浙江電力52ZHEJIANG ELECTRIC POWER2014年第6期循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研究與應用牟文彪'，蔣良了， 嚴振聲3(1.浙江能源集團有限公司，杭州310007;2.國網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)摘要: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。關鍵詞:發(fā)電廠;循環(huán)水泵;虛擬檢修;虛擬現(xiàn)實技術;應用中圖分類號: TP391.9文獻標志碼: B文章編號: 1007-1881(2014)06- -0052-04Research and Application of Virtual Maintenance System for CirculatingWater PumpMOU Wenbiao', JIANG Liang', YAN Zhensheng'(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)Abstract: In order to meet the requirements of power generation enterprises on equipment maintenance per-sonnel training and aiming at the current practical problems during circulating water pump maintenance andpersonnel training in Taizhou Power Plant, a maintenance system for circulating water pump based on virtualreality technology is studied and developed. This paper analyzes function features of virtual maintenance sys-tem for circulating water pump, completes overall framework design of the system, determines the hardwareand software composition of the system and investigates key technologies for virtual maintenance system, onthe basis of which the development of virtual maintenance system for circulating water pump is completed.The achievement has been successfully applied in practice use.Key words: power plant; circulating water pump; virtual maintenance; virtual reality technology; application隨著我國國民經濟的發(fā)展，社會對于電能的根據傳統(tǒng)的檢修流程，虛擬檢修系統(tǒng)應包括需求日益增長。發(fā)電廠設備也向著高性能、大型.設備的虛擬拆卸、虛擬維修和虛擬裝配3個對應化的方向不斷發(fā)展，設備維護人員個人技能成為的組成部分。根據系統(tǒng)功能特點，綜合考慮經濟影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。傳統(tǒng)的性和方案的成熟性，將系統(tǒng)劃分為用戶體驗層、采用物理樣機進行檢修培訓的體系，不僅培訓成應用層和數(shù)據支持層，總體框架如圖1所示。本高，而且浪費人力物力，已不能滿足現(xiàn)實的需.從圖1可見，系統(tǒng)仿真所需的所有多媒體資要。因此,將VR(虛擬現(xiàn)實)技術引人到發(fā)電廠源及數(shù)據資源都由數(shù)據支持層提供，包括虛擬檢設備檢修,設計開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)電廠修場景所需的各種3D模型庫、檢修與拆裝工藝循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)具有可行性。庫，以及用于存儲用戶信息的數(shù)據庫。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1系統(tǒng)總體結構設計戶界面(UI)中國煤化王則是最直觀、1.1 框架設計與用戶最息經加載的3DHCNMHG2014年第6期浙江電力| 虛擬場景用戶界面示軟件Quest3D以其獨特的優(yōu)勢，被廣泛運用于個虛擬現(xiàn)實、動畫制作等行業(yè)?？紤]到開發(fā)平臺的成熟性、穩(wěn)定性以及與發(fā)3| 檢修作數(shù)據讀取易H訪可數(shù)據庫電廠現(xiàn)有其它系統(tǒng)的兼容性，發(fā)電廠循環(huán)水泵虛|業(yè)工程的控制戶端)器端)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，-----年=-.