循环水泵虚拟检修系统的研究与应用

牟文彪，蒋良，严振声（.浙江能源集团有限公司，杭州0007；.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州806；.浙江聚欣科技有限公司，杭州00）

循环水泵虚拟检修系统的研究与应用

牟文彪1，蒋良2，严振声3
（1.浙江能源集团有限公司，杭州310007；2.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州318016；3.浙江聚欣科技有限公司，杭州310012）

为了满足发电企业对设备检修人员的培训需求，针对当前台州发电厂循环水泵检修人员培训过程中所面临的实际问题，研究并开发了基于虚拟现实技术的发电厂循环水泵检修系统。分析循环水泵虚拟检修系统的功能特点，完成系统总体框架设计，明确了系统软/硬件组成，研究了虚拟检修系统所需的关键技术，并在此基础上完成了循环水泵虚拟检修系统的研制。该成果已获得成功应用。

发电厂；循环水泵；虚拟检修；虚拟现实技术；应用

随着我国国民经济的发展，社会对于电能的需求日益增长。发电厂设备也向着高性能、大型化的方向不断发展，设备维护人员个人技能成为影响系统安全稳定运行的重要因素之一。传统的采用物理样机进行检修培训的体系，不仅培训成本高，而且浪费人力物力，已不能满足现实的需要。因此，将VR（虚拟现实）技术引入到发电厂设备检修，设计开发基于虚拟现实技术的发电厂循环水泵虚拟检修系统具有可行性。

1 系统总体结构设计

1.1 框架设计

根据传统的检修流程，虚拟检修系统应包括设备的虚拟拆卸、虚拟维修和虚拟装配3个对应的组成部分。根据系统功能特点，综合考虑经济性和方案的成熟性，将系统划分为用户体验层、应用层和数据支持层，总体框架如图1所示。

从图1可见，系统仿真所需的所有多媒体资源及数据资源都由数据支持层提供，包括虚拟检修场景所需的各种3D模型库、检修与拆装工艺库，以及用于存储用户信息的数据库。应用层是整个虚拟维护系统的关键，封装了虚拟环境及用户界面（UI）层的底层响应。而用户层则是最直观、与用户最息息相关的部分，它将已经加载的3D模型及特效通过应用层模块的组织及处理在虚拟环境直观地表现出来，给予用户直观的交互界面，方便用户进行各种操作。

1.2 总体结构

本系统是基于普通PC机的数字化训练平台，包括能够生成具有高逼真度3D画面的计算机系统、视景仿真系统以及能够与图像相配合的语音系统。操作人员通过该系统的使用，能够更加熟悉循环水泵设备的具体结构和拆装顺序，可有效提高水泵拆装操作训练水平。

根据前期对系统功能目标的分析，综合考虑系统后续的兼容性和可扩展性，还要建立1个具有高沉浸感的仿真训练平台，并需要与之相配合的高性能软/硬件平台。本系统采用以高性能计算机为核心，兼有立体显示系统、立体听觉系统、虚拟检修系统的组成结构，如图2所示。

图1 系统总体框架

图2 虚拟检修系统结构

1.3 系统软件配置

随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实开发软件也越来越多，其中具有代表性的产品有Smart Collision，proSENSE，EON Professional，Quest3D等。其中由荷兰Act-3D公司开发的专业虚拟显示软件Quest3D以其独特的优势，被广泛运用于虚拟现实、动画制作等行业。

考虑到开发平台的成熟性、稳定性以及与发电厂现有其它系统的兼容性，发电厂循环水泵虚拟检修系统在开发时采用了以下软件配置方案：

（1）几何建模工具：由于系统涉及多种设备，如果完全采用3D Max建模，不仅工作量大，还可能会存在模型尺寸不精确的问题。因此，采用SolidWorks与3D Max相结合来建立循环水泵设备零部件及维修场景的三维模型，最后利用3D Max自带的功能对模型进行渲染和优化处理。

（2）VR开发平台：荷兰Act-3D公司研制开发的Quest3D软件，可用于虚拟仿真功能模块的创建、人机交互界面的设计以及各模块的集成。

（3）MySQL数据库软件：在系统数据库的选择上，主要考虑与发电厂现有数据库系统的兼容性，为降低系统的使用成本，决定采用SUN公司开发的MySQL关系型数据库管理系统。

1.4 系统硬件配置

由于虚拟现实系统需要进行大量图形数据的处理，在早期的虚拟现实系统中往往采用大型图形工作站及环形大屏幕投影系统。随着计算机软/硬件技术的飞速发展，目前，1台配备有高端独立显卡的普通PC机已经能够满足虚拟现实系统的需要。

2 系统关键技术研究

2.1 三维几何模型的创建及优化

由于本系统主要用于循环水泵设备的拆装作业训练，要求相关零部件配合准确。因此，在创建三维几何模型时，根据模型的不同用途，采用2种不同的建模方法。对于主要机械设备，由于其精度要求较高，采用SolidWorks建模，再将模型导入3D Max中进行优化。对于尺寸精度要求不高的外围场景，则直接在3D Max中完成建模。装配完成后的效果如图3所示。

