第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
随着人机交互技术、图形处理技术、仿真技术及编程技术的发展，虚拟现实技术得以大量应用于社会各个领域之中[1]。虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)技术是一项通过计算机仿真并创建虚拟世界的技术，它通过构建一种虚拟环境使用户沉浸到环境当中，可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的[2]。用户在环境中对物体进行交互式操作，综合质量和数量双层面因素，能够更好的解决问题。虚拟现实技术作为当前一项十分火热的高新技术，受到了国家相关部委的高度重视和大力支持。当前虚拟现实技术不仅融入游戏、电影、动画制作以及图形化设计等众多领域[3]且在教学和科研方面的被广泛应用，高校利用虚拟现实技术模拟整个实验过程,可使学生在高沉浸感的虚拟环境下感知复杂机械装备的工作原理、设计过程、加工制造、性能分析、功能演示与故障诊断，以增强学生的学习兴趣,提高实验教学效果[4-8]。在科研方面可以对科研项目进行临场感仿真实验，为那些复杂的、危险的、难度大的、不易掌握的设备及其控制，提供了一个良好的实验平台，在该平台上可以反复练习实验，达到在计算机软硬件系统上模拟出实际工程或设备运行效果，学会和熟练掌握其操控过程。
热力管网是指从热源通往建筑物热力入口并为用户供热的管道,多个热力管道纵横交错形成热力管网。随着我国城市化进程逐步加快，供热形式逐渐发生改变，现阶段我国城市供热主要以集中供热系统为主。集中供热系统是通过热力管网将大量的热用户连接起来由统一的热源进行供热的系统[9]，对于改善环境以及提高人民生活水平具有重大意义。据统计，2016 年底，我国城市集中供热覆盖面积已增长到 69.6亿平方米[10]，且会随着居民生活水平的提高和环保意识的加强而进一步扩大。但是，这并不意味着我国集中供热事业已达世界先进水平，相反我国集中供热系统较之德国、丹麦、芬兰、俄罗斯等国家仍具有较大差距且故障多发[11-14]。当前阶段，随着对热力管网系统的经济性和可靠性的要求越来越高，相应的对设备维修维护要求也越来越高，所以对维修维护人员的培训就成了能否提高维修维护质量的关键。
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第 3 章 热力管网设备维修维护技术研究 ····························· 17
1.2 课题研究意义
虚拟现实是一项发展中的技术,它的作用是使信息系统尽可能地满足人们的需要,使用户更直接地与数据交互,使人机的交互更加人性化[23-25]，因此本课题所开发的基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统也以此为目标，在满足人性化的前提下让用户体验最真实的操作过程。 本课题所开发的基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统是以热力管网及其设备为研究对象建立的。通过对热力管网及其设备仿真模型的建立，结合热力管网设备维修维护的特点，利用虚拟现实技术创造一个交互式并且拥有可视化三维模型的仿真培训系统，实现热力管网设备维修维护工作状态的仿真，使维修维护更加具有真实感。系统的研究与开发具有重大意义，主要表现在一下几个方面[26-29]：
（1）应用性广。基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统可用于工厂的培训、高校的教学课程、产品的仿真展示等等。
（2）安全性高。在传统的维修培训过程中，某些危险且昂贵的设备，或仅在特定的地方才有的设备，使维修维护的培训难以进行。然而，通过构建虚拟维修系统，上述问题能够被很好地解决,受训人员可以在虚拟维修环境中练习设备的维修维护，熟悉操作的过程，且不用担心在实际操作时才会发生的各种意外事件。
