9FA重型燃機(jī)本體虛擬檢修系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

廣州發(fā)展電力集團(tuán)有限公司 甄家麟

9FA 重型燃機(jī)本體體積龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其安全性與穩(wěn)定性是保障企業(yè)發(fā)電運(yùn)行的重要因素。在實(shí)際的檢修過程中，若缺乏對于燃機(jī)結(jié)構(gòu)和故障原因的了解，盲目地對設(shè)備進(jìn)行拆卸，會極大地降低檢修質(zhì)量和效率；另一方面，9FA 重型燃機(jī)在長期運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，拆解設(shè)備的機(jī)會不多，檢修獲得實(shí)際、有效的鍛煉機(jī)會也不多。

9FA 重型燃機(jī)本體虛擬檢修系統(tǒng)（以下簡稱：虛擬檢修系統(tǒng)）是使用計(jì)算機(jī)數(shù)字化模擬出真實(shí)存在的物理設(shè)備，利用虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)9FA 重型燃機(jī)本體的每個(gè)三維零部件模型，以及其內(nèi)部部件的動(dòng)態(tài)裝配，模擬9FA 重型燃機(jī)本體的檢修過程，模擬對故障點(diǎn)進(jìn)行清除，鍛煉技術(shù)人員操作精度和效率，減少實(shí)物拆除及排障過程中的損耗和對設(shè)備性能的損害。

1 虛擬檢修系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

1.1 虛擬檢修的構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)

虛擬檢修系統(tǒng)的使用構(gòu)成有以下幾點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：可用性：燃機(jī)機(jī)組因其具備占地面積小、電力工程應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，在電力能源領(lǐng)域中具有重要的地位，基于虛擬仿真技術(shù)的虛擬檢修系統(tǒng)在模擬設(shè)備本體零部件及設(shè)備檢修過程時(shí)，還可與電廠多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成，具有很高的可用性；沉浸性：9FA 重型燃機(jī)本體結(jié)構(gòu)精密、復(fù)雜，為檢修作業(yè)帶來不小的難度，虛擬檢修系統(tǒng)可生成高可信度的場景使用戶沉浸其中，以沉浸式體驗(yàn)提高使用人員對設(shè)備結(jié)構(gòu)和檢修作業(yè)的認(rèn)知水平；交互性：系統(tǒng)圍繞9FA 重型燃機(jī)本體的檢修周期和維修次數(shù)進(jìn)行，提供人機(jī)交互的輸入輸出接口；物理性：虛擬檢修系統(tǒng)仿真9FA 重型燃機(jī)本體的運(yùn)行過程，啟停機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行，避免滿負(fù)荷工作、跳閘和當(dāng)量啟停機(jī)，實(shí)時(shí)檢測碰撞和干涉；啟發(fā)性：提供檢修障礙分析工作預(yù)設(shè)零部件、維修工種和拆卸順序，預(yù)計(jì)維修時(shí)間、作業(yè)空間甚至維修費(fèi)用。以上述標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，搭建虛擬檢修系統(tǒng)的整體框架。

1.2 虛擬檢修系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

虛擬檢修系統(tǒng)主要由三維引擎、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備三部分組成。三維引擎搭載的模塊提供計(jì)算和處理輸入信息、繪制三維仿真場景的功能。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，輸入設(shè)備抓取手部和肢體動(dòng)作并將信息遞交給三維引擎計(jì)算，以此可以確定裝配對象的運(yùn)動(dòng)軌跡。常用的輸出設(shè)備有PC 顯示器和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，前者提供非沉浸式虛擬仿真檢修體驗(yàn)，通過鍵鼠輸入控制，適用于班組人員同時(shí)進(jìn)行培訓(xùn)交流或考核的場合；后者可以提供全沉浸式的虛擬體驗(yàn)，更具有代入感和實(shí)操性。

1.3 虛擬檢修系統(tǒng)的主要模塊與功能

虛擬檢修系統(tǒng)的主要模塊介紹如下：

三維場景建模：搭建三維檢修場景往往包括虛擬樣機(jī)建模、維修環(huán)境的建模和虛擬人物建模三部分。其中樣機(jī)的建模還包括9FA 重型燃機(jī)本體建模、檢修工具建模，虛擬人物建模需結(jié)合軟硬件設(shè)備。

