基于增强现实的汽轮机检修辅助系统

瞿 进，谢文杰，邓 春，张 悦

（1.贵州黔西中水发电有限公司，贵州 黔西 551500；2.华北电力大学自动化系，河北 保定 071003）

0 引言

汽轮机检修周期不固定，检修工作繁杂，汽轮机检修过程管理及检修水平及效果评价没有一个有效的方法，往往利用检修后的实际运行效果来评价检修过程水平的高低，经常会出现大修后设备运行效率低于大修前，检修效果不理想。并且绝大多数电厂的大型复杂设备检修多是由外委检修队伍完成，而外委检修队伍的水平参差不齐，没有办法约束和评判，种种原因结合到一起，使得复杂设备尤其是汽轮机设备检修过程管理不规范，检修水平无法评判，现场迫切需要一套结合汽轮机检修特点及工艺要求的统一化、科学化的管理控制模式或者系统。

近些年，国内外的虚拟现实 （Virtual Reality，VR）技术、增强现实（Augmented Reality，AR）技术和混合现实（Mixed Reality，MR）技术快速发展，各行各业对VR 技术、AR 技术以及先进的MR 技术有很多成功的应用，尤其体现在教育、医疗、娱乐、广告等行业。能源领域，围绕几种技术都有各自的优势及适用场景。虚拟现实技术更多地应用于员工培训，文献［1］利用虚拟现实技术设计和开发汽轮机虚拟检修培训考核专家系统，包括三维建模工作、汽轮机虚拟检修的交互功能以及考核系统等内容。文献［2］针对发电机本体设备检修培训的需求，结合虚拟检修培训技术设计了基于VR 技术的发电机虚拟检修工艺培训专家系统。该培训系统融合了三维建模、VR环境下人机交互、数据库、Web 技术实现了B／S 形式的受训人员培训交互平台。文献［3］利用Solid-Works2012 和VRP-SDK 构建汽轮机检修维护虚拟培训系统，实现虚拟现实与教育培训的结合。文献［4］是以水轮发电机组为研究对象，设计了智能仿真培训系统，也是通过三维模型，实现从实际三维空间向虚拟现实空间的转化，加强了培训效果。文献［5］主要提出了一种多用户汽轮机虚拟维修培训系统框架，学习如何在虚拟环境中进行汽轮机协同维修工作。文献［6］为了提高风力发电机组检修人员的专业技能，以虚拟现实技术为基础开发了虚拟检修培训系统。文献［7］是用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）和VR 可视化，为了电站锅炉提供一个更有效的培训场景。

相比较虚拟现实在人员培训方面的应用，增强现实的成熟应用相对较少，文献［8］介绍了一种基于增强现实技术的智能变电站运行维护人员运行培训系统，辅以虚拟现实场景，模拟智能变电所的运行、维护和检修，从而构建更逼真的虚拟环境。增强现实技术更多应用于游戏、汽车、医疗、军事等行业。

本文将真实场景和虚拟物体相互融合，利用增强现实技术在真实物理场景上叠加虚拟三维实物模型，实现复杂设备结构和参数的可视化，利用增强现实眼镜结合手势识别构建便捷的人机交互终端为实际检修过程提供专家型的“借鉴”和“指导”，对于保障检修人员水平、改进检修进程，保障检修顺利按计划进行，提高检修水平具有重要的作用。

1 增强现实技术

AR 技术是将真实空间信息和虚拟空间信息融合在一起的技术，本质上是将在现实世界中比较难以进行描述和体验的实体信息通过计算机虚拟仿真技术，实施三维模拟仿真处理，并将虚拟信息内容叠加在现实世界中，实现虚实的无缝融合，通过先进的人机交互终端被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟模型融合之后，能够在同一个画面以及空间中同时显示。

1.1 显示技术

增强现实技术中的显示技术属于整体中的核心技术，使用透视式技术可以得到较为真实的虚实相结合的体验。根据具体实现原理又划分为两大类，分别是基于光学原理的穿透式头盔显示器和基于视频合成技术的穿透式头盔显示器。其中光学透视式头盔能够为用户提供更强烈的视觉沉浸感，利用佩戴在用户眼前的半透半反光学合成器，充分和真实环境融合在一起，并辅以视频识别，动作捕捉等技术，可以轻松实现人与设备、人与环境的交互，满足用户的相关操作需要［9］。

