能源是国家经济的命脉，以电站锅炉为主要设备的火力发电是我国主要的发电方式，且2021 年全国煤电发电量仍占总发电量的60%^［1］。由于电站锅炉设备庞大、结构复杂和涉及专业范围广，随着燃煤发电向低污染排放、高效率的方向发展，通过虚拟仿真技术将锅炉进行拆解来展示其内部构件，并对抽象、隐蔽的水循环和烟气循环等的工作原理进行可视化的交互演示，以推动其学习、生产和检验检测等工作的开展，具有十分重要的意义。

目前，很多学者对虚拟仿真技术在不同锅炉场景应用的解决方案进行了研究。例如，曾令艳等^［2］将现有的科研结果作为虚拟仿真实验的数据来源，建立了锅炉燃烧特性虚拟仿真系统，设计了不同运行参数对燃烧影响的实验。刘晓刚等^［3］利用计算机辅助设计（CAD）图像和计算流体力学（CFD）仿真结果等数字资源，通过搭建流化床锅炉燃烧虚拟仿真实验平台，来展示流化床燃烧过程和污染物排放情况。李建伟^［4］以船舶辅锅炉为对象，根据实际的控制过程开发了虚拟操控系统，用于提高学生或船员实际操作能力；乔辉等^［5］以WNS型锅炉为对象，通过建筑信息模型（BIM）技术和虚拟现实（VR）技术，搭建了锅炉维修培训系统，为对员工进行日常操作、维修保养培训等提供便利。王玉婷^［6］在三维实体模型基础上，利用Vega三维驱动平台，以PHANTOM Desktop力反馈设备作为人机交互接口，设计了船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，实现了场景漫游。潘冬辉等^［7］利用VR手柄和头戴式显示器作为漫游设备，通过抛物线追踪的方法实现了循环流化床锅炉的场景漫游与可视化展示。

以上文献调研表明，锅炉虚拟仿真系统的研究大多集中在结构相对简单的工业锅炉和船舶辅锅炉等，研究内容仅为锅炉部分系统的交互设计，缺少可实现锅炉自由结构拆解及工作原理演示功能的开发。本文针对结构更加精细复杂和生产流程要求更高的HG−1120/25.8−YM3型超临界电站锅炉，利用虚拟仿真技术开发一种可支持虚拟漫游、典型锅炉结构拆解和工作原理演示等功能的虚拟仿真系统，以解决无法进一步了解结构相对复杂的电站锅炉内部部件以及水循环和烟气循环的可视化演示问题，同时提出一套较为完善的虚拟仿真系统的开发流程，对各实现功能的关键技术与环节进行研究，为大型复杂装备交互可视化虚拟仿真系统的开发提供参考。

1 虚拟仿真系统设计 1.1 超临界锅炉介绍

近年来，以超临界锅炉（含超超临界锅炉）为主的燃煤电厂在火电中的装机容量占比不断增大，并且锅炉各部件均有不同的结构形式与参数条件，在学习、生产和检验检测等工作中极易混淆，这对人员培训和教学提出了更高的要求^［8］。本文开发的三维虚拟仿真系统所研究的是榆能榆神热电有限公司投产运行的350 WM超临界燃煤直流锅炉。锅炉的总体结构如图1 所示。其中，SOFA为分离燃烬风。锅炉采用四角切圆燃烧，受热面为Π型布置，炉膛水冷壁采用螺旋管屏与垂直管屏，末级再热器和末级过热器布置在水平烟道中，水平、低温再热器布置在竖井前部，水平、低温过热器和省煤器布置在竖井后部，回转式空气预热器布置在尾部烟道下方。

1.2 系统架构及开发流程

通过对系统搭建和功能需求进行深入分析，将超临界电站锅炉三维虚拟仿真系统分为5个模块，包括生产场景布置模块、虚拟漫游模块、锅炉结构拆解模块、信息展示模块和工作原理演示模块。系统架构如图2所示。

