基于虛擬現(xiàn)實(shí)的抽水蓄能機(jī)組檢修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真

劉少華，肖志懷，夏襄宸，陳 佳，袁喜來

（1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢430072；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430000；3.湖北能源集團(tuán)股份有限公司，武漢430072）

0 引 言

抽水蓄能機(jī)組是電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的主要保障，其運(yùn)行穩(wěn)定性長(zhǎng)期受到關(guān)注和重視。在實(shí)際運(yùn)行過程中，工況轉(zhuǎn)換頻繁［1］，機(jī)組磨損相對(duì)較大，對(duì)其進(jìn)行高質(zhì)量檢修是保障運(yùn)行穩(wěn)定性的重要手段［2］。在檢修方式上，國(guó)內(nèi)蓄能機(jī)組檢修通常以檢修作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)圖紙和相關(guān)資料為依據(jù)而展開，檢修人員很難在短時(shí)間內(nèi)想象出真實(shí)的檢修過程，影響檢修進(jìn)度及效率。針對(duì)眾多問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)［3，4］手段仿真實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組各個(gè)部分及整體的拆卸和安裝流程，為檢修人員提供更直觀、更真實(shí)的檢修過程及足夠的可視化、數(shù)字化信息，成為指導(dǎo)電站機(jī)組檢修的一種趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，陳燚濤等［5］最早研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)組三維動(dòng)態(tài)仿真上的應(yīng)用，曾洪濤等［6］設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)交互式虛擬環(huán)境的水電廠遠(yuǎn)程培訓(xùn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，李丹［7］、魏佳芳［8］、陳瑞興等［9］將軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組拆裝和檢修的整體流程及注意事項(xiàng)，以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行模擬，闞闞［10］、岳志偉［11］、李子萌等［12］實(shí)現(xiàn)混流式水輪發(fā)電機(jī)組三維可視化仿真，沈斌等［13］首次以抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)檢修實(shí)際過程為例，對(duì)檢修過程進(jìn)行了三維動(dòng)畫演示。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在水電機(jī)組三維仿真檢修領(lǐng)域取得了大范圍應(yīng)用，然而針對(duì)抽水蓄能可逆式結(jié)構(gòu)機(jī)組的數(shù)字化、虛擬化檢修手段仍處于探索階段，在其標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、檢修工藝規(guī)劃、檢修全過程信息管控等方面研究較少，本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的抽水蓄能機(jī)組檢修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真方法，旨在構(gòu)建抽水蓄能機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)體系，研究成果已在某抽水蓄能電站檢修現(xiàn)場(chǎng)開展應(yīng)用，實(shí)踐證明，該方法能使現(xiàn)場(chǎng)檢修人員作業(yè)方式更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，能夠顯著提高機(jī)組檢修作業(yè)質(zhì)效。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的抽水蓄能機(jī)組檢修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真方法

本文從檢修信息融合、多級(jí)工序編碼、數(shù)字化模型設(shè)計(jì)、檢修工藝仿真4個(gè)方面入手提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的抽水蓄能機(jī)組檢修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真方法，技術(shù)研究路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)研究路線Fig.1 Technical research route

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化檢修信息融合

標(biāo)準(zhǔn)化檢修信息融合是利用信息化的手段將檢修信息組織到一起，方便后續(xù)整理，查找，使用。標(biāo)準(zhǔn)化檢修信息種類繁多，需要梳理虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)仿真所需要的數(shù)據(jù)，將其分為五大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：檢修作業(yè)文檔庫(kù)、檢修標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、檢修項(xiàng)目庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、工器具庫(kù)。基于此，有機(jī)融合機(jī)組多維檢修屬性，檢修人員可通過瀏覽器與部署在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)更新、查找檢修相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢修數(shù)據(jù)共享。為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化檢修體系構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支持。檢修信息組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢修信息組織結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Maintenance information organization chart

1.2 多級(jí)工序編碼設(shè)計(jì)

