虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用分析

虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用分析

蔺玉琪

大唐三门峡风力发电有限公司河南省472000

摘要：虚拟现实技术在风力发电机组检修中的科学应用，能够改变传统检修工作的弊端格局，减轻管理人员的工作压力，并且结合实际情况进行具体问题的具体分析，进而保证风力发电机组的正常运行。虚拟现实技术的推广优势巨大，风力发电机组检修人员不断突破思维局限，尝试在动画、文字融合的状态下更好的确定设备故障位置，不被限制的完成检修任务，这显得至关重要。本文特意进行了虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用分析。

关键词：虚拟现实技术；风力发电机组；检修应用；分析；思考

引言：风力发电不受自然条件的诸多限制，可以满足人们更多的能源需求。风力发电期间设备故障率越高，所带来的不良影响越突出，经济效益的增强显得异常困难，进行各项因素的分析、故障问题的研究，必须引起检修部门工作人员的高度重视。传统风力发电机组设备检修工作比较形式化，检修人员来到现场寻找故障原因，会耗费大量时间和财力物力投入。新时期虚拟现实技术的应用是改变这种检修状态的关键所在，下面展开具体的研究。

一、虚拟检修技术的特点分析

虚拟现实技术可以满足检修方案优化设计、检修步骤不断简化、检修质量不断提高等要求，同时拥有分析隐藏故障的特殊检修工艺，实际的推广价值相当高；虚拟现实技术可以在动画模拟、文字识别、信息搜集等方面发挥出重要的作用，直观的演示检修过程，减轻了检修人员的工作负担；虚拟现实技术除了能够自动播放整个检修过程外，还能够在虚拟的环境下演示正确的检修顺序，并以文字说明的方式更加规范的完成零部件拆装等操作[1]；虚拟现实技术主要监控着检修人员凭借丰富经验完成检修过程，指导他们详细记录检修操作，最终给出一份评价结果，让虚拟检修更具高效性、完整性、科学性等特点。

二、虚拟检修系统框架的简单介绍

虚拟现实技术应用于风力发电机组检修中主要包含了三个模块：一是虚拟拆装仿真环境模块，二是仿真培训模块，三是在线考试模块。下面我们具体的分析一下三个模块。首先，虚拟拆装仿真环境模块运行了3DsMax软件更为精细的完成模型创建，呈现出了风力发电机组的内部场景。另外，3DsMax可以在Windows系统中运行，以实现动画制作和场景构建、模型构建、拆装工艺的制作等。同时运用反距离权重差值算法将三维空间虚拟场景中的数据搜集起来，方便后续检修工作计划的顺利实施。其次，仿真培训模块基于Unity3D引擎使得风力发电机组模型动画和文字相匹配，该引擎会生成文件*.vrch。能够实现动画过程演示、拆装文字演示和拆装动作操作，能够很好地实现风力发电设备虚拟检修培训任务。检修人员通过该平台，无需进入现场就能实现对风力发电机组虚拟检修。

三、关键技术与实现的研究

（一）三维模型数据及差值算法

（1）三维模型数据结构

虚拟现实技术将现场风力发电机组零件进行抽象虚拟模型化的同时，还要保证虚拟模型数据相对准确[2]。虚拟模型可以由4类基本元素表示：点、线、面、体，如图2所示。

点结构是作为三维空间最基本的表示形式，点可以表示多种三维场景的事物，例如，可以表示出风机某轴承的旋转中心点位置、接触传动轴之间中心位置偏差等；线结构可以表达出风机模型的边界特征，三维场景中线的长度、方向、倾斜角都是它的特性，可以表现出风机模型的边缘、运动的轨迹等；面结构可以很好地表达出风机模型的面特征，三维模型零件的面距离地面的高低、平面的倾斜程度、相邻两个面的距离等，面结构也能够表示出三维模型的规则物体和不规则的物体，也可以表示出复杂的三维场景；体作为三维场景中最根本的元素，模型的点、线、面都是组成体的元素，它包含三维模型的所有属性。