虚拟现实是一项发展中的技术,它的作用是使信息系统尽可能地满足人们的需要,使用户更直接地与数据交互,使人机的交互更加人性化[23-25]，因此本课题所开发的基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统也以此为目标，在满足人性化的前提下让用户体验最真实的操作过程。 本课题所开发的基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统是以热力管网及其设备为研究对象建立的。通过对热力管网及其设备仿真模型的建立，结合热力管网设备维修维护的特点，利用虚拟现实技术创造一个交互式并且拥有可视化三维模型的仿真培训系统，实现热力管网设备维修维护工作状态的仿真，使维修维护更加具有真实感。系统的研究与开发具有重大意义，主要表现在一下几个方面[26-29]：
（1）应用性广。基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统可用于工厂的培训、高校的教学课程、产品的仿真展示等等。
（2）安全性高。在传统的维修培训过程中，某些危险且昂贵的设备，或仅在特定的地方才有的设备，使维修维护的培训难以进行。然而，通过构建虚拟维修系统，上述问题能够被很好地解决,受训人员可以在虚拟维修环境中练习设备的维修维护，熟悉操作的过程，且不用担心在实际操作时才会发生的各种意外事件。
（3）经济性好。对于在真实世界中制作成本昂贵的设备，虚拟现实技术为其提供了更为经济且安全的操作训练方式，使受训人员能够进行更多的培训操作但却消费很少的经济资源，这也变相的减少了企业的投资，大大提高了培训的经济效益。
（4）培训练习效率高。与实际的教学培训相比,虛拟培训的方式具有仿真性、对应性、幵放性、可操作性等特点。因此基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统可以摆脱时间、地域及设备条件的影响，在短时间内对培训人员展开全方位的培训，让培训人员快速的掌握维修维护的全过程，有效的提升培训的质量，大大缩短培训周期。
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（4）培训练习效率高。与实际的教学培训相比,虛拟培训的方式具有仿真性、对应性、幵放性、可操作性等特点。因此基于 VR 技术的热力管网设备维修维护培训系统可以摆脱时间、地域及设备条件的影响，在短时间内对培训人员展开全方位的培训，让培训人员快速的掌握维修维护的全过程，有效的提升培训的质量，大大缩短培训周期。
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第 2 章 维修维护培训系统总体设计
2.1 系统开发工具
常言道工欲善其事必先利其器，在进行系统开发之前首先需要确定开发的总体方案，并根据方案设计选取相应的工具，以保证系统功能能按照预期的要求实现，因此本节主要对系统开发过程选择的工具进行详细介绍。
2.1 系统开发工具
常言道工欲善其事必先利其器，在进行系统开发之前首先需要确定开发的总体方案，并根据方案设计选取相应的工具，以保证系统功能能按照预期的要求实现，因此本节主要对系统开发过程选择的工具进行详细介绍。
2.1.1 SolidWorks 建模软件
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本文中需要以热力管网系统中的一个隔压站为例，对隔压站厂房、热力管网及其部分设备（包括增压泵、板式换热器、过滤器等）进行三维建模。在这里选用SolidWorks 作为本系统的三维建模软件，SolidWorks 软件于 1995 年由 SolidWorks 公司推出，之后于 1997 年被达索（Dassault Systemes S.A）公司收购，软件本身具有强大功能，能满足用户的多种需求，且 SolidWorks 软件自身在技术创新方面也有突出成就，为减少用户设计所用时间提供了一个良好的平台，在世界范围内被广泛用于航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具等行业。SolidWorks 按照用户的需求分为多种模块，包括零件建模、曲面建模、钣金设计、零件装配、工程图等初级功能和 Motion（运动仿真）、Simulation（有限元分析）、Photo View360（高级渲染）等高级功能[60,61]。SolidWorks 同时具有良好的兼容性，在生成自身零件的同时支持诸如.stp、.xt、.wrl、.igs 等多种格式文件的导出，方便用户使用第三方软件进行二次开发。如图 2-1 所示为 SolidWorks 用户操作界面。