虛擬檢修仿真：主要包括動(dòng)作捕捉和維修過程仿真，三維引擎以輸入的動(dòng)作信息與虛擬人物的運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系為依據(jù)，跟蹤使用人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。檢修仿真的關(guān)鍵技術(shù)是碰撞檢測技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，對9FA 重型燃機(jī)本體模型和虛擬人物設(shè)定碰撞屬性會在場景較大時(shí)因計(jì)算量的倍增加大引擎壓力，造成場景卡頓，本文敘述采用路徑烘焙，降低碰撞檢測計(jì)算量提高渲染效率。

虛擬維修數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)通過分析真實(shí)用戶的檢修操作數(shù)據(jù)來判斷操作的合理性，提供指導(dǎo)建議和培訓(xùn)教學(xué)。數(shù)據(jù)庫處理并保存使用人員行為數(shù)據(jù)，通過引擎把將輸出數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的功能模塊。

虛擬檢修系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下進(jìn)行維修仿真模擬，使用人員可以直觀地看到操作和排障過程；虛擬檢修系統(tǒng)的使用價(jià)值還在于，使用人員在檢修的操作環(huán)節(jié)產(chǎn)生問題時(shí)，系統(tǒng)能給出清晰的三維可視化展示環(huán)境和數(shù)據(jù)，使用人員在仿真環(huán)境下通過推演評價(jià)檢修結(jié)果，為9FA 重型燃機(jī)本體的運(yùn)檢提供效果參考。

2 虛擬檢修相關(guān)技術(shù)

2.1 9FA重型燃機(jī)本體的虛擬構(gòu)造

9FA 重型燃機(jī)本體檢修環(huán)節(jié)的第一步，需要將三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行記錄和設(shè)定，包括其裝配結(jié)構(gòu)和臺賬信息。確切地說，需要對9FA 重型燃機(jī)本體各零部件的型號參數(shù)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的信息。利用三維動(dòng)畫演示的可視原理，確保復(fù)雜的9FA 重型燃機(jī)本體細(xì)節(jié)變得直觀化，使用人員更全面地掌握各零部件的位置和具體拆裝方式。

對于虛擬檢修系統(tǒng)采用模塊化管理，將9FA重型燃機(jī)本體數(shù)據(jù)集成封裝成各自獨(dú)立的部分，使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)動(dòng)，及時(shí)確定三維系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的運(yùn)用和管理。

2.2 9FA重型燃機(jī)本體檢修操作環(huán)境的模擬

通過虛擬檢修系統(tǒng)涉及的虛擬物構(gòu)建，設(shè)計(jì)虛擬人物的動(dòng)作和姿態(tài)，針對零部件建立專門的維修部件庫提供修理部件，三維模型與現(xiàn)實(shí)部件1:1建模，形式豐富構(gòu)建的精細(xì)模型才可以滿足維修需求，預(yù)置的常用維修工具庫也能滿足使用人員的常規(guī)檢修作業(yè)需求。

2.3 9FA重型燃機(jī)本體的三維動(dòng)畫展示

利用三維動(dòng)畫構(gòu)建的9FA 重型燃機(jī)本體模型具有更加清晰且色彩豐富的特征，主流的三維模型制作軟件是Maya 和3ds Max，可以為工業(yè)模型提供動(dòng)畫建模效果和渲染效果，當(dāng)前三維軟件的渲染效果較好，對軟件的運(yùn)行環(huán)境要求比較低，其自身攜帶的插件功能表現(xiàn)也很優(yōu)秀。在制作維修動(dòng)畫時(shí)需要根據(jù)9FA 重型燃機(jī)本體說明書的操作規(guī)程設(shè)計(jì)展示腳本，注重對三維場景鏡頭和燈光的使用，保證每一個(gè)步驟能還原真實(shí)維修過程的同時(shí)，使模型運(yùn)行得更加流暢。

