一、成果产生背景:我国火力发电机组经过前些年的跨越式发展，已经发展成为世界最大装机容量的国家之一。近些年随着人工智能、工业互联网、虚拟仿真、大数据等新兴技术的迅猛发展，传统的火力发电行业如何融合新技术革命提高设备管理水平和安全生产水平，促进火力发电厂的智能化改造和产业升级，这已经成为火电行业急需解决的重要课题。 数字孪生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中相同的实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和优化。自概念提出以来，数字孪生技术在不断的快速演化，无论是对产品设备的设计、制造或维检，都产生了巨大的推动作用。 数字孪生通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，这极大的加速了技术人员对物理实体的了解，可以让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作，如模拟仿真、批量复制、虚拟装配等，成为触手可及的工具，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、制造和服务。 二、成果原理说明:数字孪生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中相同的实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和优化。自概念提出以来，数字孪生技术在不断的快速演化，无论是对产品设备的设计、制造、维护、检修或改造，都产生了巨大的推动作用。 数字孪生主要利用了仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的技术，其中三维数字化技术和VR技术是主要内容之一。它们集合了仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术。 该平台包括桌面级三维数字化系统和VR系统两大部分。两个系统真实的模拟还原了锅炉本体和辅机的的各种零部件、三维结构和系统联接，按照零件、部件、组件三个层次对各设备进行三维数字化分层建模，通过在线、离线、二维、三维的不同类型数据的有机结合，在三维中实现了对失效部位和隐患部件进行浏览、定位、缩放、统计、分析和管理等实用功能，实现了设备结构、检修拆装、运行原理的三维动态仿真与VR模拟。同时在虚拟环境中集成了各零部件的信息资料、历史故障资料、检修工序和工艺要求等，实现了设备管理、生产决策、人员培训的可视化、交互式、数字化和智能化。 火电厂VR和三维数字化管理平台的开发简要说明如下： 1火电厂VR和三维数字化管理系统技术架构 图1平台系统构架图 1.1 Web Client:引擎客户端插件，负责模型的载入、场景的渲染、脚本的执行；输入输出系统为插件内置，数据交换需要通过Leshane SDK访问Application Server，通过Application Server的Data Access Layer完成与数据库或第三方系统的数据交互； 1.2 Web Manager:系统的业务管理门户；负责系统元数据的维护（如系统号、系统IP、加密狗端口等）、业务基础数据的维护（如人员、角色、公司、部门、设备等）、模型数据的维护； 1.3负责业务权限系统的管理，系统安全性配置，服务器集群配置等操作； 1.4 Java EE Application Server是一个实现了Java EE Web Container的Web容器；负责服务端后台管理程序的发布、执行；数据交互接口的发布、执行； 1.5 SDK:各种开发SDK，包括：GUI人机交互界面SDK、关系数据库数据交互SDK、工业实时通讯协议交互SDK、域系统配置访问SDK、单点登录集成SDK； 1.6 Database Manager System:关系数据库系统，用来存储系统元数据和各种业务数据；支持常用的关系数据库，如SQL Server、Oracle、DB2、Sybase、MySQL、Access等； 1.7 Active Directory:支持域系统，通过配置即可方便的实现与域直接的权限共享。 