2.2 虚拟检修系统中碰撞检测技术研究

在现实世界中，2个实体对象不可能共享同一空间区域，为使虚拟环境更加真实，必然涉及实体碰撞与碰撞检测技术。碰撞检测按照过程的先后顺序可分为3个部分：碰撞检测、碰撞分析和碰撞响应。碰撞检测用来确定2个或者多个实体是否发生碰撞，但是对于像发电厂循环水泵检修系统这种规模大、集成度高的系统来说，碰撞检测不仅需要做出判断，还需要提供尽可能多的信息，以帮助系统做出正确的处理。

系统开发时采用以OBB包围盒算法为核心的RAPID碰撞函数库作为本系统的碰撞检测引擎。将模型中需要拆装作业的零部件划分为相应的正六面体，通过对模型OBB-Tree相交状态的测试来完成碰撞检测过程。

开发时，预先为所需拆装的循环水泵的每个零部件及所需工器具建立AABB和OBB包围盒数据结构树。进行碰撞检测时，系统先利用AABB包围盒进行初步的碰撞检测，当确认有包围层碰撞发生时，再利用OBB算法对碰撞进行精确检测。采用这样的检测机制，不仅能够尽可能提高运算速度，还能够满足复杂拆装场景对碰撞检测的精确性要求。

防穿透算法也是虚拟检修系统开发过程中的一项关键技术。本系统利用碰撞引擎，开发了独特的穿透预防机制。当进行拆装作业时，系统会实时追踪所涉及的零部件实体的包围盒，若检测到AABB包围盒层次发生碰撞，系统将调用OBB检测算法进行精确的碰撞检测。

图3 循环水泵基座装配模型

2.3 循环水泵虚拟检修系统的实现

发电厂循环水泵虚拟检修系统主要分为循环水泵解体准备工作、泵解体及检修、电机解体及检修、整泵组装和检修组装后期工作及技术参数找正等5个部分。

虚拟检修系统的每个部分都有检修步骤演示、检修培训以及培训效果考核3种工作模式。典型操作界面如图4所示。

开发本系统的目的是为了帮助使用者更快地掌握循环水泵的基本结构，熟悉循环水泵各部分的拆装流程及注意事项。为客观体现培训效果，本系统同时提供了1套完整的评价体系，用4个不同的指标对操作者的实际操作进行评价，这4个指标分别是：操作步骤的正确性、操作的合理性、操作时间以及系统管理员印象。考核时，系统得到4个指标的原始评分后，根据数据库中设定的指标权重比，计算出综合评分。系统允许管理员针对不同的考核需要调整各指标的权重，以求达到最合理的评分结果。

图4 循环水泵解体培训界面

3 系统应用及功能特点

2011年，台州发电厂立项开展发电厂设备虚拟检修研究，项目组包括信息、设备管理、检修等专业技术骨干和合作单位工程师，利用计算机仿真技术，结合现代虚拟现实技术，以循环水泵为实例，完成了发电厂设备虚拟检修平台的开发。在系统开发过程中，在台州发电厂检修分场同步试用，并根据用户反馈不断改进。系统开发完成后，由浙江省电力培训中心在发电厂检修人员培训班中进行了实际应用。

本系统实现了对设备的虚拟拆装、虚拟维修，使用户能够直观地了解设备的组成结构、检修工序、拆装方法等，帮助培训人员可视化地了解发电厂大型复杂设备检修过程的操作步骤，提供检修培训新的模拟环境，可有效克服以实际设备进行培训所带来的时间、场地和安全性上的限制，避免培训成本过高和设备易损坏等弊端。

本系统主要用于发电厂循环水泵设备的检修操作训练及考核，具有以下几个方面的功能特点：

（1）系统能够真实准确地反映SEZ1800-1520型立式抽芯单级混流泵的结构特点，其模型尺寸与真实混流泵相同或者成比例。

（2）系统集成循环水泵检修的相关内容及常见的故障情况，可满足检修训练的要求。

（3）系统能够直观地展示循环水泵各个零部件拆装的精细操作步骤，不仅能够通过连续三维动画的形式进行播放，还能通过键盘、鼠标等输入设备实现人机交互。

（4）系统集成文字、语音以及相关文档和图片等信息，全面直观地反映检修作业过程中可能出现的问题及注意事项。

（5）具有训练考核功能，在考核培训模式下，系统能够记录学员的操作步骤，在考核结束后根据知识库进行评判打分。

（6）可以根据需要对训练场景及知识库进行编辑，不仅能够编辑训练中的图示说明、语音以及训练项目，还能修改操作规程和操作步骤，以满足不同用户的需求。

4 结语

基于现代虚拟现实技术研究开发的发电厂循环水泵虚拟检修系统，具有完备的循环水泵虚拟检修功能，技术水平较高，在实际应用中取得了良好的效果，但还存在开发成本高、开发周期长等缺点。如能进一步优化技术、控制开发成本、提高软件复用性，该系统将具有较高的推广价值，可广泛应用于发电厂复杂设备的检修培训，为检修人员的培养打开一片新的天地。

[1]李宏波.核电站关键设备虚拟装配仿真系统[J].中国高新技术，2008（15）∶100-101.

[2]曾洪涛，曹禹，曾兵，等.基于虚拟现实技术的水电厂检修教学平台[J].电气电子教学学报，2009，31（4）∶73-75.

[3]董林茂.通用变电站仿真培训系统的构建平台[D].厦门：厦门大学，2008.

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

（本文编辑：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，浙江台州人，硕士，高级工程师，长期从事电力生产及技术管理工作。