上文本和音頻解說，從而獲得更加生動形象的學(xué)習(xí)，達(dá)到一種似真非真的境界。學(xué)生可在系統(tǒng)上模擬現(xiàn)場運行人員進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控、操作等功能，不用親臨電廠現(xiàn)場，也可以掌握必備的運行操作技能，對接企業(yè)提出的能力需求。

二、水電廠仿真系統(tǒng)的組成及功能

水電廠仿真系統(tǒng)以實際的發(fā)電廠混流式水輪發(fā)電機(jī)組為原型，其計算機(jī)監(jiān)控的參數(shù)與實際的機(jī)電設(shè)備型號、參數(shù)保持一致，主要由教員臺和學(xué)員臺兩部分組成。

1.教員臺的作用是擔(dān)負(fù)仿真系統(tǒng)運行控制及監(jiān)視仿真過程的任務(wù)。主要功能有：仿真控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障設(shè)置、事件記錄、教案操作。

2.學(xué)員臺由虛擬盤臺和三維系統(tǒng)兩部分組成，學(xué)員可以在虛擬盤臺中完成機(jī)組自動啟停、機(jī)組出力調(diào)整、開關(guān)站監(jiān)控、油氣水系統(tǒng)監(jiān)視、廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)監(jiān)視。主要功能有：電廠運行監(jiān)視、現(xiàn)場操作、事故處理。

此外，不同于實際監(jiān)控系統(tǒng)，油氣水系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)界面中增加了操作及控制功能，學(xué)員在系統(tǒng)圖上就可以完成輔助系統(tǒng)的閥門操作，而不必每次都到虛擬現(xiàn)場進(jìn)行。

3.報警臺部分可以查看現(xiàn)場發(fā)生故障的光字，虛擬盤臺部分包括機(jī)旁盤、中控繼保盤、廠用電盤、輔助系統(tǒng)盤等?？梢阅M現(xiàn)場的盤臺操作，盤上的各種表計、指示燈、液晶屏顯示與現(xiàn)場實際保持一致，各種小開關(guān)、轉(zhuǎn)換把手、按鈕、壓板、保護(hù)裝置均可操作，其動作結(jié)構(gòu)與原型電廠保持一致。

點擊不同部分的按鈕可以打開相應(yīng)部分三維虛擬現(xiàn)實場景，學(xué)員可以在場景中完成設(shè)備巡視、設(shè)備操作、故障處理等工作。

三、水電廠仿真系統(tǒng)的演示

（一）教案功能

“教案功能”的下拉菜單中包括“教案”和“開始記錄操作到教案”“結(jié)束開始記錄操作到教案”三個選項。

教員可以提前設(shè)置故障加入教案，上課的時候，設(shè)置故障可以直接調(diào)用教案，不必一一設(shè)置。點擊“教案”選項彈出如圖1對話框。

首先選擇“新建教案”，彈出圖7對話框，“名稱”中填入新建教案名稱，“選擇初始工況”下拉框中選擇新建教案的初始工況。

教案新建完成后，在圖7對話框中選中剛才建立的教案，點擊右側(cè)的“確定”按鈕，彈出圖8窗口。這里可以設(shè)置教案延時執(zhí)行的時間，可以根據(jù)需要設(shè)置，默認(rèn)為0毫秒。

上述設(shè)置完成后，就可以向教案中添加故障了。選擇“開始記錄操作到教案”，在彈出的窗口中選擇要添加故障的教案（圖同7），點擊“確定”，在彈出的延時設(shè)置窗口（圖9）中設(shè)置故障延時（主要是為防止在設(shè)置多個故障時，前一個故障還未設(shè)置完成時，又設(shè)置新的故障，導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤），點擊“確定”后窗口關(guān)閉。

接下來可以在主接線上選擇設(shè)備設(shè)置故障，可以逐一設(shè)置多個故障。所有故障都設(shè)置完成后，點擊“結(jié)束開始記錄操作到教案”，在彈出的圖10中設(shè)置延時即可完成教案的全部設(shè)置過程。

教案設(shè)置完成后，若想執(zhí)行教案或刪除教案，可以在菜單中選擇“教案”，在彈出的圖7中選擇教案名，然后點擊相應(yīng)按鈕按提示完成操作即可。

（二）盤臺監(jiān)控系統(tǒng)功能

1.通過保護(hù)盤臺查看保護(hù)動作信息

在教員臺設(shè)置故障后，可以進(jìn)入保護(hù)盤查看微機(jī)保護(hù)液晶中保護(hù)動作報文及保護(hù)盤上的信號燈從而判斷發(fā)生了什么故障。

2.通過簡報信息窗查看操作及保護(hù)動作情況

（三）界面上的控制操作

1.各種按鈕、電磁閥等元件操作時通過鼠標(biāo)單擊來完成。如電磁閥的控制操作，鼠標(biāo)左鍵單擊電磁閥任意一側(cè)方框，則該側(cè)方框內(nèi)的箭頭所指的兩個油路接通。如圖12。