2.2 系统需求及功能分析
2.2.1 系统需求分析
基于 VR 技术的热力管网设备维修维护系统的开发目的是为了改善当前热力管网设备维修维护培训方式、提升维修维护培训质量和效率。通过运用三维建模技术、虚拟仿真技术、虚拟现实技术、程序开发技术等构建了热力管网设备维修维护的可视化模型，对需要进行维修维护的设备进行了拆卸、装配和维修维护的过程仿真，并将其制作成了视频供维修维护人员学习，同时按照培训系统的设计理念将其分为“教”、“练”、“考”三个部分，使培训系统的流程更加贴合现实培训。
在此，维修维护培训系统应满足如下的几个需求：
2.2.1 系统需求分析
基于 VR 技术的热力管网设备维修维护系统的开发目的是为了改善当前热力管网设备维修维护培训方式、提升维修维护培训质量和效率。通过运用三维建模技术、虚拟仿真技术、虚拟现实技术、程序开发技术等构建了热力管网设备维修维护的可视化模型，对需要进行维修维护的设备进行了拆卸、装配和维修维护的过程仿真，并将其制作成了视频供维修维护人员学习，同时按照培训系统的设计理念将其分为“教”、“练”、“考”三个部分，使培训系统的流程更加贴合现实培训。
在此，维修维护培训系统应满足如下的几个需求：
（1）热力管网设备模型应最大程度的贴近实际，使用户沉浸系统当中；
（2）具有良好的三维动态观察功能，培训人员可以通过操作鼠标对模型进行观察，通过缩放、旋转、平移等操作来获得所需要的视角；
（3）具有完整的登录界面，并设置身份信息的验证，依此来区分培训人员，方便后台记录培训者的信息；
（4）能够通过“教”学模块观看设备拆装及维修维护的流程操作，流程操作必须按照实际操作流程进行，同时对每一步操作附加文字说明，使得整个教学过程具备图文、视频、声音组合并茂的效果，方便培训人员理解每一步操作；
（5）“练”习模块需要具备交互式操作的功能，用户通过系统规范的顺序，用鼠标拖拽零件或工具实现设备的可视化拆装和维修维护过程，同时设置操作正确和错误提示，以此来提醒培训人员操作是否正确。
（6）“考”试模块即为需要系统具备一定的评判功能，在有用户进行考试模块交互操作的时候，需要策划多种功能及其操作的题库，当学习者按自己的记忆或规则完成虚拟维修维护过程后，系统可以对其操作的每一步成绩进行评定，并给出最终测试结果，以此来判断培训是否通过。
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（2）具有良好的三维动态观察功能，培训人员可以通过操作鼠标对模型进行观察，通过缩放、旋转、平移等操作来获得所需要的视角；
（3）具有完整的登录界面，并设置身份信息的验证，依此来区分培训人员，方便后台记录培训者的信息；
（4）能够通过“教”学模块观看设备拆装及维修维护的流程操作，流程操作必须按照实际操作流程进行，同时对每一步操作附加文字说明，使得整个教学过程具备图文、视频、声音组合并茂的效果，方便培训人员理解每一步操作；
（5）“练”习模块需要具备交互式操作的功能，用户通过系统规范的顺序，用鼠标拖拽零件或工具实现设备的可视化拆装和维修维护过程，同时设置操作正确和错误提示，以此来提醒培训人员操作是否正确。
（6）“考”试模块即为需要系统具备一定的评判功能，在有用户进行考试模块交互操作的时候，需要策划多种功能及其操作的题库，当学习者按自己的记忆或规则完成虚拟维修维护过程后，系统可以对其操作的每一步成绩进行评定，并给出最终测试结果，以此来判断培训是否通过。
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3.1 热力管网关键设备研究 ···························· 17
3.3.1 热力管网设备概述 ····························· 17
3.3.2 热力管网关键设备介绍 ······················· 18
第 4 章 系统开发关键技术研究与实现 ································ 31
4.1 热力管网关键设备三维建模 ······················· 31
