Ứng dụng của thực tế ảo trong hệ thống điện

Ứng dụng của thực tế ảo trong hệ thống điện

Thực tế ảo (Virtual Reality) viết tắt là VR là thành tựu của công nghệ mô phỏng thời gian thực còn rất non trẻ, đang đươc phát triển mạnh mẽ và thâm nhập vào tất cả lĩnh vực cuộc sống từ giáo dục đào tạo, y tế, vui chơi giải trí đến khoa học công nghệ,... làm giàu cho kiến thức của nhân loại bằng những phương pháp tư duy sáng tạo.

Nhân dịp đầu xuân Đinh Dậu chúng tôi giới thiệu những đặc điểm cơ bản của công nghệ này và nhấn mạnh những ứng dụng của nó trong lĩnh vực Hệ thống điện. 

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ THỰC TẾ ẢO

Trên hình 1 là sơ đồ cơ bản của một hệ thống thực tế ảo gồm 3 bộ phận:

Con người: Con người nhận thức được thế giới thực thông qua năm giác quan (thị giác-mắt, khứu giác-mũi, vị giác-lưỡi, thính giác-tai, xúc giác-da), các thông tin từ thế giới thực thông qua các giác quan này tác động vào bộ não.

Phần cứng (Hardware): Phần cứng là máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào và các thiết bị đầu ra.

    • Các thiết bị đầu vào (Input devices) bao gồm những thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Ví dụ như màn hình đội đầu HMD (Head-Mounted Display), chuột, các tai nghe âm thanh nổi và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire- gloves)...

    • Các thiết bị đầu ra (Output devices) bao gồm thiết bị hiển thị đồ họa (màn hình, HMD,..) có khả năng nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) nghe được âm thanh sterio (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,..) tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động, Phím bấm...

Phần mềm (Software): Đối với thực tế ảo, phần mềm luôn là linh hồn và quyết định tính sáng tạo của việc mô phỏng ảo của thế giới thực. Các phần mềm có chức năng chính là mô phỏng và tạo hình, về nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của thế giới thực. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể miễn phí) như OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D... hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop... Các đối tượng của thế giới thực được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D khác (AutoCAD, 3D Studio,..). Phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng các hành vi của đối tượng. 

Hình 1: Các khối chức năng chính của một hệ thống VR 

CÁC TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG THỰC TẾ ẢO

Đối với các hệ thống thực tế ảo cảm giác đắm chìm, tính tương tác trong thời gian thực, các đồ họa ba chiều là các đặc tính then chốt. 

Cảm giác đắm chìm (Immersion): là hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào những thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa chìm vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác. Người sử dụng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, có thể điều khiển (xoay, di chuyển...) được đối tượng mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác khác như ngửi, sờ, nếm trong thế giới ảo.

Tương tác thời gian thực (Real-time Interactivity) trong một thế giới ảo: Nhờ phần mềm có tính tương tác trong thời gian thực mà máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác giữa người và máy trong một thế giới ảo như du hành bên trong thế giới và động lực thay đổi của môi trường. Sự du hành là khả năng của người sử dụng có thể di chuyển khắp nơi một cách độc lập, như là đang ở bên trong một môi trường thật. Các nhà phát triển phần mềm có thể cho phép truy cập vào những khu vực ảo nhất định, với nhiều mức độ tự do khác nhau (người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn...). Một khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người sử dụng. Sự kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp không gian. Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin.

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VR

Lịch sử phát triển của thực tế ảo trải qua nhiều giai đoạn, sau đây đưa ra một số cột mốc chính trong bước phát triển của VR:

Năm 1939, bộ mô phỏng View-master (hình 2) đã được chế tạo, cho phép người xem nhìn được hình nổi. Năm 1950 Sensorama (hình 3) là một thiết bị cơ khí cho phép chiếu 5 phim ngắn tạo nhiều cảm xúc về hình ảnh, âm thanh, xúc giác, mùi vị. 

              Hình 2: View-master (1939)                    

Năm 1980, video game giải trí Battlezone (hình 4) sử dụng đồ họa 3D tạo cảm xúc cho người chơi trong thế giới ảo.

Năm 1989, tại phòng Nissho Iwai, Tokyo đã trình diễn bộ trang phục toàn thân (hình 5) gắn các cảm biến đo chuyển động của chân, tay, thân và mũ cho phép người sử dụng đắm chìm trong thế giới ảo.

Năm 1991, phòng thí nghiệm hình ảnh điện tử tạo ra buồng cảm xúc không gian đầu tiên thay cho ống kính không gian, môi trường nhiều máy chiếu, nơi con người có thể nhìn thấy mình và người xung quanh khác. Năm 2013 hãng Fecebook phát triển ống kính thực tế ảo Oculus (hình 6).

Năm 2015, Sony phát triển mũ VR cho video game PlayStation 4. Google tạo nên cardboard cho phép người xem hình ảnh 3D trên smartphone.

Nhiều phần mềm đào tạo phi công, lái xe (hình 7) được phát triển tạo nên các tính huống phản ánh thực tế sinh động của ngành giao thông.