2.通過鼠標(biāo)就可以控制機(jī)組的開停機(jī)操作，模擬實際機(jī)組的運行和控制方式，如在機(jī)組并網(wǎng)后，機(jī)旁盤上的負(fù)荷增減在調(diào)速器界面或調(diào)功界面通過給定值進(jìn)行即可。如圖13。

3.某些元件操作只需要點擊右鍵，在彈出的新窗口中進(jìn)行（將鼠標(biāo)放在元件上會有提示）；一些保護(hù)盤面以及觸摸屏顯示也是如此。操作完成后，在彈出窗口中雙擊鼠標(biāo)右鍵關(guān)閉窗口即可。

（四）三維系統(tǒng)操作

現(xiàn)場一次設(shè)備部分的仿真利用3D技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場一次設(shè)備的外形建造模型，形成虛擬現(xiàn)實，可以對設(shè)備進(jìn)行操作、巡視，使學(xué)員置身于真實的水電廠中。同時它應(yīng)用影像、圖像、聲音等多媒體手段，使仿真效果更加真實。三維部分操作簡單、直觀，基本實現(xiàn)了水電廠廠房內(nèi)部及開關(guān)站現(xiàn)場設(shè)備的巡檢、操作，其主要內(nèi)容有：斷路器操作，刀閘操作，地刀操作，手動閥門操作，調(diào)節(jié)閥門操作，電磁閥操作，電動閥及濾水器操作，各種開關(guān)、保險和把手的操作及現(xiàn)場設(shè)備巡檢等。

1.三維系統(tǒng)中的菜單功能

三維系統(tǒng)窗口主菜單中有如下幾個菜單項：“遠(yuǎn)程機(jī)”“模式”“工具”“巡視記錄”“導(dǎo)航圖”“場景切換”“幫助”“天氣”。

2.遠(yuǎn)程機(jī)

“遠(yuǎn)程機(jī)”菜單項主要用于實現(xiàn)在三維場景與教員臺的連接。點擊“遠(yuǎn)程機(jī)”，出現(xiàn)下拉菜單：

“連接”選項，正常情況下不可用，只有當(dāng)系統(tǒng)未與服務(wù)器連接或連接中斷時才可使用。這時，點擊“連接”，出現(xiàn)選擇服務(wù)器窗口?！皵嚅_”選項，用于將系統(tǒng)與服務(wù)器中斷連接。比如，想更改要連接的服務(wù)器，可先點擊“斷開”，再點擊“連接”選擇需要的服務(wù)器IP。

“當(dāng)前連接”選項，可以查看當(dāng)前三維場景連接的服務(wù)器IP地址。

3.模式

“模式”菜單項主要用于實現(xiàn)在各個模式之間切換。本系統(tǒng)共有四種模式：“運行模式”“驗電模式”“掛地線”和“設(shè)圍欄”。點擊“模式”，出現(xiàn)下拉菜單：

“運行模式”為三維系統(tǒng)的正常操作和漫游模式，所有的開關(guān)、按鈕、刀閘、地刀等的操作和巡視都需要在這種模式下進(jìn)行。此外，此模式下可以為系統(tǒng)中某些設(shè)備掛警示牌。這種模式下在需要掛牌的設(shè)備上點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇要掛的標(biāo)示牌類型即可。

四、結(jié)語及展望

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實感主要體現(xiàn)在視覺和聽覺上，隨著“多感知交互”的發(fā)展以及力反饋系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，可將培訓(xùn)人員置身于模擬檢修環(huán)境中，實現(xiàn)嗅覺、味覺和體表感受的功能是未來虛擬現(xiàn)實檢修培訓(xùn)的發(fā)展方向。通過基于虛擬現(xiàn)實的大型水輪機(jī)檢修與培訓(xùn)考核系統(tǒng)的應(yīng)用，培訓(xùn)人員能夠在此系統(tǒng)中產(chǎn)生很強(qiáng)的沉浸感和交互性。虛擬與現(xiàn)實檢修的相互融合，摒棄了集中教學(xué)、課下溫習(xí)、現(xiàn)場講解的培訓(xùn)模式，有利于培訓(xùn)人員更有效地掌握專業(yè)檢修技能，全面提高檢修質(zhì)量，降低培訓(xùn)成本。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某中型混流式水輪機(jī)的檢修培訓(xùn)，取得了良好的培訓(xùn)效果，是水輪發(fā)電機(jī)組檢修培訓(xùn)的有效方式，可以為其他行業(yè)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)提供參考。該系統(tǒng)可以為國家級精品課程水電站計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用、核心課程水電站電氣設(shè)備、發(fā)電廠電氣運行與維護(hù)提供實訓(xùn)場所。同時該系統(tǒng)也可為行業(yè)員工培訓(xùn)搭建一個擁有先進(jìn)仿真技術(shù)、優(yōu)秀教學(xué)師資的培訓(xùn)平臺，為全省水電企業(yè)提供電氣及水輪機(jī)運行工急需的繼續(xù)教育和技術(shù)培訓(xùn)。具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可提高我院服務(wù)行業(yè)企業(yè)的能力，擴(kuò)大我院在行業(yè)企業(yè)的影響力。提供職業(yè)技能競賽的訓(xùn)練條件，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

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編輯 馬燕萍