2 桌面级三维数字化系统的关键开发技术 通过核心三维数字化引擎、三维模型数据压缩与传输、GUI人机交互等技术，结合数据库、B/S架构的软件开发等形成一套三维数字化桌面软件平台。 2.1系统执行原理 通过核心三维数字化引擎读取系统配置文件，根据配置文件判断显示模式，根据显卡硬件自动调节相关模型显示参数。根据信息建立与显卡的硬件连接，做好三维可视信息的输出准备。根据模型编辑器设计好的模型信息、灯光信息、材质信息、摄像机信息以及脚本信息提交到模型引擎，由引擎启动主线程开始渲染模型，并循环处理交互数据；引擎中的脚本子系统负责处理系统与第三方系统的数据交互，如标准的数据库系统(SQL Server,Oracle,DB2等)、以及工业数据传输协（UDP,TCP,OPC,SCADA, COM等）,通过脚本子系统的数据交互层进行数据的输入、翻译解释、数据处理、数据结果输出等操作。引擎默认是无限循环执行，直到用户提交停止或结束信号时，才停止引擎的渲染工作；并释放与显卡、内存等硬件设备连接。 2.2模型压缩传输 核心三维数字化引擎将设计好的模型以优化的ZIP压缩格式进行网络传输。压缩方式有两种，分别是重复数据块压缩与重复单字节压缩。重复数据块压缩：当模型数据重复数据块字节大于3时，通过记录重复位置、重复长度压缩模型数据；重复单字节压缩：一个字节只有256种可能的取值，所以这种重复是必然的。通过短语式压缩方法，给 256 种字节取值重新编码，使出现较多的字节使用较短的编码，文件的总长度就会减少，字节使用比例越不均匀，压缩比例就越大。 2.3 GUI交互 核心三维数字化引擎在运行时，会持续检测如鼠标、键盘等各种输入设备的数据，并将这些数据转换成脚本系统认识的事件系统，由脚本子系统处理该事件将其转换成动作,提高系统对人机交互的开发速度；因此系统对引擎脚本子系统提供的二次开发API进行大量接口封装，只要派生相应的GUI Object子类，即可完成交互的标准内容。 3 VR（虚拟现实）技术系统的关键开发技术 3.1场景渲染优化 所有基于VR眼镜的系统对性能的要求都明显高于基于显示器的普通虚拟现实系统，FPS指标低于90FPS时，使用者会有明显的眩晕感，体验度明显降低。影响FPS帧率主要两个因素为硬件性能与渲染效果。FPS与三大硬件（CPU、GPU、内存）性能成正比，即三大硬件性能越高FSP帧率就会越高。FPS与渲染效果成反比，即模型数量或总面数越高，FPS越低；粒子特效或物理特效越高，FPS越低。 例如，实现锅炉主要辅机设备及检修场景的虚拟展现以及达到实际操作使用效果，设备零件个数约为1000个以上，总面数约为百万级三角面。因此，如何在固有硬件性能的基础上，渲染如此数量众多的模型，且即保证设备渲染的效果又保证帧数不低于90FPS，成为系统必须攻关的核心技术问题。 3.2 VR应用渲染优化重点包括以下各部分：纹理压缩、材质GPU渲染、模型的LOD处理、摄像机的视锥裁剪及模型的遮挡剔除、灯光的预烘焙处理、文件与网络处理。 3.3 VR设备选型。结合锅炉设备检修工作特性，对目前主流VR输入/输出设备进行对比研究，须选择具备VR眼镜、VR跟踪设备、VR输入设备等提供成套设备的厂商。经过实际检验与验证，主要参数内容如下： 3.3.1 VR眼镜：可视角（FOV）在96~120度之间；单眼分辨率不小于1080*1200，否则会有明显的颗粒感。 3.3.2 VR跟踪设备：基于光敏传感器的六自由度跟踪设备。 3.3.3 VR输入设备：支持VR手柄、VR手柄能被跟踪设备识别；具有交互按键。 3.3.4 VR-SDK提供SDK二次开发包，支持多种主流三维引擎，如Unity3D,虚幻引擎等。 锅炉设备VR技术管理系统主要包括三大应用模块，即设备结构（漫游）、设备拆装和设备启停。通过头戴VR眼镜，可进入三大模块的模拟真实的场景。