用科技建设海洋强国：海上风力发电场三维可视化管理平台

魏辉兵 · 发表于海洋技术发展 2022-11-16 17:54:14

前言

我国是一个海洋大国，拥有漫长的海岸线、辽阔的管辖海域和丰富的海洋资源。党的十九大报告明确提出：“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”。从海洋大国到海洋强国，符合我国发展规律、世界发展潮流，是实现中华民族伟大复兴“中国梦”的必然选择。

风能，作为一种清洁无公害，取之不尽，用之不竭的可再生资源，非常适合用来发电。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约为 10 亿千瓦，其中海上可开发和利用的风能储量达到了 7.5 亿千瓦。依托于丰富的海洋风能资源，加快海上风电项目的建设和发展，对加速沿海地区的能源转型，推动地方经济发展，提升沿海地区的生态环境，推动风电技术进展和产业升级，促进能源结构调整具有重要的意义。因此，海上风力发电场应运而生。

介于 2D 组态和 3D 组态上， Hightopo （以下简称 HT）的 HT for Web 产品拥有丰富的组态化可供选择。文章将介绍如何运用 HT 丰富的 2D/3D 组态搭建出一个海上风力发电场的解决方案，希望能够抛砖引玉，给大家带来更多海上风电场的思考和讨论。

界面简介及效果总览

Demo 主页面中展示了海上风电场的基本构成，包括一定规模数量的风电机组，输电系统和升压台。风电机组有序排放，叶片随风向和风速不停转动，将海洋上丰富的风的动能经过一系列转换，转化为宝贵的电能输出；每个风电机节点产生的电能经过输电系统源源流动，如同水流般汇聚于海上风电场的“心脏”——升压台。

点击风机叶片，可以进入叶片的微观世界，以微观视角看风机的详细信息，包括风机参数，环境参数，发电信息和故障信息等。场景的搭建采用 HT 自主研发的基于 HTML5 的 2D/3D 渲染引擎完成，其中的动画和人机交互也是基于自主研发的组件，依托于 JavaScript 和 HTML5 完成。

实现过程

场景加载

在前面部分，文章提到本案例的场景都是通过自主研发的渲染引擎完成，那么搭建好的场景如何通过代码加载，呈现给用户呢？在 HT 中，我们通过 ht.graph.GraphView 和 ht.graph.Graph3DView 分别来呈现 2D 和 3D 场景，然后通过反序列化完成场景的加载。

开场动画

本案例的开场动画相对比较简单，动画的核心机制是使用了 HT 内部封装的动画函数 ht.Default.startAnim()，通过启动一个动画对象来使整个动画运行起来。

ht.Default.starAnim() 支持 Frame-Based 和 Time-Based 两种方式的动画，Frame-Based 的方式是用户通过指定 frames 动画帧数，以及 interval 动画帧间隔参数来控制动画效果，而 Time-Based 的方式是用户只需要指定 duration 的动画周期的毫秒数即可，HT 将在指定的时间周期内完成动画；还设定了 delay 动画延迟执行的时间来搭配动画实现的效果；easing 参数则是用于让用户自定义函数，通过数学公式控制动画，如匀速变化、先慢后快等效果；action 函数的第一个参数 v 代表通过 easing(t) 函数运算后的值， t 代表当前动画进行的进度 [0, 1]，一般属性变化根据 v 参数进行。

finishFunc 参数代表动画结束后的动作。action 函数和 finishFunc 动画结束回调函数，通过一些效果的搭配使用，可以使用户达到平滑的动画效果。

本案例的开场动画通过设置起始和终止视角的位置，在一定周期内，使用 setEye(eye) 来完成视角的变化。

实现价值

风电机组：

随风而动，将海上风能转化为电能

在海上风电场项目中，风电机组的数量都是具有一定规模的，这些风电机组收集海上丰富的风能，转化为人类所需的电能。那对于这些一定规模数量的风电机组，如何保证其运行的流畅性呢？本案例使用了 HT 提供的批量（batch）提高系统性能。

批量的原理即如果图元一个个单独绘制模型时性能较差，但是当一批图元聚合成一个大模型进行一次性绘制时，则会极大提高 WebGL 的刷新性能。批量的使用方法是先通过 ht.Default.setBatchInfo 函数全局注册批量，再对 Data 使用 .s(batch, batchName) 设置对应的 batch 批量名。流程如图所示：

在本案例中，每个风机模型被分为三部分，标签部分1，叶片部分2 和主体部分 3。在上面图示的 batch 流程中，可以发现只对标签部分 1 和主体部分 3 应用了 batch 操作，但是没有对主体部分 2 运用 batch。这是因为叶片部分需要随风转动，其属性会发生频繁变化，在 batch 里面的图元尽可能避免频繁的变化，如果属性频繁变化，将可能起到反作用。

风电机的详细信息：

进入微观视角，将风电机的一切尽收眼底

点击每个风电机的叶片，都能打开风电机的详细页面。在此场景中，我们采用了科技线框风格来展示风电机的内部架构，相对于大部分的实景搭建，感官上更为震撼和炫酷。在展示风机内部结构的同时，两侧还展示了该风机周围的环境参数，海上风向风速信息，风机本身的数据监测，发电参数等。点击风电机的某个部位，可以看到以 billboard 样式展示的详细信息。

输电系统：

不辞劳苦，将电能源源不断地输送给升压台

经过风电机转换而来的电能，通过输电系统源源不断地输送给升压台，如同涓涓细流汇入大江大河。在本案例中，输电系统是使用空间管线 ht.polyline 实现的，ht.polyline 继承于 ht.shape, 支持{x: 10, y: 20, e: 30}格式的三维空间点描述。 ht.polyline 的走向由 points 和 segments 决定。案例中的流动效果是通过使用 setInterval 方法来不停地动态改变管线的 top.uv.offset 属性来实现。

在本案例中，输电系统的管道也是数量庞大的，因此也采用 batch 实现。其流程如图所示：

总结

建设海洋强国，寄托着中华民族向海图强的愿望。人类对海洋的探索永无止境，全面、准确而深刻地了解海洋，掌握海洋的运动规律，才能为建设海洋强国提供坚实的基础。开发海洋，经略海洋，保护海洋，拓展蓝色经济空间，已经成为人类生存和社会发展的趋势。海洋经济，海洋科技将来是一个主攻方向，而海上风力发电场作为海洋强国的一部分，也将会涌现一批又一批精品工程，给中国经济的底色注入更多的蓝色。我们也会更加专注于自主产品研发，在力所能及的领域贡献一份力量。

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