图1 增强现实头盔

1.2 虚拟物体生成技术

增强现实技术使用过程中，目标是使得虚拟空间的相关内容，在真实空间中得到叠加处理，结合算法程序实现真实物体多维度感观体验。利用三维建模通过逆向工程技术可以获得真实物体的三维模型，目前的技术水平能够充分表现出虚拟物体的真实感。增强现实技术中生成虚拟物体的过程，信息交互是其中重要的内容，利用图像识别技术实时监控输入信息内容，能够提升操作效率，给用户呈现结构和实时信息三维可视化，便于信息的解释。

2 增强现实环境中的人机交互技术

与在真实世界不同，增强现实是将虚拟物体或者环境在真实世界的呈现，而人机交互就是帮助人在虚拟环境或者虚实融合的环境下，对虚拟事物更好的呈现。因此想要好的AR 体验，人机交互就是其中的重中之重。

AR 设备的交互方式主要分为以下三种［10］。

1）借助于现实世界中的空间点位来实现交互，是一种最为常见的交互方式。例如最近流行的AR贺卡和毕业相册就是通过图片位置来进行交互的。

2）真实空间中的一个或多个物体的特定姿势或者状态，通过识别的方式将姿势或者状态对应不同的命令。使用者可以任意改变姿势或者状态来进行交互，比如人的不同手势。考虑现场施工和现场环境的复杂性，这种交互方式将是工业系统的首选。

3）使用特制工具实现交互。比如谷歌的AR 地球，利用类似于手柄一样的东西来进行操作，从而满足互动的要求。

3 汽轮机检修辅助系统

以汽轮机三维模型为基础，通过检修工艺知识表示，结合检修标准化文件包构建检修引导信息模型库，作为检修辅助后台数据支撑。通过对检修对象的视频图像处理，智能判断检修环节节点，推送检修辅助数据信息，同时采集检修过程中的特征数据，利用虚拟检修综合评价体系对检修过程给出中肯的评价。

系统组成如图2 所示，主要有两部分组成现场端——可穿戴式电脑和远程服务端——三维可视化及运维辅助决策支持系统，其中现场端由运维人员佩戴的可穿戴式电脑组成，远程服务端可以假设在电厂技术室或者电科院，为技术专家提供设备运行状态可视化，以及技术专家可以根据设备运行状态提供运维辅助决策支持，两部分之间通过无线连接。系统功能组成如图3 所示。系统设计实现流程如图4 所示。

系统设计实现流程如下。

1）检修工艺要求的知识表示。将繁杂及无序的文字表述转换为计算机语言是实现基于AR 技术虚拟展示的基础。将检修工艺要求通过知识表示方法，转换为计算机语言。

图2 系统组成

图3 系统功能

图4 设计流程

2）检修引导信息模型库。构建汽轮机检修信息模型库，包括介绍用的文字、图片及视频辅助信息，例如设备名称、检修步骤信息、检修工器具信息等；三维的虚拟模型引导信息如汽轮机设备模型和检修工器具模型，两者在增强现实检修辅助系统中以三维模型的样式进行渲染叠加。

3）检修对象视觉处理。通过计算机视觉分析对汽轮机检修场景进行相关处理分析，包括检修目标的识别跟踪、三维场景重建、计算机位姿跟踪。

4）虚拟检修工具注册融合模块。从检修工器具数据库中找到当前检修场景需要的检修信息和模型，求解出检修工器具的注册位姿，将检修工器具融合到真实环境中，与真实场景无缝融合起来。

5）人机交互平台搭建。人机交互平台包含两部分内容，一是将虚实环境融合好的增强现实汽轮机检修场景通过增强现实头盔展示给检修人员，另一部分是检修人员对检修工器具的操控，主要通过语音、人体动作的方式进行控制。

6）检修过程综合评价。基于改进层次分析法的汽轮机虚拟检修量化评价方法，建立一套汽轮机的虚拟检修评价体系，分析各评价指标的量化方法，应用于对实际检修过程的评价，得到与实际情况较为相符的评价结果。

4 结语

基于增强现实的汽轮机检修辅助系统有利于开创火电厂汽轮机检修新模式，同时汽轮机检修工艺过程也会进一步规范化，标准化，并最终统一成行业标准，提高全行业检修水平。基于增强现实的汽轮机检修辅助系统，还有利于发电企业掌握汽轮机设备的运行与检修信息，从而制定更加合理的设备检修计划与运行指导方案，为企业带来显著的经济和社会效益。