Trong lĩnh vực y tế phẫu thuật từ xa (hình 8) cho phép xây dựng mô hình robot ảo thay cho robot thật giúp rèn luyện tay nghề cho các bác sỹ phẫu thuật có thể tập luyện thao tác mổ nhiều lần trước khi tiến hành mổ trên bệnh nhân. 

Hình 4 (trái): Video game Battlezone; Hình 5 (giữa): Bộ trang phục toàn thân ; Hình 6: Ống kính Oculus VR 

Hình 7: Phần mềm VR 3D đào tạo lái xe                Hình 8: Phẫu thuật từ xa nhờ VR 

ỨNG DỤNG CỦA THỰC TẾ ẢO TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống điện là hệ thống lớn gồm nhiều phần tử (phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng, điều khiển hệ thống) hoạt động trong phạm vi toàn lãnh thổ và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố con người và thiên nhiên. Việc mô phỏng hệ thống trong thời gian thực bằng công nghệ VR có vai trò rất quan trọng trong việc quy hoạch, vận hành và xử lý tình huống trong đó bao gồm:

- Phát và truyền tải có xét đến quy hoạch mở rộng hệ thống;

- Mô phỏng các tính huống vận hành;
- Phân tích thị trường năng lượng.
Bộ mô phỏng thời gian thực trên bổ sung cho quá trình thực tập và học tập trên lớp với việc nghiên cứu hệ thống mà không cần vận hành các hệ thống thực của nhà máy hoặc các bàn điều khiển thực. Bộ mô phỏng góp phần cải thiện nhận thức và hiểu biết của nhân viên về an toàn với việc tối thiểu hóa hoặc giảm thiểu các lỗi vận hành thông qua việc đào tạo các kỹ thuật vận hành trong các điều kiện vận hành khác nhau, kể cả các tình huống cực đoan. Bộ mô phỏng có thể giúp nhân viên vận hành xác lập các quy trình vận hành hiệu quả nhất, đưa ra chiến lược kiểm soát hệ thống bằng việc phân tích các đặc trưng của các thành phần và hệ thống con trước hoặc sau khi vận hành nhà máy.

Sau đây xin sơ lược giới thiệu tính năng của một số bộ mô phỏng này:

Bộ mô phỏng nhà máy nhiệt điện SPPA - S3000

SPPA - S3000 (hình 9) là bộ mô phỏng nhà máy điện do Siemens phát triển, sử dụng các dữ liệu và mô hình điều khiển cho nhà máy điện thực. Mô hình này dùng để đào tạo nhân viên vận hành và làm cố vấn cho việc vận hành thực tế. Trong quá trình vận hành bộ mô phỏng xử lý hoàn toàn giống các tình huống xảy ra tại nhà máy điện thực tế. Người vận hành tại buồng điều khiển thông qua giao tiếp người máy HMI có thể luyện tập thành thạo cách xử lý cho các tình huống sự cố có thể xảy ra và làm quen với các quy trình vận hành. Bộ mô phỏng này cũng được sử dụng cho việc nghiệm thu nhà máy và hoạt động song song với nhà máy đang vận hành trong thực tế. 

Hình 9: Bộ mô phỏng nhà máy điện than SPPA - 3000

Bộ mô phỏng nhà máy điện hạt nhân WER - 1200

Do CHLB Nga cung cấp dùng cho đào tạo và vận hành nhà máy điện hạt nhân dự kiến xây dựng tại Ninh Thuận. Để chuẩn bị, phía Nga đã xây dựng 2 trung tâm đào tạo đặt tại Trường ĐH Bách khoa Hà Nội và ĐH Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. Đây là bộ phần mềm 3D và máy tính cấu hình mạnh nhằm cung cấp các hiểu biết ban đầu về nguyên lý làm việc, cấu tạo, vận hành của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận rất sinh động. Học viên phải sử dụng kính 3D.

Hình 10: Bộ mô phỏng nhà máy điện hạt máy điện than SPPA-3000 nhân WER - 1200 

Bộ mô phỏng TL - SM - 2 (Mỹ)

Mô phỏng nhà máy điện (hình 11) sử dụng than, dầu, và khí đốt bao gồm 20 chế độ có thể mô phỏng. Bộ mô phỏng có đầy đủ các tính năng để huấn luyện cho người học thông qua các thiết bị cơ bản và hệ thống điều khiển của nhà máy điện. Bộ mô phỏng bao gồm: Lò hơi Alstom, Riley, Foster, Tuabin nước, một cặp máy phát điện Westinghouse, BBC hay tuabin Alstom. Thiết lập trước các sự cố thông dụng, cho phép giảng viên gài vào và bao gồm các hoạt động điều khiển cơ bản và nâng cao.

Hình 11: Bộ mô phỏng TL-SM-2 

Bộ mô phỏng TL - SM - 5 (Thụy Điển)

Là mô phỏng hệ thống điện (hình 12) với đường dây 3 pha, tải, máy phát, và các thiết bị bảo vệ hệ thống với 4 module có thể hoạt động riêng lẻ hoặc hoạt động thành hệ thống với các module còn lại. 

Hình 12: Bộ mô phỏng TL-SM-5 

NGUỒN: TUDONGHOA.NET