虛擬現實技術在槽式光熱電站規劃場景可視化中的應用

林金偉

上海電氣工程設計有限公司 上海 201199

1 研究背景

槽式光熱電站的設計規劃對電站運行性能有重要的影響,一旦規劃出現失誤,有可能造成巨大的損失。傳統的光熱電站主要以計算機輔助設計、圖紙等方式表現設計規劃的預期場景,既不直觀也不形象。虛擬現實技術是當前科技的前沿技術,具有沉浸式的場景、逼真的可視化效果,可以在光熱電站規劃場景可視化構建中發揮重要作用,在視覺、聽覺以及交互性方面更加符合人體感官的需要[1],有效彌補了傳統方法抽象、不準確等缺點[2]。相比于三維動畫技術,虛擬現實所支持的實時渲染功能,便于方案的優化調整,真正做到了所見即所得,滿足設計的快速迭代,增加規劃的科學性[3-4]。劉雄[5]探討了城市規劃中虛擬現實技術的應用。Gong Liang等[6]結合點云建模將虛擬現實技術運用在工廠布局規劃中,并進行了詳細的討論。Jamei等[7]進行研究,將虛擬現實技術應用于可持續發展的智慧城市設計規劃中。Yap等[8]通過利用虛擬現實技術的可視化和實時交互功能,使產品的制造過程可視化?？梢?虛擬現實技術的研究已經應用到了眾多領域的可視化構建中,并取得了一些成果。

筆者以某50 MW綜合能源一體化電站為對象,基于Unity引擎和SteamVR虛擬現實系統開發了槽式光熱電站規劃場景可視化虛擬現實呈現系統,實現了電站規劃場景的沉浸式漫游,滿足了設計迭代、規劃評審、宣傳展示等需求。

2 系統總體設計

利用虛擬現實技術進行槽式光熱電站規劃的可視化構建,包含兩大組成部分:模型環境和漫游交互[9]。槽式光熱電站可視化構建總體設計如圖1所示。首先對槽式光熱電站的模型環境進行數字化建模,包括視覺、聽覺和觸覺。視覺是可視化構建的最重要組成部分,包括了場景中所有能看到的如地形、環境、建筑、設備等。聽覺主要包括了各種音效和語音講解,增加場景的逼真度和完整性。觸覺主要是通過手柄的振動,為參觀者提供觸覺反饋。其次,將槽式光熱電站數字化模型環境導入至虛擬現實開發引擎Unity中,在引擎中完成模型環境的布局、光線處理、材質渲染等工作。最后,進行漫游交互開發,包括漫游移動和交互控制。

圖1 槽式光熱電站可視化構建總體設計

3 槽式光熱電站虛擬模型環境

基于可視化構建的目標,需要建立與真實槽式光熱電站場景一致的模型環境,包括地理信息、設備及建筑的三維模型,還需要進行場景渲染、設備運行動作模擬等工作。

3.1 地理信息數據可視化

槽式光熱電站通常處于我國西北部光照資源豐富的戈壁地帶,包括了占地數平方公里的超大面積集熱場,因此地理環境是影響電站可視化的一個非常重要的因素。在虛擬現實的可視化場景中,需要特別關注電站站址的地形地貌、植被情況、道路、河流、邊界條件等因素,這些因素將很大程度上影響電站整體規劃的真實性和可視化效果。通過借助地理信息系統數據,同時結合現場勘探數據資料,對電站所在地區的地貌特征進行幾何數字化處理,建立包含戈壁環境、道路、山脈、植物等地形地貌信息及自然條件的三維數字化地理模型[10]。在此基礎上再進行電站設備和建筑等主體目標的構建。

3.2 設備、建筑三維模型

為滿足對電站場景的高保真度還原,需要對虛擬現實場景內的設備、建筑進行1∶1三維數字化建模。槽式光熱電站所包含的三維模型主要有槽式集熱器、導熱油系統、油鹽熱交換器、電加熱器、儲熱系統、蒸汽發生器、主廠房、汽輪機、發電機、升壓站、空冷系統、追光式光伏、風力發電機等。筆者建立的電站場景中所使用的三維模型均由設備供應廠家提供,保證了模型的準確性。部分設備的三維模型如圖2所示。

圖2 部分設備三維模型

在建立虛擬場景時,由于設備供應廠家所提供的三維模型包含了很多工程細節及技術秘密,這些內容不需要在虛擬場景中呈現,因此在滿足虛擬現實場景可視化需求的前提下,需要對模型進行簡化處理,針對不同顯示顆粒度需求的地方進行減面操作,通過模型簡化可以減少對硬件系統資源特別是顯卡資源的消耗,增加流暢度。

3.3 場景渲染

為滿足虛擬現實場景高逼真度的需求,需要根據項目的規劃意圖進行美術處理,根據地理信息系統提供的相關地理環境數據,營造戈壁的地形地貌和自然環境。根據設備、建筑的真實設計外觀,創造逼真的設備和建筑外觀視覺效果。在Unity引擎中基于真實環境和各設備、建筑的照片,利用UV紋理貼圖和編寫著色器等方式,針對不同的設備零部件、建筑、自然環境等要素設計開發不同的材質庫。對于集熱器中導油管流動效果的可視化,通過編寫程序控制貼圖的UV值隨時間進行變化,即可呈現出材質流動的效果。