2.4 檢修模型場景的控制及封裝

在虛擬檢修過程中，主要的交互任務(wù)包括運(yùn)動(dòng)、選擇、操縱和系統(tǒng)控制。通過渲染烘焙、三維文件無損壓縮和成熟的交互動(dòng)作組合封裝技術(shù)可以提供交互動(dòng)作設(shè)計(jì)，更高的FPS 幀率使畫面流暢，提升用戶體驗(yàn)，結(jié)合LOD 等優(yōu)化技術(shù)對場景預(yù)加載、預(yù)渲染，亦可提高用戶的沉浸感。

通過對零部件進(jìn)行拆解、裝配路徑的規(guī)劃，避免操作過程中的相互碰撞和干擾，可以提高虛擬過程的真實(shí)感，除了系統(tǒng)預(yù)置的交互方式，交互任務(wù)還可以由交互硬件完成，包括且不限于數(shù)據(jù)傳輸手套、位置跟蹤器、軌跡球甚至鍵盤鼠標(biāo)等，使用人員借助交互設(shè)備可以進(jìn)行更加豐富多樣的操作和演示。

3 虛擬檢修技術(shù)在9FA 重型燃機(jī)本體檢修作業(yè)中的應(yīng)用特點(diǎn)與價(jià)值

虛擬檢修技術(shù)應(yīng)用于9FA 重型燃機(jī)本體這類大型精密復(fù)雜設(shè)備時(shí)具有顯著的意義和價(jià)值。在拆裝畫面和提示文字相互結(jié)合的虛擬場景中進(jìn)行維修過程的演示和數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，使用人員突破9FA 重型燃機(jī)本體傳統(tǒng)檢修在時(shí)間、場地和經(jīng)濟(jì)上的限制，用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)來減少設(shè)備和生產(chǎn)時(shí)間損耗，降低培訓(xùn)學(xué)習(xí)成本，同時(shí)提升9FA 重型燃機(jī)本體檢修作業(yè)的效率和運(yùn)維品質(zhì)。

虛擬檢修技術(shù)的主要應(yīng)用特點(diǎn)有：

隨看隨用的虛擬檢修系統(tǒng)內(nèi)置作業(yè)規(guī)程和內(nèi)容，方便使用人員在操作時(shí)進(jìn)行查看和自檢，避免遺漏步驟，維修培訓(xùn)中可邊看邊學(xué)，加深操作印象；

9FA 重型燃機(jī)本體的實(shí)際結(jié)構(gòu)、臺賬和檢修信息通過虛擬仿真技術(shù)結(jié)合視覺、聽覺和觸覺，將設(shè)備內(nèi)部情況和零部件以三維可視化形式展現(xiàn)出來，排障過程用動(dòng)畫模擬來傳達(dá)檢修信息，使用人員可快速掌握檢修技巧；

虛擬拆裝可以真實(shí)地還原9FA 重型燃機(jī)本體的解體和復(fù)裝順序，附帶文字描述，維修過程往往基于多個(gè)步驟和多個(gè)階段動(dòng)態(tài)進(jìn)行，將交互內(nèi)容通過虛擬腳本表達(dá)，用以實(shí)際操作的模擬，可以在實(shí)物設(shè)備尚未就位時(shí)，培養(yǎng)出可以進(jìn)行專業(yè)維護(hù)運(yùn)營的人員；

系統(tǒng)可以記錄檢修過程并提供反饋評價(jià)機(jī)制，采用適宜的指標(biāo)可以評價(jià)檢修工作和計(jì)算成績。系統(tǒng)對其可維修性的評價(jià)提出建議，針對操作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，技術(shù)人員可以進(jìn)行反復(fù)練習(xí)而不受空間和場地的限制。

4 結(jié)語

本文通過闡述虛擬檢修系統(tǒng)實(shí)際用于9FA 重型燃機(jī)本體的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、組建框架、應(yīng)用特點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用的意義和價(jià)值，為9FA 重型燃機(jī)本體檢修工作提供具有創(chuàng)新性的參考。虛擬檢修技術(shù)如今仍處于不斷探索與實(shí)踐的階段，在電力行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。