牟文彪，蔣良，嚴振聲（.浙江能源集團有限公司，杭州0007；.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州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)的研究與應用

牟文彪1，蔣良2，嚴振聲3
（1.浙江能源集團有限公司，杭州310007；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州318016；3.浙江聚欣科技有限公司，杭州310012）

為了滿足發(fā)電企業(yè)對設備檢修人員的培訓需求，針對當前臺州發(fā)電廠循環(huán)水泵檢修人員培訓過程中所面臨的實際問題，研究并開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術的發(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，完成系統(tǒng)總體框架設計，明確了系統(tǒng)軟/硬件組成，研究了虛擬檢修系統(tǒng)所需的關鍵技術，并在此基礎上完成了循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研制。該成果已獲得成功應用。

發(fā)電廠；循環(huán)水泵；虛擬檢修；虛擬現(xiàn)實技術；應用

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，社會對于電能的需求日益增長。發(fā)電廠設備也向著高性能、大型化的方向不斷發(fā)展，設備維護人員個人技能成為影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。傳統(tǒng)的采用物理樣機進行檢修培訓的體系，不僅培訓成本高，而且浪費人力物力，已不能滿足現(xiàn)實的需要。因此，將VR（虛擬現(xiàn)實）技術引入到發(fā)電廠設備檢修，設計開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)具有可行性。

1 系統(tǒng)總體結構設計

1.1 框架設計

根據(jù)傳統(tǒng)的檢修流程，虛擬檢修系統(tǒng)應包括設備的虛擬拆卸、虛擬維修和虛擬裝配3個對應的組成部分。根據(jù)系統(tǒng)功能特點，綜合考慮經(jīng)濟性和方案的成熟性，將系統(tǒng)劃分為用戶體驗層、應用層和數(shù)據(jù)支持層，總體框架如圖1所示。

從圖1可見，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，包括虛擬檢修場景所需的各種3D模型庫、檢修與拆裝工藝庫，以及用于存儲用戶信息的數(shù)據(jù)庫。應用層是整個虛擬維護系統(tǒng)的關鍵，封裝了虛擬環(huán)境及用戶界面（UI）層的底層響應。而用戶層則是最直觀、與用戶最息息相關的部分，它將已經(jīng)加載的3D模型及特效通過應用層模塊的組織及處理在虛擬環(huán)境直觀地表現(xiàn)出來，給予用戶直觀的交互界面，方便用戶進行各種操作。

1.2 總體結構

本系統(tǒng)是基于普通PC機的數(shù)字化訓練平臺，包括能夠生成具有高逼真度3D畫面的計算機系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)以及能夠與圖像相配合的語音系統(tǒng)。操作人員通過該系統(tǒng)的使用，能夠更加熟悉循環(huán)水泵設備的具體結構和拆裝順序，可有效提高水泵拆裝操作訓練水平。

根據(jù)前期對系統(tǒng)功能目標的分析，綜合考慮系統(tǒng)后續(xù)的兼容性和可擴展性，還要建立1個具有高沉浸感的仿真訓練平臺，并需要與之相配合的高性能軟/硬件平臺。本系統(tǒng)采用以高性能計算機為核心，兼有立體顯示系統(tǒng)、立體聽覺系統(tǒng)、虛擬檢修系統(tǒng)的組成結構，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 虛擬檢修系統(tǒng)結構

1.3 系統(tǒng)軟件配置

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件也越來越多，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公司開發(fā)的專業(yè)虛擬顯示軟件Quest3D以其獨特的優(yōu)勢，被廣泛運用于虛擬現(xiàn)實、動畫制作等行業(yè)。

考慮到開發(fā)平臺的成熟性、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)在開發(fā)時采用了以下軟件配置方案：

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

（2）VR開發(fā)平臺：荷蘭Act-3D公司研制開發(fā)的Quest3D軟件，可用于虛擬仿真功能模塊的創(chuàng)建、人機交互界面的設計以及各模塊的集成。

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

1.4 系統(tǒng)硬件配置

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要進行大量圖形數(shù)據(jù)的處理，在早期的虛擬現(xiàn)實系統(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)。隨著計算機軟/硬件技術的飛速發(fā)展，目前，1臺配備有高端獨立顯卡的普通PC機已經(jīng)能夠滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的需要。

2 系統(tǒng)關鍵技術研究

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)水泵設備的拆裝作業(yè)訓練，要求相關零部件配合準確。因此，在創(chuàng)建三維幾何模型時，根據(jù)模型的不同用途，采用2種不同的建模方法。對于主要機械設備，由于其精度要求較高，采用SolidWorks建模，再將模型導入3D Max中進行優(yōu)化。對于尺寸精度要求不高的外圍場景，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)中碰撞檢測技術研究

在現(xiàn)實世界中，2個實體對象不可能共享同一空間區(qū)域，為使虛擬環(huán)境更加真實，必然涉及實體碰撞與碰撞檢測技術。碰撞檢測按照過程的先后順序可分為3個部分：碰撞檢測、碰撞分析和碰撞響應。碰撞檢測用來確定2個或者多個實體是否發(fā)生碰撞，但是對于像發(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)來說，碰撞檢測不僅需要做出判斷，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)開發(fā)時采用以OBB包圍盒算法為核心的RAPID碰撞函數(shù)庫作為本系統(tǒng)的碰撞檢測引擎。將模型中需要拆裝作業(yè)的零部件劃分為相應的正六面體，通過對模型OBB-Tree相交狀態(tài)的測試來完成碰撞檢測過程。

