循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

牟文彪，蔣良，嚴(yán)振聲（.浙江能源集團(tuán)有限公司，杭州0007；.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州806；.浙江聚欣科技有限公司，杭州00）

循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

牟文彪1，蔣良2，嚴(yán)振聲3
（1.浙江能源集團(tuán)有限公司，杭州310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州318016；3.浙江聚欣科技有限公司，杭州310012）

為了滿(mǎn)足發(fā)電企業(yè)對(duì)設(shè)備檢修人員的培訓(xùn)需求，針對(duì)當(dāng)前臺(tái)州發(fā)電廠循環(huán)水泵檢修人員培訓(xùn)過(guò)程中所面臨的實(shí)際問(wèn)題，研究并開(kāi)發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)電廠循環(huán)水泵檢修系統(tǒng)。分析循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，完成系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)，明確了系統(tǒng)軟/硬件組成，研究了虛擬檢修系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上完成了循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研制。該成果已獲得成功應(yīng)用。

發(fā)電廠；循環(huán)水泵；虛擬檢修；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；應(yīng)用

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)于電能的需求日益增長(zhǎng)。發(fā)電廠設(shè)備也向著高性能、大型化的方向不斷發(fā)展，設(shè)備維護(hù)人員個(gè)人技能成為影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。傳統(tǒng)的采用物理樣機(jī)進(jìn)行檢修培訓(xùn)的體系，不僅培訓(xùn)成本高，而且浪費(fèi)人力物力，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)的需要。因此，將VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)引入到發(fā)電廠設(shè)備檢修，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)具有可行性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 框架設(shè)計(jì)

根據(jù)傳統(tǒng)的檢修流程，虛擬檢修系統(tǒng)應(yīng)包括設(shè)備的虛擬拆卸、虛擬維修和虛擬裝配3個(gè)對(duì)應(yīng)的組成部分。根據(jù)系統(tǒng)功能特點(diǎn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和方案的成熟性，將系統(tǒng)劃分為用戶(hù)體驗(yàn)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)支持層，總體框架如圖1所示。

從圖1可見(jiàn)，系統(tǒng)仿真所需的所有多媒體資源及數(shù)據(jù)資源都由數(shù)據(jù)支持層提供，包括虛擬檢修場(chǎng)景所需的各種3D模型庫(kù)、檢修與拆裝工藝庫(kù)，以及用于存儲(chǔ)用戶(hù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用層是整個(gè)虛擬維護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵，封裝了虛擬環(huán)境及用戶(hù)界面（UI）層的底層響應(yīng)。而用戶(hù)層則是最直觀、與用戶(hù)最息息相關(guān)的部分，它將已經(jīng)加載的3D模型及特效通過(guò)應(yīng)用層模塊的組織及處理在虛擬環(huán)境直觀地表現(xiàn)出來(lái)，給予用戶(hù)直觀的交互界面，方便用戶(hù)進(jìn)行各種操作。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于普通PC機(jī)的數(shù)字化訓(xùn)練平臺(tái)，包括能夠生成具有高逼真度3D畫(huà)面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)以及能夠與圖像相配合的語(yǔ)音系統(tǒng)。操作人員通過(guò)該系統(tǒng)的使用，能夠更加熟悉循環(huán)水泵設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)和拆裝順序，可有效提高水泵拆裝操作訓(xùn)練水平。

根據(jù)前期對(duì)系統(tǒng)功能目標(biāo)的分析，綜合考慮系統(tǒng)后續(xù)的兼容性和可擴(kuò)展性，還要建立1個(gè)具有高沉浸感的仿真訓(xùn)練平臺(tái)，并需要與之相配合的高性能軟/硬件平臺(tái)。本系統(tǒng)采用以高性能計(jì)算機(jī)為核心，兼有立體顯示系統(tǒng)、立體聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、虛擬檢修系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 虛擬檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)軟件配置

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件也越來(lái)越多，其中具有代表性的產(chǎn)品有Smart Collision，proSENSE，EON Professional，Quest3D等。其中由荷蘭Act-3D公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)虛擬顯示軟件Quest3D以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫(huà)制作等行業(yè)。

考慮到開(kāi)發(fā)平臺(tái)的成熟性、穩(wěn)定性以及與發(fā)電廠現(xiàn)有其它系統(tǒng)的兼容性，發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)采用了以下軟件配置方案：

（1）幾何建模工具：由于系統(tǒng)涉及多種設(shè)備，如果完全采用3D Max建模，不僅工作量大，還可能會(huì)存在模型尺寸不精確的問(wèn)題。因此，采用SolidWorks與3D Max相結(jié)合來(lái)建立循環(huán)水泵設(shè)備零部件及維修場(chǎng)景的三維模型，最后利用3D Max自帶的功能對(duì)模型進(jìn)行渲染和優(yōu)化處理。

（2）VR開(kāi)發(fā)平臺(tái)：荷蘭Act-3D公司研制開(kāi)發(fā)的Quest3D軟件，可用于虛擬仿真功能模塊的創(chuàng)建、人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)以及各模塊的集成。