抽水蓄能機(jī)組檢修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)體系主要包括水泵水輪機(jī)及其附屬設(shè)備、發(fā)電電動(dòng)機(jī)及其附屬設(shè)備等多類復(fù)雜系統(tǒng)。以發(fā)電電動(dòng)機(jī)及其附屬設(shè)備為例，可分為定子、轉(zhuǎn)子、推力軸承、導(dǎo)軸承、機(jī)架、機(jī)械和電氣制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子頂起裝置、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)九大子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又包含若干檢修項(xiàng)目，其相應(yīng)檢修項(xiàng)目中包含檢修工藝及工序，檢修工藝繁多，如此復(fù)雜龐大的設(shè)備及檢修體系需設(shè)計(jì)合理邏輯結(jié)構(gòu)完成信息規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過自定義多級(jí)編碼規(guī)則設(shè)計(jì)了抽水蓄能機(jī)組檢修工序編碼體系。編碼定義及抽水蓄能電站設(shè)備樹編碼如圖3、4所示，圖中**字符取阿拉伯?dāng)?shù)字00-99。

圖3 編碼定義Fig.3 Code definition

以發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子圓度測(cè)量工藝中第一道工序回裝上機(jī)架為例，根據(jù)自定義編碼規(guī)則編碼為：GM-STATOR-DZYD?CL11-HZSJJ01，表示當(dāng)前正在進(jìn)行發(fā)電電動(dòng)機(jī)及其附屬設(shè)備定子設(shè)備中第十一道檢修工藝定子圓度測(cè)量中第一道工序上機(jī)架回裝。根據(jù)這套編碼規(guī)則編碼的檢修工序具有唯一性，加快了仿真開發(fā)流程，并且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢修情況方便地增刪檢修項(xiàng)目，具有較高的擴(kuò)展性、維護(hù)性。

1.3 數(shù)字化模型設(shè)計(jì)

數(shù)字化模型是開展虛擬檢修的基礎(chǔ)，是檢修工藝仿真的關(guān)鍵，數(shù)字化模型設(shè)計(jì)邏輯如下：

（1）設(shè)備三維實(shí)體模型精細(xì)化建模，基于設(shè)備零部件實(shí)際空間拓?fù)潢P(guān)系重構(gòu)設(shè)備模型，完成紋理映射及烘焙處理［14］，保留裝配關(guān)系，增強(qiáng)模型的真實(shí)感。

（2）設(shè)備數(shù)字化檢修信息處理，含其尺寸、坐標(biāo)、檢修工藝、規(guī)程、規(guī)范等多維度信息。

圖4 抽水蓄能機(jī)組設(shè)備樹Fig.4 Pumped storage unit equipment tree

（3）精確化模型物理屬性與信息屬性融合處理，保留精確模型的基本物理屬性，實(shí)現(xiàn)物理模型屬性特征與設(shè)備檢修屬性一體化融合。

（4）數(shù)字化邏輯模型序列化編碼入庫(kù)，便于模型共享及有序化管理，實(shí)現(xiàn)模型及相關(guān)信息的高效利用。

數(shù)字化模型設(shè)計(jì)過程可以分為以下幾個(gè)步驟，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化模型設(shè)計(jì)流程Fig.5 Digital model design process

構(gòu)建完成后將模型相關(guān)非幾何信息如名稱、尺寸、材質(zhì)、紋理、坐標(biāo)、文字注釋、模型文檔等與模型實(shí)體通過多級(jí)工序編碼體系進(jìn)行匹配并預(yù)留擴(kuò)展接口為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化檢修工藝仿真提供支持。

1.4 檢修工藝仿真

檢修工藝仿真是通過虛擬現(xiàn)實(shí)引擎提取檢修工藝中的工序、工步、設(shè)備、工器具等信息，進(jìn)行檢修工藝模擬仿真，驗(yàn)證檢修工藝的可行性和合理性。

檢修工序規(guī)劃智能化核心功能設(shè)計(jì)如下：

（1）空間拓?fù)涑尸F(xiàn)，在檢修流程中針對(duì)具體的檢修設(shè)備和檢修模型進(jìn)行空間拓?fù)潢P(guān)系分析，分析其空間相對(duì)位置。

（2）數(shù)據(jù)分析，對(duì)檢修過程中與先前建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行綁定，對(duì)當(dāng)前檢修項(xiàng)目進(jìn)行注意提示。

（3）碰撞分析，利用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的碰撞網(wǎng)格，為每個(gè)模型設(shè)置網(wǎng)格碰撞器，設(shè)計(jì)射線檢測(cè)方法［15］實(shí)現(xiàn)設(shè)備零部件拆裝實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)功能，精確分析工藝可行性。