開發(fā)時，預先為所需拆裝的循環(huán)水泵的每個零部件及所需工器具建立AABB和OBB包圍盒數(shù)據(jù)結構樹。進行碰撞檢測時，系統(tǒng)先利用AABB包圍盒進行初步的碰撞檢測，當確認有包圍層碰撞發(fā)生時，再利用OBB算法對碰撞進行精確檢測。采用這樣的檢測機制，不僅能夠盡可能提高運算速度，還能夠滿足復雜拆裝場景對碰撞檢測的精確性要求。

防穿透算法也是虛擬檢修系統(tǒng)開發(fā)過程中的一項關鍵技術。本系統(tǒng)利用碰撞引擎，開發(fā)了獨特的穿透預防機制。當進行拆裝作業(yè)時，系統(tǒng)會實時追蹤所涉及的零部件實體的包圍盒，若檢測到AABB包圍盒層次發(fā)生碰撞，系統(tǒng)將調用OBB檢測算法進行精確的碰撞檢測。

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)水泵解體準備工作、泵解體及檢修、電機解體及檢修、整泵組裝和檢修組裝后期工作及技術參數(shù)找正等5個部分。

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

開發(fā)本系統(tǒng)的目的是為了幫助使用者更快地掌握循環(huán)水泵的基本結構，熟悉循環(huán)水泵各部分的拆裝流程及注意事項。為客觀體現(xiàn)培訓效果，本系統(tǒng)同時提供了1套完整的評價體系，用4個不同的指標對操作者的實際操作進行評價，這4個指標分別是：操作步驟的正確性、操作的合理性、操作時間以及系統(tǒng)管理員印象。考核時，系統(tǒng)得到4個指標的原始評分后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中設定的指標權重比，計算出綜合評分。系統(tǒng)允許管理員針對不同的考核需要調整各指標的權重，以求達到最合理的評分結果。

圖4 循環(huán)水泵解體培訓界面

3 系統(tǒng)應用及功能特點

2011年，臺州發(fā)電廠立項開展發(fā)電廠設備虛擬檢修研究，項目組包括信息、設備管理、檢修等專業(yè)技術骨干和合作單位工程師，利用計算機仿真技術，結合現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術，以循環(huán)水泵為實例，完成了發(fā)電廠設備虛擬檢修平臺的開發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，在臺州發(fā)電廠檢修分場同步試用，并根據(jù)用戶反饋不斷改進。系統(tǒng)開發(fā)完成后，由浙江省電力培訓中心在發(fā)電廠檢修人員培訓班中進行了實際應用。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備的虛擬拆裝、虛擬維修，使用戶能夠直觀地了解設備的組成結構、檢修工序、拆裝方法等，幫助培訓人員可視化地了解發(fā)電廠大型復雜設備檢修過程的操作步驟，提供檢修培訓新的模擬環(huán)境，可有效克服以實際設備進行培訓所帶來的時間、場地和安全性上的限制，避免培訓成本過高和設備易損壞等弊端。

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

（1）系統(tǒng)能夠真實準確地反映SEZ1800-1520型立式抽芯單級混流泵的結構特點，其模型尺寸與真實混流泵相同或者成比例。

（2）系統(tǒng)集成循環(huán)水泵檢修的相關內容及常見的故障情況，可滿足檢修訓練的要求。

（3）系統(tǒng)能夠直觀地展示循環(huán)水泵各個零部件拆裝的精細操作步驟，不僅能夠通過連續(xù)三維動畫的形式進行播放，還能通過鍵盤、鼠標等輸入設備實現(xiàn)人機交互。

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

（5）具有訓練考核功能，在考核培訓模式下，系統(tǒng)能夠記錄學員的操作步驟，在考核結束后根據(jù)知識庫進行評判打分。

（6）可以根據(jù)需要對訓練場景及知識庫進行編輯，不僅能夠編輯訓練中的圖示說明、語音以及訓練項目，還能修改操作規(guī)程和操作步驟，以滿足不同用戶的需求。

4 結語

基于現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術研究開發(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，技術水平較高，在實際應用中取得了良好的效果，但還存在開發(fā)成本高、開發(fā)周期長等缺點。如能進一步優(yōu)化技術、控制開發(fā)成本、提高軟件復用性，該系統(tǒng)將具有較高的推廣價值，可廣泛應用于發(fā)電廠復雜設備的檢修培訓，為檢修人員的培養(yǎng)打開一片新的天地。

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

[2]曾洪濤，曹禹，曾兵，等.基于虛擬現(xiàn)實技術的水電廠檢修教學平臺[J].電氣電子教學學報，2009，31（4）∶73-75.

[3]董林茂.通用變電站仿真培訓系統(tǒng)的構建平臺[D].廈門：廈門大學，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，浙江臺州人，碩士，高級工程師，長期從事電力生產(chǎn)及技術管理工作。