系统开发流程分为两个部分，如图3所示。第一部分为虚拟场景构建。首先，采用参数化建模软件Creo按锅炉图纸的尺寸信息构建等比例三维模型；然后，利用3D Max软件对锅炉模型进行精简优化，并将文件格式转化Fbx格式；最后，导入虚幻引擎4（UE4）软件中布置场景装饰和模型、设置光照条件、处理材质等操作。第二部分为系统功能实现。采用基于UE4软件的虚拟仿真技术，首先，通过PhysX物理引擎与基于C++软件的蓝图实现虚拟漫游、结构拆解等交互功能；其次，使用虚幻动态图形用户界面（UI）设计器（UMG）实现信息展示的UI设计；然后，使用粒子系统与材质系统建立了系统实现设备工作状态演示、描边高亮显示等效果，并在定序器（Sequance）中结合三维模型、联级粒子、材质等内容，通过设置关键帧形成连续的水循环和烟气循环的原理演示动画；最后，对系统进行反复测试、优化后，将程序打包发布。

2 虚拟仿真关键技术 2.1 基于包围盒的碰撞检测技术

UE4软件通过PhysX物理引擎实现碰撞检测，将物体的碰撞类型分为复杂碰撞和简单碰撞两种^［9］。其中复杂碰撞是根据模型本身面片生成，简单碰撞是通过构建碰撞外壳来代表模型进行碰撞检测，其中碰撞外壳分为轴对齐（AABB）包围盒、K离散定向多面体（k−DOP）包围盒、球体包围盒、胶囊体包围盒和凸面体形状包围盒五类^［10-11］。本文结合模型的不规则性和检测实时性等方面考虑，将主要采用AABB包围盒和k−DOP包围盒类的简单碰撞与复杂碰撞的方法来模拟物体的碰撞属性。

AABB包围盒是指可以包含原模型且方向与坐标轴平行的最小六面体，可通过中心位置−半径公式表示为

$ R = \{ (x,y,{\textit{z}})\left| {\left| {{x_{\rm{c}}} - x} \right| \leqslant {r_x},\left| {{y_{\rm{c}}} - y} \right| \leqslant {r_y},\left| {{\textit{z}_{\rm{c}}} - \textit{z}} \right| \leqslant {r_\textit{z}}\} } \right. $

(1)

$ \left\{ \begin{array}{l} {x_{\rm{c}}} = \dfrac{1}{2}({x_{\max }} + {x_{\min }})\\ {y_{\rm{c}}} = \dfrac{1}{2}({y_{\max }} + {y_{\min }})\\ {z_{\rm{c}}} = \dfrac{1}{2}({z_{\max }} + {z_{\min }}) \end{array} \right. $

(2)

$ \left\{ \begin{array}{l} {r_x} = {x_c} + \dfrac{1}{2}{x_{\min }}\\ {r_y} = {x_c} + \dfrac{1}{2}{y_{\min }}\\ {r_x} = {z_c} + \dfrac{1}{2}{z_{\min }} \end{array} \right. $

(3)

式中：R为包围盒的半径；x_max、x_min、y_max、y_min、z_max、z_min分别为物体顶点投影在x、y、z坐标的最小、最大值；x_c、y_c、z_c为中心点的x、y、z轴坐标；r_x、r_y、r_z为中心点的x、y、z轴半径。

k−DOP包围盒是指能包裹原模型且所有面均由一组半空间H_i确定的凸多面体，其中半空间的外法向是从k个固定的方向（D₁ , ··· , D_k）选取的，D为半空间内的固定方向向量。其包裹性随k增大而越好。

设固定的方向集为K (D₁, ··· , D_k)，一元组(d₁, ···, d_k)∈R^k，d为半空间内的法向向量。半空间 $ {{\boldsymbol{H}}_i} $ 可表示为

$\qquad {{\boldsymbol{H}}}_{i}=\{{\boldsymbol{x}}\in {{\boldsymbol{R}}}^{k}|{{\boldsymbol{D}}}_{i}·{\boldsymbol{x}}\leqslant {{\boldsymbol{d}}}_{i}\} $

(4)

式中：x为半空间的离散外法向量，选自集合{−1,0,1}中的整数坐标值，构成集合 ${\boldsymbol{N}} = \{ {{\boldsymbol{x}}_1}, \cdots ,{{\boldsymbol{x}}_k}\} \subseteq {{\boldsymbol{R}}^k}$ ，R^k为全部矩阵的集合。

2.2 粒子系统

粒子系统可用于虚拟环境下通过发射器发出大量具有一定属性的粒子来共同模拟形状不同的场景，如火焰、水等^［12］。每个粒子都要经历生成、更新和消亡三个过程^［13］。本文基于实际拍摄的火焰和烟气动画制作的16×4的序列帧和粒子系统来实现火焰与烟气的模拟。