3.4 粒子特效創建

槽式光熱電站的功能是將太陽能轉化為電能,因此能量流動的顯示是電站可視化的重要組成部分。通常槽式光熱電站的能量流動包含三個回路,每個回路的導熱介質和溫度都不同,采用流動的粒子特效,并配合不同的材質,可以有效地表現出不同回路、不同介質的能量流動效果,如圖3所示。

圖3 粒子能量流動效果

3.5 設備運行動作模擬

槽式光熱電站包含眾多需要持續運轉的設備,為了將這些設備的運行動作狀態在虛擬現實場景中進行可視化的呈現,在Unity引擎中通過設置關鍵幀創建上述設備的運行動作模擬動畫,并通過編寫腳本程序控制這些動畫的播放。正常狀態下,槽式集熱器和追光式光伏的朝向角度會隨著一天中太陽位置的變化進行實時調整,以保證對太陽能利用的最大化,在虛擬現實系統場景中要表現該效果,需要在通過關鍵幀創建槽式集熱器和追光式光伏的轉動動畫的基礎上,編寫腳本程序將場景平行光的照射角度與集熱器的轉動角度相關聯,即可呈現出槽式集熱器和追光式光伏隨太陽照射角度變化而轉動的效果,并在地面上顯現出因光照角度變化而移動的陰影。

3.6 音效和語音講解

為進一步增強場景的逼真程度,場景中的聽覺包括了設備運行的音效和語音講解功能,通過錄音、音效模擬及講解配音將場景中需要聽覺參與的部分錄制成音頻文件。當漫游到相應位置時,觸發對應的聽覺體驗。

4 槽式光熱電站漫游交互設計

為實現用戶與槽式光熱電站虛擬現實可視化場景之間的信息交流,需要開發基于虛擬現實技術的電站漫游交互功能,借助操控設備將控制指令傳遞至虛擬場景系統中,系統根據指令觸發相應的動作,其中最重要的就是漫游移動和交互控制。

4.1 漫游移動開發

根據系統的總體設計框架,漫游移動的方式包括被動式漫游和主動式漫游。被動式漫游根據規劃者的意圖、地形地貌、建筑、設備等實際場景的具體特點,進行漫游路徑確定,包括一些鳥瞰、透視等視角,并需要依據人體感官的接收程度,在不降低高空視角、連續運動等視覺效果的同時,減小眩暈等不適感[11]。并且,當視角移動至對應的位置時,系統自動觸發相應的場景變化、設備運行動作、音效及語音講解等。主動式漫游讓觀察者借助手柄等操控設備,進行自由地移動,自由地選擇觀察視角,自由地通過交互界面操控場景中的各種動作,從而實現完全根據觀察者意愿的漫游體驗。

4.2 交互控制開發

用戶需要通過手柄將控制指令傳遞至系統中,進而控制虛擬場景中的設備運動、目標的出現/隱藏、漫游位置的變化、音效和語音講解的播放等,同時也需要呈現部分設備的狀態參數信息。在Unity引擎中,基于UGUI開發用于UI交互操作的圖形和用戶界面[12-13]。UI交互界面如圖4所示。在槽式光熱電站場景可視化系統中,除了佩戴虛擬現實頭戴顯示器的用戶需要操控電站場景系統,一旁的輔助人員有時也會因為幫助虛擬現實用戶需要操控虛擬現實場景系統,因此在鍵盤上設置了對應的按鍵功能,使得輔助人員可以通過鍵盤控制虛擬場景,增加了可操控性。

圖4 UI交互界面

5 綜合能源一體化電站虛擬現實場景實現

基于上述槽式光熱電站規劃場景可視化構建的策略,以某50 MW綜合能源一體化電站為對象,基于Unity引擎建立了槽式光熱電站規劃場景可視化虛擬現實呈現系統,展示效果如圖5所示。硬件方面,選用VIVE Cosmos作為虛擬現實頭戴顯示器,由Precision 7720移動工作站提供運算。主要硬件如圖6所示。用戶佩戴虛擬現實頭戴顯示器后,可以沉浸式地體驗該綜合能源一體化電站的規劃場景、設備的運行效果、能量傳遞效果等并配合有音效和語音講解,實現具有人機交互、高逼真度、身臨其境的虛擬電站場景漫游,進而滿足對設計迭代、規劃評審、宣傳展示等功能的需求。

圖5 槽式光熱電站可視化展示效果

圖6 虛擬現實呈現主要硬件

6 結束語

在場景的可視化構建中運用虛擬現實技術是發展趨勢,虛擬現實技術能夠直觀地將想象中的場景直接具象的構建、呈現出來,更容易發現規劃中存在的問題,提高設計規劃迭代的工作效率。通過虛擬現實技術構建槽式光熱電站可視化場景,主要包括了四項優勢。

(1) 創造虛擬的環境。針對設計規劃等當前現實中不存在的場景,可以實現快速場景構建,并保證非常高的逼真程度,幫助設計出更加合理的規劃。

(2) 身臨其境的觀察體驗?；谔摂M現實技術所創造的虛擬電站場景,在一定程度滿足了對視覺、聽覺、觸覺的全方位全視角感受,讓用戶有更真實的體驗感。

(3) 對復雜的規劃細節進行計算,利用虛擬現實技術能夠在虛擬環境下對場地地形、建筑形態、機械設備等進行調整,并對它們的布局、運行等進行模擬仿真,通過觀察設計規劃中的具體細節,幫助設備選型,實現對不合理地方的識別和修正。

(4) 直觀逼真的畫面效果,可以在招投標、項目洽談、展會展覽等活動中快速形象地幫助客戶了解到設計規劃的效果,有助于市場的拓展。