場量3D模型網如果完全采用3D Max建模，不僅工作量大,還.設備3D模型]可能會存在模型尺寸不精確的問題。因此，采用系統(tǒng)數(shù)據庫. |工器具3D模型SolidWorks與3D Max 相結合來建立循環(huán)水泵設|聲音光源特效備零部件及維修場景的三維模型，最后利用3D圖1系統(tǒng)總體框架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)模型及特效通過應用層模塊的組織及處理在虛擬的Quest3D軟件,可用于虛擬仿真功能模塊的創(chuàng)環(huán)境直觀地表現(xiàn)出來，給予用戶直觀的交互界建、人機交互界面的設計以及各模塊的集成。面，方便用戶進行各種操作。(3)MySQL數(shù)據庫軟件:在系統(tǒng)數(shù)據庫的選擇1.2總 體結構上，主要考慮與發(fā)電廠現(xiàn)有數(shù)據庫系統(tǒng)的兼容本系統(tǒng)是基于普通PC機的數(shù)字化訓練平性，為降低系統(tǒng)的使用成本，決定采用SUN公司臺，包括能夠生成具有高逼真度3D畫面的計算開發(fā)的MySQL關系型數(shù)據庫管理系統(tǒng)。機系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)以及能夠與圖像相配合的1.4系 統(tǒng)硬件配置語音系統(tǒng)。操作人員通過該系統(tǒng)的使用，能夠更由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要進行大量圖形數(shù)據的加熟悉循環(huán)水泵設備的具體結構和拆裝順序，可處理，在早期的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中往往采用大型圖有效提高水泵拆裝操作訓練水平。形工作站及環(huán)形大屏幕投影系統(tǒng)。隨著計算機軟/根據前期對系統(tǒng)功能目標的分析，綜合考慮硬件技術的飛速發(fā)展，目前，1臺配備有高端獨系統(tǒng)后續(xù)的兼容性和可擴展性，還要建立1個具立顯卡的普通PC機已經能夠滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有高沉浸感的仿真訓練平臺,并需要與之相配合的需要。的高性能軟硬件平臺。本系統(tǒng)采用以高性能計算2系統(tǒng)關鍵技術研究機為核心，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。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)水泵設備的拆裝作用戶|“顯業(yè)訓練，要求相關零部件配合準確。因此，在創(chuàng)交互器眼鏡|界面|建三維幾何模型時，根據模型的不同用途，采用立操作|I系統(tǒng)，擊外|立體2種不同的建模方法。對于主要機械設備,由于機:理聲音|仿真|鍵盤鼠標、殺|其精度要求較高，采用SolidWorks建模，再將模子系型導人3D Max中進行優(yōu)化。對于尺寸精度要求操作手柄.用戶不高的外圍場景,則直接在3D Max中完成建模。裝配完成后的效果如圖3所示。圖2虛擬檢修 系統(tǒng)結構.2.2虛擬檢修系統(tǒng)中碰撞檢測技術研究1.3系統(tǒng)軟件配置在現(xiàn)實世界中，2個實體對象不可能共享同隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實開發(fā)-空間區(qū)域,為使虛擬環(huán)境更加真實,必然涉及軟件也越來越多,其中具有代表性的產品有Smart實體碰撞與碰撞檢測技術。碰撞檢測按照過程的Collision, proSENSE, EON Professional, Quest3D先后順序可” 中國煤化工測、 碰撞分析等。其中由荷蘭Act- -3D公司開發(fā)的專業(yè)虛擬顯和碰撞響應MHCNMH G個或者多個實54牟文彪，等:循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的研究與應用2014年第6期圖3循環(huán)水泵基座裝配模型體是否發(fā)生碰撞，但是對于像發(fā)電廠循環(huán)水泵檢圖4循環(huán)水泵解體培訓界面修系統(tǒng)這種規(guī)模大、集成度高的系統(tǒng)來說，碰撞掌握循環(huán)水泵的基本結構,熟悉循環(huán)水泵各部分檢測不僅需要做出判斷,還需要提供盡可能多的的拆裝流程及注意事項。為客觀體現(xiàn)培訓效果，信息，以幫助系統(tǒng)做出正確的處理。本系統(tǒng)同時提供了1套完整的評價體系，用4個系統(tǒng)開發(fā)時采用以0BB包圍盒算法為核心.不同的指標對操作者的實際操作進行評價，這4的RAPID碰撞函數(shù)庫作為本系統(tǒng)的碰撞檢測引個指標分別是:操作步驟的正確性、操作的合理擎。將模型中需要拆裝作業(yè)的零部件劃分為相應性、操作時間以及系統(tǒng)管理員印象?？己藭r，系的正六面體，通過對模型OBB- -Tree相交狀態(tài)的統(tǒng)得到4個指標的原始評分后,根據數(shù)據庫中設測試來完成碰撞檢測過程。定的指標權重比，計算出綜合評分。