定义单个粒子为一个n维向量，且n为实数，单个粒子Pⁿ的表达式为

$\qquad {{\boldsymbol{P}}^{n}}{\text{ = \{ }}{{{\boldsymbol{a}}}_{\text{1}}}{\text{,}}{{{\boldsymbol{a}}}_{\text{2}}}{\text{,}} \cdots {\text{,}}{{{\boldsymbol{a}}}_{{n}}}|n \geqslant {3,n} \in I{\text{\} }} $

(5)

式中：a_n为单个粒子的属性，包括速率、生命周期、大小、位置、颜色等^［14］；I为所规定的定义域。

粒子的映射是指单个粒子到正整数集的映射，每个粒子都有与之对应的映射。设t时刻粒子从I_t到Pⁿ，粒子的映射Q(t)可表示为

$\qquad {\boldsymbol{Q}}(t){\text{ = \{ }}{{\boldsymbol{P}}^t}{\text{:}}{I_t} \to {{\boldsymbol{P}}^{_{^n}}}|n > 3,n \geqslant I,t \in {\boldsymbol{R}}{\text{\} }} $

(6)

式中，R表示实数集合。

将粒子映射的有限集合定义为粒子系统，表示为

$\qquad {\boldsymbol{S}}(t){\rm{ = }}\{ {\boldsymbol{Q}}(t)|t \in \{ {t_{\rm{1}}}{\rm{,}}{t_{\rm{2}}}{\rm{,}} \cdots {\rm{,}}{t_m}\} \} $

(7)

式中，S为粒子系统t_m在不同时刻的集合，而初始时刻粒子系统的状态为S(t₀)。

3 虚拟仿真系统开发 3.1 虚拟场景构建 3.1.1 锅炉模型构建及优化

锅炉机械结构复杂，各部件之间连接紧密，且图纸数量繁多。在构建锅炉模型之前，需对二维图纸进行分析，按照锅炉各部分功能的不同梳理出所需创建的模型。锅炉分为7大系统，共124个有明确物理意义的部件，各系统及部件如图4所示。在基于Creo软件的参数化建模过程中，先通过拉伸、扫描、阵列等命令分别创建单个零件如再热器蛇形管组和各集箱等，然后将各零件通过约束关系组成再热器等系统装配体，最后将完成的装配体组装形成完整的锅炉三维模型。图5为锅炉装配流程。

3.1.2 生产场景布置

电站锅炉模型将以静态网格体的形式存在于虚拟场景中。为了防止在操控过程中轻易穿过模型而影响体验，对锅炉模型开启物理模拟（physics simulation）属性并进行碰撞体设置，以便于UE4软件的物理引擎发挥作用。虚拟场景模拟现场环境进行布置，如添加地面、围墙和公路等，并将所建材质按对应关系赋予管道、设备、公路等模型之上，以达到复杂且真实的质感，在场景中将平行光绑定天空球并调节太阳亮度(sun brightness) 、天空颜色（zenith color）和地平线衰减（horizon falloff）等参数设置光照环境，经过渲染后可模拟出白天效果。最终虚拟场景如图6所示。

3.2 系统功能实现 3.2.1 虚拟漫游

相较于在现场实践中受设备保温材料、外围架构的限制，只能够在外围和走道板上参观，虚拟漫游模块能提供更加全面和多维度的展现方式，包括：在PC模式下的自由视角和第一人称视角的漫游功能，主要通过键盘的W、S、A、D控制人物的前、后、左、右移动，鼠标拖动实现人物360°视角旋转，鼠标点击实现漫游模式的切换、结构拆解与原理演示等交互操作；在VR模式下的VR视角漫游功能，通过HTC VIVE Pro硬件中的头显转动改变视角方向，利用手柄的触控板实现人物移动，根据手柄发出射线与扳机键实现交互操作。图7为VR虚拟漫游效果。接下来将对实现的关键环节进行阐述。

角色的运动是基于坐标位置的改变而变化^［15］，所以虚拟漫游的实现首先需要通过创建Pawn类对用户的指令进行接收，再经过程序逻辑计算坐标的矢量信息，达到控制角色运动的效果。在创建完成后，将该Pawn类放入虚拟场景中的合适位置，并设置为玩家0，代表系统运行时默认获得该控制权。为实现不同控制模式之间的切换，可以在游戏模式（game mode base）组件中通过程序调用不同Pawn类来获取不同的控制权。

