虛擬現(xiàn)實技術在槽式光熱電站規(guī)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(guī)劃對電站運行性能有重要的影響,一旦規(guī)劃出現(xiàn)失誤,有可能造成巨大的損失。傳統(tǒng)的光熱電站主要以計算機輔助設計、圖紙等方式表現(xiàn)設計規(guī)劃的預期場景,既不直觀也不形象。虛擬現(xiàn)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(guī)劃場景可視化構(gòu)建中發(fā)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(tǒng)方法抽象、不準確等缺點[2]。相比于三維動畫技術,虛擬現(xiàn)實所支持的實時渲染功能,便于方案的優(yōu)化調(diào)整,真正做到了所見即所得,滿足設計的快速迭代,增加規(guī)劃的科學性[3-4]。劉雄[5]探討了城市規(guī)劃中虛擬現(xiàn)實技術的應用。Gong Liang等[6]結(jié)合點云建模將虛擬現(xiàn)實技術運用在工廠布局規(guī)劃中,并進行了詳細的討論。Jamei等[7]進行研究,將虛擬現(xiàn)實技術應用于可持續(xù)發(fā)展的智慧城市設計規(guī)劃中。Yap等[8]通過利用虛擬現(xiàn)實技術的可視化和實時交互功能,使產(chǎn)品的制造過程可視化?？梢?虛擬現(xiàn)實技術的研究已經(jīng)應用到了眾多領域的可視化構(gòu)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(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)了槽式光熱電站規(guī)劃場景可視化虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)系統(tǒng),實現(xiàn)了電站規(guī)劃場景的沉浸式漫游,滿足了設計迭代、規(guī)劃評審、宣傳展示等需求。

2 系統(tǒng)總體設計

利用虛擬現(xiàn)實技術進行槽式光熱電站規(guī)劃的可視化構(gòu)建,包含兩大組成部分:模型環(huán)境和漫游交互[9]。槽式光熱電站可視化構(gòu)建總體設計如圖1所示。首先對槽式光熱電站的模型環(huán)境進行數(shù)字化建模,包括視覺、聽覺和觸覺。視覺是可視化構(gòu)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(huán)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(shù)字化模型環(huán)境導入至虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎Unity中,在引擎中完成模型環(huán)境的布局、光線處理、材質(zhì)渲染等工作。最后,進行漫游交互開發(fā),包括漫游移動和交互控制。

圖1 槽式光熱電站可視化構(gòu)建總體設計

3 槽式光熱電站虛擬模型環(huán)境

基于可視化構(gòu)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(huán)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(shù)據(jù)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(shù)平方公里的超大面積集熱場,因此地理環(huán)境是影響電站可視化的一個非常重要的因素。在虛擬現(xiàn)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(guī)劃的真實性和可視化效果。通過借助地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù),同時結(jié)合現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)資料,對電站所在地區(qū)的地貌特征進行幾何數(shù)字化處理,建立包含戈壁環(huán)境、道路、山脈、植物等地形地貌信息及自然條件的三維數(shù)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(gòu)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(xiàn)實場景內(nèi)的設備、建筑進行1∶1三維數(shù)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(tǒng)、油鹽熱交換器、電加熱器、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器、主廠房、汽輪機、發(fā)電機、升壓站、空冷系統(tǒng)、追光式光伏、風力發(fā)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(jié)及技術秘密,這些內(nèi)容不需要在虛擬場景中呈現(xiàn),因此在滿足虛擬現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)實場景高逼真度的需求,需要根據(jù)項目的規(guī)劃意圖進行美術處理,根據(jù)地理信息系統(tǒng)提供的相關地理環(huán)境數(shù)據(jù),營造戈壁的地形地貌和自然環(huán)境。根據(jù)設備、建筑的真實設計外觀,創(chuàng)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(huán)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(huán)境等要素設計開發(fā)不同的材質(zhì)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(xiàn)出材質(zhì)流動的效果。

3.4 粒子特效創(chuàng)建

槽式光熱電站的功能是將太陽能轉(zhuǎn)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(zhì)和溫度都不同,采用流動的粒子特效,并配合不同的材質(zhì),可以有效地表現(xiàn)出不同回路、不同介質(zhì)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(xù)運轉(zhuǎn)的設備,為了將這些設備的運行動作狀態(tài)在虛擬現(xiàn)實場景中進行可視化的呈現(xiàn),在Unity引擎中通過設置關鍵幀創(chuàng)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(tài)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(diào)整,以保證對太陽能利用的最大化,在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)場景中要表現(xiàn)該效果,需要在通過關鍵幀創(chuàng)建槽式集熱器和追光式光伏的轉(zhuǎn)動動畫的基礎上,編寫腳本程序?qū)鼍捌叫泄獾恼丈浣嵌扰c集熱器的轉(zhuǎn)動角度相關聯(lián),即可呈現(xiàn)出槽式集熱器和追光式光伏隨太陽照射角度變化而轉(zhuǎn)動的效果,并在地面上顯現(xiàn)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(fā)對應的聽覺體驗。

4 槽式光熱電站漫游交互設計

為實現(xiàn)用戶與槽式光熱電站虛擬現(xiàn)實可視化場景之間的信息交流,需要開發(fā)基于虛擬現(xiàn)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(tǒng)中,系統(tǒng)根據(jù)指令觸發(fā)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(fā)

根據(jù)系統(tǒng)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(jù)規(guī)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(jù)人體感官的接收程度,在不降低高空視角、連續(xù)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(tǒng)自動觸發(fā)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(xiàn)完全根據(jù)觀察者意愿的漫游體驗。

4.2 交互控制開發(fā)

用戶需要通過手柄將控制指令傳遞至系統(tǒng)中,進而控制虛擬場景中的設備運動、目標的出現(xiàn)/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(xiàn)部分設備的狀態(tài)參數(shù)信息。在Unity引擎中,基于UGUI開發(fā)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(tǒng)中,除了佩戴虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的用戶需要操控電站場景系統(tǒng),一旁的輔助人員有時也會因為幫助虛擬現(xiàn)實用戶需要操控虛擬現(xiàn)實場景系統(tǒng),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(xiàn)實場景實現(xiàn)

基于上述槽式光熱電站規(guī)劃場景可視化構(gòu)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(guī)劃場景可視化虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)系統(tǒng),展示效果如圖5所示。硬件方面,選用VIVE Cosmos作為虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)實呈現(xiàn)主要硬件

6 結(jié)束語

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

(1) 創(chuàng)造虛擬的環(huán)境。針對設計規(guī)劃等當前現(xiàn)實中不存在的場景,可以實現(xiàn)快速場景構(gòu)建,并保證非常高的逼真程度,幫助設計出更加合理的規(guī)劃。

(2) 身臨其境的觀察體驗。基于虛擬現(xiàn)實技術所創(chuàng)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(guī)劃細節(jié)進行計算,利用虛擬現(xiàn)實技術能夠在虛擬環(huán)境下對場地地形、建筑形態(tài)、機械設備等進行調(diào)整,并對它們的布局、運行等進行模擬仿真,通過觀察設計規(guī)劃中的具體細節(jié),幫助設備選型,實現(xiàn)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(guī)劃的效果,有助于市場的拓展。