目前很多电厂由于管理体制制约和检修周期拉长等因素影响导致年青技术人员检修技能差和经验少，无法胜任维检工作。通过该VR系统的投用，使得青年技术人员对设备结构、信息数据、检修工序工艺、运行巡检等工作进行可视化、全方位和交互式的掌握，学习了满足现场实战要求、成效显著。 该平台开发的技术难点既有软件技术的设计层面，又有如何开发符合生产实际需要的功能的应用层面。特别是如何防止做成花瓶，实现实用性和创新性尤为重要。为此，电厂组织了专门的组织机构，包括一名设备部副主任、专业主管、技术骨干等人员主导了整个平台的顶层设计、应用开发、协调配合等各方面工作，并多次组织专题技术讨论会，保证了项目的切实落地和按计划推进。 

三、成果实施效果说明：每个设备模块都是以真实构造尺寸1：1为建模基准，以设备结构图纸零部件为基础建模图元，构建电厂锅炉设备三维立体可视化模型。主要应用功能有设备台账管理、缺陷管理、实时数据、一键报告等，满足了日常技术管理、检修策划、缺陷分析、技术培训等多种技术要求，应用界面下图所示。 锅炉设备VR技术管理系统主要包括三大应用模块，即设备结构（漫游）、设备拆装和设备启停。通过头戴VR眼镜，可进入三大模块的模拟真实的场景。目前很多电厂由于管理体制制约和检修周期拉长等因素影响导致年青技术人员检修技能差和经验少，无法胜任维检工作。通过该VR系统的投用，使得年青技术人员对设备结构、信息数据、检修工序工艺、运行巡检等工作进行可视化、全方位和交互式的掌握，学习了满足现场实战要求、成效显著。如下图所示。 锅炉设备VR和三维数字化管理平台进行了两年多的模型建模、系统功能开发、安装调试、基础数据录入及上线优化工作，运行已经稳定成熟。该设备管理平台具备事故分析、检修策划、报告编制、人员培训、台账管理等各项实用功能，实现了可视化、交互式、数字化、智能化，成为打造创新型和智慧型火力发电厂的重要组成部分之一。 经综合测算，应用该平台后，有效提升了生产技术人员的维护检修技能和设备管理水平，锅炉可靠性持续提高，实现了连续安全运行531天以上，锅炉本体和主要辅机每年节省检修费用约260万元，经济效益非常可观。 经过近两年的长期应用，该平台在日常维护检修和设备管理中发挥了越来越重要的作用。 图2 锅炉三维系统主界面 图3引风机台账信息 图4 锅炉测点在三维中分析 图5 磨煤机三维结构互动式剖析 图6 缺陷台账在三维部件中分析 图7 VR系统主界面 图8 设备结构剖析-送风机转子 图9检修拆装-人机交互拆装 图10 送风机启停操作界面 

四、项目创新亮点：1.利用数字孪生技术建立了超超临界百万等级锅炉管理平台，实现了锅炉本体、三大风机、空预器、磨煤机、给煤机等主要设备的数字化设备管理； 2.在桌面级三维仿真环境和VR环境下分别实现了设备零部件和相关数据的管理、浏览、定位、跟踪、缩放、解剖、实时数据等多项实用且强大的功能，实现了可视化、交互式、数字化和智能化。 3.开发了设备三维故障分析、检修策划辅助、三维台账管理、沉浸式技术培训等多种应用，并在生产中得到广泛应用。 

五、实施应用前后效果（益）情况： 基于数字孪生技术的锅炉管理平台进行了两年多的设计建模、系统功能开发、安装调试、基础数据录入及上线优化工作，现运行已经稳定成熟。该管理平台具备事故分析、检修策划、报告编制、人员培训、台账管理等各项实用功能，实现了可视化、交互式、数字化、智能化，大幅提升了生产人员的维护检修技能和设备管理水平，设备可靠性持续提高，实现了提高安全生产和提质增效水平的双重效果，成为打造创新型和智慧型火力发电厂的重要组成部分之一。 玉环电厂实现了锅炉连续531天的安全运行记录；同时有效设备故障和事故的降低，直接减少人工费用和备件费用： 人工成本：节省总工时4100个x工时单价500元=205万元； 备件费用：55万元； 每年总计为205+55=260万元，投用两年来节约费用520万元以上。 六、成果推广前景描述 该平台作为集团火电厂数字孪生技术的代表项目参展了今年2月底在北京召开的“2019年工业互联网峰会”，并在华能金陵发电有限公司（附件1）；华能巢湖发电有限责任公司等单位上线使用，具有较为广泛的推广前景。