系統(tǒng)允許管開發(fā)時，預先為所需拆裝的循環(huán)水泵的每個理員針對不同的考核需要調整各指標的權重，以零部件及所需工器具建立AABB和OBB包圍盒求達到最合理的評分結果。數(shù)據結構樹。進行碰撞檢測時，系統(tǒng)先利用AABB3系 統(tǒng)應用及功能特點包圍: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2011年,臺州發(fā)電廠立項開展發(fā)電廠設備虛測。采用這樣的檢測機制,不僅能夠盡可能提高擬檢修研究,項目組包括信息、設備管理、檢修運算速度，還能夠滿足復雜拆裝場景對碰撞檢測等專業(yè)技術骨干和合作單位工程師，利用計算機的精確性要求。仿真技術，結合現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術，以循環(huán)水泵防穿透算法也是虛擬檢修系統(tǒng)開發(fā)過程中的為實例，完成了發(fā)電廠設備虛擬檢修平臺的開.項關鍵技術。本系統(tǒng)利用碰撞引擎,開發(fā)了獨發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中,在臺州發(fā)電廠檢修分場.特的穿透預防機制。當進行拆裝作業(yè)時，系統(tǒng)會同步試用，并根據用戶反饋不斷改進。系統(tǒng)開發(fā)實時追蹤所涉及的零部件實體的包圍盒，若檢測完成后，由浙江省電力培訓中心在發(fā)電廠檢修人到AABB包圍盒層次發(fā)生碰撞，系統(tǒng)將調用0BB員培訓班中進行了實際應用。檢測算法進行精確的碰撞檢測。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備的虛擬拆裝、虛擬維2.3循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)的實現(xiàn)修，使用戶能夠直觀地了解設備的組成結構、檢發(fā)電廠循環(huán)水泵虛擬檢修系統(tǒng)主要分為循環(huán)修工序、拆裝方法等，幫助培訓人員可視化地了水泵解體準備工作、泵解體及檢修、電機解體及解發(fā)電廠大型復雜設備檢修過程的操作步驟,提檢修、整泵組裝和檢修組裝后期工作及技術參數(shù)供檢修培訓新的模擬環(huán)境，可有效克服以實際設找正等5個部分。備進行培訓所帶來的時間、場地和安全性上的限虛擬檢修系統(tǒng)的每個部分都有檢修步驟演制，避免培訓成本過高和設備易損壞等弊端。示、檢修培訓以及培訓效果考核3種工作模式。本系統(tǒng)主要用于發(fā)電廠“循環(huán)水泵設備的檢修典型操作界面如圖4所示。操作訓練及中國煤化工的功能特點: .開發(fā)本系統(tǒng)的目的是為了幫助使用者更快地(1)系統(tǒng)MHCN M H GEZ1800-15202014年第6期浙江電力55型立式抽芯單級混流泵的結構特點，其模型尺寸等缺點。如能進一步優(yōu)化技術、 控制開發(fā)成本、與真實混流泵相同或者成比例。提高軟件復用性，該系統(tǒng)將具有較高的推廣價(2)系統(tǒng)集成循環(huán)水泵檢修的相關內容及常值，可廣泛應用于發(fā)電廠復雜設備的檢修培訓,見的故障情況，可滿足檢修訓練的要求。為檢修人員的培養(yǎng)打開一片新的天地。(3)系統(tǒng)能夠直觀地展示循環(huán)水泵各個零部參考文獻: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[1]李宏 波.核電站關鍵設備虛擬裝配仿真系統(tǒng)[J ].中國高入設備實現(xiàn)人機交互。新技術, 2008(15):100-101.(4)系統(tǒng)集成文字、語音以及相關文檔和圖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.片等信息，全面直觀地反映檢修作業(yè)過程中可能3 ] 董林茂通用變電站仿真培訓系統(tǒng)的構建平臺[D]廈門:出現(xiàn)的問題及注意事項。廈門大學. 2008.(5)具有訓練考核功能，在考核培訓模式下,4] CHRISTER ERICSON.Collision detection and proximity系統(tǒng)能夠記錄學員的操作步驟,在考核結束后根queries[ J ].SIGGRAPH , 2004:270- -287.據知識庫進行評判打分。(6)可以根據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，以收稿日期: 2014-02-19滿足不同用戶的需求。作者簡介:牟文彪(1968-)，男,浙江臺州人，碩士,高級工程師，長期從事電力生產及技術管理工作。4結語(本文編輯:徐晗基于現(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)周期長廣告目次; 湖州泰侖電力設備有限公司(封面)浙江欣凱銳電力發(fā)展有限公司.......彩9)虎牌電 務(杭州)有限公...........封2)浙江省電力建設有限公司浙江泰侖電 力集團有限責任公司......彩1)(彩10,彩11)嘉興恒創(chuàng)電力設計研究院有限公司浙江大有實業(yè)有限公司配電工程分公司(彩2)(彩12,彩13)浙江萬 馬電纜股份有限公司寧波電力設計院有限公司......... 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