3.2.2 典型锅炉结构拆解与信息展示

锅炉结构拆解与信息展示模块可以将锅炉的所有部件分别进行拆解，并通过UI将三维模型与关键信息点进行融合，实现在虚拟场景之间的人机交互。这部分交互功能主要根据鼠标或手柄所点击的部件，将该部件高亮显示，并弹出信息交互界面；点击界面里的“隐藏”按钮所选部件将会消失，以此实现锅炉结构的拆解；点击“关闭”按钮将会把信息交互界面与高亮显示的效果关闭；点击场景交互界面的“显示全部”按钮，将锅炉模型恢复到起始状态。锅炉结构拆解与信息展示如图8所示。接下来将对关键流程进行阐述。

锅炉结构拆解的关键流程为建立一个Actor类，并在Actor类中通过编程实现碰撞检测与射线检测，来判断鼠标发出射线与静态网格体是否发生碰撞，再通过蓝图调用Set visibility节点与Set actor enable collision节点可将所碰撞物体进行隐藏和显示。为了将发生碰撞的物体以较为清晰的方式展现出来，将利用后处理体积组件与发光材质实现部件的描边高亮显示，其中发光材质是在材质系统中对每个像素的通道数值进行运算，将场景材质的自定义通道分别向上、下、左、右偏移一个像素，通过插值（Lerp）节点控制需要描边区域的指定颜色。

信息展示由场景交互界面、信息交互界面组成。其中场景交互界面通过UMG中的按钮（button）控件实现原理演示、视角切换、显示全部、帮助与返回五项功能；信息交互界面根据所发生碰撞的锅炉部件，调用预先制作的用于已包含各内容信息的数据表格，以实现各部件与其名称、功能介绍、管道布置方式和管径材质等信息的对应。

3.2.3 工作原理演示

工作原理演示模块主要包括水循环和烟气循环的三维可视化演示，其中的关键是需在Sequance定序器中结合已有的三维模型，设置关键帧，完成对模型的材质、摄影机位置的变化和火焰、烟气等粒子特效的产生时间的控制，从而形成可视化的演示过程。该模块的交互功能包括：点击场景交互界面的“工作原理”按钮，将显示控制板的UI，分别点击“吹扫”“点火”“水循环”等按键可出现与之对应的原理演示特效与动画，并配置语音介绍和文字提示等内容，其中因考虑水循环流程的复杂性，移动路径为所设计的最佳视角路线，在其他演示过程中可实现自由移动，进行全角度的认知学习。工作原理演示如图9所示。以下将以烟气循环的关键环节进行详细阐述，水循环可视化实现步骤也与之相似。

烟气循环可视化演示主要展示空气经过回转式空气预热器进行预热后形成的一、二次风与煤粉在炉膛内进行切圆燃烧，以及产生的高温烟气流动与换热的整个过程。关键步骤在于需通过Sequance定序器指定关键帧的位置，并通过更改外护板、烟道等模型的材质来设置较低的透明度，以此展示炉内具体的燃烧方式；设置箭头的显示时间以形成连续的效果，从而演示一、二次风的流向；将利用粒子系统制作的火焰粒子设置从燃烧器喷口处发射，来模拟形成炉内切圆燃烧的特效；在炉内添加烟气粒子，并结合粒子的产生和消亡制作出烟气依次经过炉膛、水平烟道、竖井、尾部烟道中各换热系统的效果，最后需要调节摄像机的位置，以形成平滑且自然的运镜效果和角度，从而达到最优的展示效果。

4 结 论

本文采用基于UE4软件的虚拟仿真技术，开发了一套具有逼真性、强交互性的HG−1120/25.8−YM3型超临界锅炉的三维虚拟仿真系统。该系统将锅炉参数信息、工艺流程等与锅炉的结构拆解融入到虚拟仿真培训中，具体内容包括超临界锅炉三维模型的构建、多视角下的虚拟漫游、锅炉结构拆解交互操作、信息展示UI设计、工作原理的三维可视化演示，可有助于提升火力发电厂和特种设备检测单位相关人员的专业技能水平。另外，本文提出了一套较为完善的虚拟仿真系统的开发流程，并对各实现功能的关键技术与关键环节进行了研究，可为高校热能与动力工程相关虚拟实验平台的建设提供安全、高效、经济的人机交互的可视化参考方案。