（4）檢修透視，打破真實(shí)物理世界的約束，多自由度、多視角查看檢修工藝仿真過程。

基于核心功能設(shè)計(jì)，檢修工藝仿真邏輯如下：

（1）基于檢修作業(yè)指導(dǎo)書融合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)專家意見規(guī)劃三維檢修工藝，基于空間拓?fù)涑尸F(xiàn)，確定檢修工藝中的設(shè)備拆、裝順序，并關(guān)聯(lián)相應(yīng)工藝中所用到的設(shè)備模型、檢修工器具、檢修風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控單等資源。

（2）在此基礎(chǔ)上，在Unity 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中進(jìn)行仿真模擬，開展修前修中修后數(shù)據(jù)分析比對(duì)，同時(shí)在實(shí)際拆裝路徑基礎(chǔ)上進(jìn)行碰撞檢測(cè)分析，驗(yàn)證工藝的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出最優(yōu)零部件的拆裝順序及拆裝路徑和檢修工序。

（3）將工藝模擬中不便表達(dá)的注意事項(xiàng)、檢修標(biāo)準(zhǔn)等與具體的檢修工序相關(guān)聯(lián)，在虛擬檢修場(chǎng)景中完成檢修全過程透視。

檢修工藝仿真流程可分為如下幾步，如圖6所示。

圖6 工藝仿真流程Fig.6 Process simulation process

2 工程實(shí)例

本文所提方法應(yīng)用于某抽水蓄能電站3 號(hào)機(jī)組檢修任務(wù)中，構(gòu)建了全流程標(biāo)準(zhǔn)化檢修工藝體系，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)的開展，系統(tǒng)效果圖如圖7所示。

圖7 開口扳手拆除水管路連接處螺栓Fig.7 Open-end wrench to remove the bolts at the water pipe connection

2.1 檢修透視

構(gòu)建基于三維空間拓?fù)潢P(guān)系的抽水蓄能電站虛擬實(shí)景，用戶可在廠房場(chǎng)景中以第一人稱視角漫游，便于檢修人員快速便捷地了解待檢修設(shè)備及廠房環(huán)境，及時(shí)掌握整體檢修情況。借助外部輸入設(shè)備，可全自由度、全視角瀏覽檢修工藝仿真流程，實(shí)現(xiàn)檢修全過程透視。

2.2 全流程檢修體系

以檢修作業(yè)指導(dǎo)書為標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合檢修技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)專家意見，以此為基礎(chǔ)，對(duì)檢修流程工藝進(jìn)行仿真優(yōu)化，將最優(yōu)仿真方案進(jìn)行案例輸出，建立了該電站的可視化檢修工藝全流程體系，嚴(yán)格規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修工作，防止機(jī)組設(shè)備過修、失修。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化檢修工藝

圖8中展示的是上機(jī)架附屬設(shè)備拆除中橋機(jī)起吊發(fā)電電動(dòng)機(jī)蓋板，通過動(dòng)畫、語音、文字并行的方法提示本工序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)工步及注意事項(xiàng)，利用碰撞檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)確認(rèn)起吊高度將檢測(cè)數(shù)據(jù)高亮反饋至交互界面，超過標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)定的起吊高度后會(huì)進(jìn)行預(yù)警。在界面右側(cè)檢修數(shù)據(jù)模塊中可以查看本標(biāo)準(zhǔn)化檢修工藝的檢修工單及工器具的詳細(xì)信息。

圖8 橋機(jī)起吊發(fā)電電動(dòng)機(jī)蓋板Fig.8 Bridge crane hoisting generator motor cover plate

3 結(jié) 語

（1）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了數(shù)字化、可視化的抽水蓄能機(jī)組大修標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)體系，提高了檢修效率。

（2）數(shù)字化模型設(shè)計(jì)融合了幾何模型的非幾何信息為抽水蓄能電站場(chǎng)景及設(shè)備模型三維數(shù)字化重構(gòu)提供了新途徑。

（3）在虛擬檢修交互時(shí)，充分考慮了復(fù)雜檢修設(shè)備的裝配順序及路徑問題，輸出最優(yōu)仿真結(jié)果。 □