（3）MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)軟件：在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇上，主要考慮與發(fā)電廠現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的兼容性，為降低系統(tǒng)的使用成本，決定采用SUN公司開(kāi)發(fā)的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

1.4 系統(tǒng)硬件配置

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量圖形數(shù)據(jù)的處理，在早期的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中往往采用大型圖形工作站及環(huán)形大屏幕投影系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)軟/硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，目前，1臺(tái)配備有高端獨(dú)立顯卡的普通PC機(jī)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的需要。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 三維幾何模型的創(chuàng)建及優(yōu)化

由于本系統(tǒng)主要用于循環(huán)水泵設(shè)備的拆裝作業(yè)訓(xùn)練，要求相關(guān)零部件配合準(zhǔn)確。因此，在創(chuàng)建三維幾何模型時(shí)，根據(jù)模型的不同用途，采用2種不同的建模方法。對(duì)于主要機(jī)械設(shè)備，由于其精度要求較高，采用SolidWorks建模，再將模型導(dǎo)入3D Max中進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于尺寸精度要求不高的外圍場(chǎng)景，則直接在3D Max中完成建模。裝配完成后的效果如圖3所示。

2.2 虛擬檢修系統(tǒng)中碰撞檢測(cè)技術(shù)研究

在現(xiàn)實(shí)世界中，2個(gè)實(shí)體對(duì)象不可能共享同一空間區(qū)域，為使虛擬環(huán)境更加真實(shí)，必然涉及實(shí)體碰撞與碰撞檢測(cè)技術(shù)。碰撞檢測(cè)按照過(guò)程的先后順序可分為3個(gè)部分：碰撞檢測(cè)、碰撞分析和碰撞響應(yīng)。碰撞檢測(cè)用來(lái)確定2個(gè)或者多個(gè)實(shí)體是否發(fā)生碰撞，但是對(duì)于像發(fā)電廠循環(huán)水泵檢修系統(tǒng)這種規(guī)模大、集成度高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，碰撞檢測(cè)不僅需要做出判斷，還需要提供盡可能多的信息，以幫助系統(tǒng)做出正確的處理。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)采用以O(shè)BB包圍盒算法為核心的RAPID碰撞函數(shù)庫(kù)作為本系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)引擎。將模型中需要拆裝作業(yè)的零部件劃分為相應(yīng)的正六面體，通過(guò)對(duì)模型OBB-Tree相交狀態(tài)的測(cè)試來(lái)完成碰撞檢測(cè)過(guò)程。

開(kāi)發(fā)時(shí)，預(yù)先為所需拆裝的循環(huán)水泵的每個(gè)零部件及所需工器具建立AABB和OBB包圍盒數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)。進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)先利用AABB包圍盒進(jìn)行初步的碰撞檢測(cè)，當(dāng)確認(rèn)有包圍層碰撞發(fā)生時(shí)，再利用OBB算法對(duì)碰撞進(jìn)行精確檢測(cè)。采用這樣的檢測(cè)機(jī)制，不僅能夠盡可能提高運(yùn)算速度，還能夠滿(mǎn)足復(fù)雜拆裝場(chǎng)景對(duì)碰撞檢測(cè)的精確性要求。

防穿透算法也是虛擬檢修系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)利用碰撞引擎，開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的穿透預(yù)防機(jī)制。當(dāng)進(jìn)行拆裝作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)追蹤所涉及的零部件實(shí)體的包圍盒，若檢測(cè)到AABB包圍盒層次發(fā)生碰撞，系統(tǒng)將調(diào)用OBB檢測(cè)算法進(jìn)行精確的碰撞檢測(cè)。

圖3 循環(huán)水泵基座裝配模型

2.3 循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)主要分為循環(huán)水泵解體準(zhǔn)備工作、泵解體及檢修、電機(jī)解體及檢修、整泵組裝和檢修組裝后期工作及技術(shù)參數(shù)找正等5個(gè)部分。

虛擬檢修系統(tǒng)的每個(gè)部分都有檢修步驟演示、檢修培訓(xùn)以及培訓(xùn)效果考核3種工作模式。典型操作界面如圖4所示。

開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)的目的是為了幫助使用者更快地掌握循環(huán)水泵的基本結(jié)構(gòu)，熟悉循環(huán)水泵各部分的拆裝流程及注意事項(xiàng)。為客觀體現(xiàn)培訓(xùn)效果，本系統(tǒng)同時(shí)提供了1套完整的評(píng)價(jià)體系，用4個(gè)不同的指標(biāo)對(duì)操作者的實(shí)際操作進(jìn)行評(píng)價(jià)，這4個(gè)指標(biāo)分別是：操作步驟的正確性、操作的合理性、操作時(shí)間以及系統(tǒng)管理員印象?？己藭r(shí)，系統(tǒng)得到4個(gè)指標(biāo)的原始評(píng)分后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的指標(biāo)權(quán)重比，計(jì)算出綜合評(píng)分。系統(tǒng)允許管理員針對(duì)不同的考核需要調(diào)整各指標(biāo)的權(quán)重，以求達(dá)到最合理的評(píng)分結(jié)果。