（2）反距离权重差值算法

运用3DsMax软件针对风力发电机组进行空间三维建模，再通过虚拟格式转换工具将其转变成三维虚拟模型的各个数据，就可以获得三维模型的点、线、面、轴心位置以及各三维零件之间的相对位置等信息。此时必须使用合适的空间差值方法，将三维实体模型数据转变成三维空间虚拟场景的数据。选择反距离权重差值算法，该差值算法易于理解，原理是计算待求点周围的各个样品点的测量值进行加权平均来求值，具体关系：

式中：Mi为控制点i的加权平均测量值；Mz为点z的估计值；di为控制点i与点z的间距大小；N为估算中用的控制点数目；r为指定点的幂数，r取值2。

图3定义了6个顶点，m1-m6分别代表了三维实体零件6个数据，风机模型复杂程度低一些，最常用的r=2的距离的平方反比算法，确定出平面上的定点z，对应虚拟现实系统中的部件模型。

（二）三维建模技术

三维建模技术就是创造一个虚拟风力发电的环境，要对风电设备实际现场的环境了解，采集现场外围环境、内部零件的参数、内部结构、型号、运行时的数据和装配位置[3]。三维建模的软件有很多，本系统使用的软件是3DsMax，能够更加轻松地实现对风机设备零件建模，虚拟世界中每个零件尽可能真实地还原现场的设备信息，零件建模质量的高低最能决定受训人员在虚拟环境下真实度，从而创造出更加真实的检修环境，使受训人员能够有身临其境的感觉，图4所示为风机的主轴部分。目前，系统的建模技术部分采用的是三维扫描技术，通过该技术能够得到粗略的构建风机零件模型，再通过后期处理加工完善风机模型。

三维建模技术能够精确地实现风机发电设备的虚拟再现，在虚拟世界中，能够非常逼真地营造出虚拟检修环境，使人身临其境，随着近些年三维建模技术的日益成熟，在虚拟世界中能够更加真实地反应出模型的光线、色彩、形状、坐标等信息。

（三）虚拟装配动画制作方案

三维动画制作常用软件有Maya和3DsMax。Maya能够实现动画、建模、渲染等功能，受到了很多人的喜爱[4]。3DsMax软件能够基于Widows系统专门针对制作动画的软件，在虚拟的三维场景中制作出逼真的3D动画，电脑图像与动画制作多采用3DsMax软件，在发电、影视等领域应用广泛。3DsMax作为该系统的设计软件，主要由于3DsMax入手相对容易，操作者不用掌握复杂的计算机绘图能力。该软件操作起来十分方便，能够使操作人员尽快投入到系统开发，同时3DsMax的渲染效果好、渲染速度快、软件运行环境要求低，同时自带的插件也表现很好。风力发电机组由于地处位置比较偏僻，一般检修培训需要去现场进行，成本较大。虚拟现实风机设备检修很好地解决了这个问题。完成整个虚拟检修的过程，首先要制作风力发电机组零件动画，根据实际现场需求，制作了拆装的动画，很好地实现了虚拟现实设备检修。

结语

总之，将虚拟现实技术运用到风力发电机组检修中，通过虚拟现实技术将风力发电机组进行在线模拟，构建逼真的风机检修培训环境，使得受训人员在不进入现场的情况下，依然能够了解风力发电机组的所有零件结构，能够实时地进行风机的拆装检修操作，同时能够在线学习各个零件自动拆装，从而实现了风力发电机组虚拟检修的在线实操培训。使得受训人员能够更好地掌握风机检修知识，达到很好的风机检修培训效果。

参考文献

[1]王佳.风力发电机组虚拟检修系统关键技术的研究与实现[J].黑龙江科技，2019（02）114-115.

[2]徐爱萍.三维可视化技术在变电设备检修培训中的应用[J].广西电力，2017（03）99-100.

[3]刘子韬.基于Virtools的水轮机虚拟检修系统[J].水力能源科学，2017（25）203-204.

[4]米珍.动车组转向架检修系统中虚拟装配动画设计与实现[J].计算机应用，2018（14）110-110.