4.2 热力管网设备模型预处理 ····························· 32
第 5 章 热力管网设备维修维护培训系统实现 ································· 59
5.1 系统界面设计 ··························· 59
5.2 登录界面实现 ························ 61
第6章 系统整合与发布测试
6.1 系统整合
在完成系统的各个模块开发之后，需要将其连接起来构成一个完整的系统。主要方式是通过在个场景中设置系统的 GUI（Graphical User Interface）将互不相连的功能模块链接到一起，构建场景之间的关联性。一个优秀的系统不仅表现在功能模块的实现上，同时还需要美观大方的操作界面和简练的系统引导功能，让用户能够快速掌握系统的使用方法，为此对系统界面和功能模块的链接要求尤为重要。在满足系统的逻辑顺序的同时，要保证系统层级分明各个模块之间的跳转多样化且具备合理性。以登录界面作为系统的主界面，以导航界面作为各个功能模块之间的链接中枢，以教学、练习、考试模块作为设备选择的场景同时配以系统简介和设备展示，在各个模块之中分别对每一种设备进行三种场景的构建，每一种设备的教学场景、练习场景、考试场景都是相互独立的，通过将独立的场景链接到各个功能模块之中，最终形成由导航模块到功能模块再由功能模块到设备的逻辑顺序，如图 6-1 所示为系统的运行流程图。
6.1 系统整合
在完成系统的各个模块开发之后，需要将其连接起来构成一个完整的系统。主要方式是通过在个场景中设置系统的 GUI（Graphical User Interface）将互不相连的功能模块链接到一起，构建场景之间的关联性。一个优秀的系统不仅表现在功能模块的实现上，同时还需要美观大方的操作界面和简练的系统引导功能，让用户能够快速掌握系统的使用方法，为此对系统界面和功能模块的链接要求尤为重要。在满足系统的逻辑顺序的同时，要保证系统层级分明各个模块之间的跳转多样化且具备合理性。以登录界面作为系统的主界面，以导航界面作为各个功能模块之间的链接中枢，以教学、练习、考试模块作为设备选择的场景同时配以系统简介和设备展示，在各个模块之中分别对每一种设备进行三种场景的构建，每一种设备的教学场景、练习场景、考试场景都是相互独立的，通过将独立的场景链接到各个功能模块之中，最终形成由导航模块到功能模块再由功能模块到设备的逻辑顺序，如图 6-1 所示为系统的运行流程图。
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结论
本课题主要是利用 Unity3D 引擎作为设计开发平台，结合热力管网设备维修维护的相关知识，构建了一个桌面式的虚拟现实设备维修维护培训系统。本系统主要以登录界面、导航界面、设备维修维护教学演示、设备维修维护操作练习、设备维修维护考试模拟等几部分为主，实现热力管网设备维修维护的教学培训，让用户在实际操作之前能够直观的掌握操作流程及操作方式。系统具有良好的交互性和沉浸感，能够在学习过程中给予良好的真实体验，对教学培训方式的改变具有重大意义和作用。 本课题主要完成了以下工作：
1) 利通过网上查阅文献及资料掌握了设备的相关知识，并通过 Solidworks 建模软件完成热力管网设备模型的建立。
2) 研究了热力管网设备维修维护的相关技术，规划了关键设备维修维护的具体操作流程及操作方式。
3) 使用 C4D 软件完成了对模型进行优化处理，并制作了设备相关的拆装及维修维护动画。
4) 热力管网设备维修维护教学技术研究。研究了教学模块的相关技术，实现了热力管网设备拆装及维修维护的全部操作流程的仿真运动，并通过挂载脚本的方式实现了自动操作功能，使用户学习更加简单。
5) 热力管网设备维修维护练习技术研究。研究了练习模块的相关技术，通过对系统坐标系转换的研究，实现了设备的交互式拆装和维修维护操作，规定了用户操作的顺序流程，同时附加了设备信息提示和语音警示功能，以提高练习的效果。
6) 热力管网设备维修维护考试技术研究。研究了考试模块的相关技术，实现了实时考试测评功能，用户通过之前学习的相关知识，完成系统的考试测评并获得相应的分数。得分会根据系统操作步骤及用户实际操作方式生成相应的 Excel 表，以方便用户对考试信息的查询和管理。
参考文献(略)