圖4 循環(huán)水泵解體培訓(xùn)界面

3 系統(tǒng)應(yīng)用及功能特點(diǎn)

2011年，臺(tái)州發(fā)電廠立項(xiàng)開(kāi)展發(fā)電廠設(shè)備虛擬檢修研究，項(xiàng)目組包括信息、設(shè)備管理、檢修等專(zhuān)業(yè)技術(shù)骨干和合作單位工程師，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以循環(huán)水泵為實(shí)例，完成了發(fā)電廠設(shè)備虛擬檢修平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在臺(tái)州發(fā)電廠檢修分場(chǎng)同步試用，并根據(jù)用戶(hù)反饋不斷改進(jìn)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，由浙江省電力培訓(xùn)中心在發(fā)電廠檢修人員培訓(xùn)班中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的虛擬拆裝、虛擬維修，使用戶(hù)能夠直觀地了解設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、檢修工序、拆裝方法等，幫助培訓(xùn)人員可視化地了解發(fā)電廠大型復(fù)雜設(shè)備檢修過(guò)程的操作步驟，提供檢修培訓(xùn)新的模擬環(huán)境，可有效克服以實(shí)際設(shè)備進(jìn)行培訓(xùn)所帶來(lái)的時(shí)間、場(chǎng)地和安全性上的限制，避免培訓(xùn)成本過(guò)高和設(shè)備易損壞等弊端。

本系統(tǒng)主要用于發(fā)電廠循環(huán)水泵設(shè)備的檢修操作訓(xùn)練及考核，具有以下幾個(gè)方面的功能特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映SEZ1800-1520型立式抽芯單級(jí)混流泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其模型尺寸與真實(shí)混流泵相同或者成比例。

（2）系統(tǒng)集成循環(huán)水泵檢修的相關(guān)內(nèi)容及常見(jiàn)的故障情況，可滿(mǎn)足檢修訓(xùn)練的要求。

（3）系統(tǒng)能夠直觀地展示循環(huán)水泵各個(gè)零部件拆裝的精細(xì)操作步驟，不僅能夠通過(guò)連續(xù)三維動(dòng)畫(huà)的形式進(jìn)行播放，還能通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

（4）系統(tǒng)集成文字、語(yǔ)音以及相關(guān)文檔和圖片等信息，全面直觀地反映檢修作業(yè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

（5）具有訓(xùn)練考核功能，在考核培訓(xùn)模式下，系統(tǒng)能夠記錄學(xué)員的操作步驟，在考核結(jié)束后根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行評(píng)判打分。

（6）可以根據(jù)需要對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)景及知識(shí)庫(kù)進(jìn)行編輯，不僅能夠編輯訓(xùn)練中的圖示說(shuō)明、語(yǔ)音以及訓(xùn)練項(xiàng)目，還能修改操作規(guī)程和操作步驟，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)，具有完備的循環(huán)水泵虛擬檢修功能，技術(shù)水平較高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，但還存在開(kāi)發(fā)成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。如能進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)、控制開(kāi)發(fā)成本、提高軟件復(fù)用性，該系統(tǒng)將具有較高的推廣價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠復(fù)雜設(shè)備的檢修培訓(xùn)，為檢修人員的培養(yǎng)打開(kāi)一片新的天地。

[1]李宏波.核電站關(guān)鍵設(shè)備虛擬裝配仿真系統(tǒng)[J].中國(guó)高新技術(shù)，2008（15）∶100-101.

[2]曾洪濤，曹禹，曾兵，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水電廠檢修教學(xué)平臺(tái)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（4）∶73-75.

[3]董林茂.通用變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建平臺(tái)[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2008.

[4]CHRISTER ERICSON.Collision detection and proximity queries[J].SIGGRAPH，2004∶270-287.

（本文編輯：徐晗）

Research and Application of Virtual Maintenance System for Circulating Water Pump

MOU Wenbiao1，JIANG Liang2，YAN Zhensheng3
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China；2.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318016，China；3.Zhejiang Juxin Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

In order to meet the requirements of power generation enterprises on equipment maintenance personnel training and aiming at the current practical problems during circulating water pump maintenance and personnel training in Taizhou Power Plant，a maintenance system for circulating water pump based on virtual reality technology is studied and developed.This paper analyzes function features of virtual maintenance system for circulating water pump，completes overall framework design of the system，determines the hardware and software composition of the system and investigates key technologies for virtual maintenance system，on the basis of which the development of virtual maintenance system for circulating water pump is completed. The achievement has been successfully applied in practice use.

power plant；circulating water pump；virtual maintenance；virtual reality technology；application

TP391.9

：B

：1007-1881（2014）06-0052-04

2014-02-19

牟文彪（1968-），男，浙江臺(tái)州人，碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電力生產(chǎn)及技術(shù)管理工作。