浅析风力发电机组三维虚拟解剖式运维检修培训系统设计与开发

吴士华，庄勇，王洪星

（北京国电思达科技有限公司，北京 100039）

1 引言

近年来，国内风电项目建设发展较快，如何在风机寿命的20年内提高风电场的运行效益，是整个风电行业面临的巨大挑战，目前各大风电投资公司都对风电人才尤其是对风力发电机安装、调试及和风电场运行维护人员有着大量的需求。大量的全新人才加入风电行业，迫切需要专业的培训，同时已建成项目也有对现有技术人员提高和继续进行技能培训的需求，不仅需要系统的风力发电理论，更需要具备正确使用工具维修风机排除故障的实际操作能力。通过全面系统的运维检修培训，借鉴国内外先进的运维经验，迅速培养大量的实用型人才，成为企业应对挑战最重要的措施之一。

传统风力发电机组设备运维检修中，一般运维检修人员都是去现场分析故障原因，风力发电设备所处的自然环境比较偏僻，运维检修训练效率低、过程繁杂、质量不高，并且不容易掌握整个风力发电机组的整体结构，风力发电机组运维检修培训质量下降。近年来，伴随着仿真技术与图像数字化、深度学习、人机接口、多媒体技术、仿生学、体感技术、网络技术的快速发展，使虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术可以应用到现实生活生产中，已经成为当今技术研究的热点。虚拟运维检修技术能够很好地解决上述传统运维检修问题。虚拟运维检修技术能够模拟实物拆卸和装配过程的行为，并且可按照实际现场绘出零件模型。通过虚拟现实技术，风力发电运维检修人员能够在虚拟环境中观察风力发电机组零部件的拆卸和装配过程。虚拟现实技术在风力发电机组检修中的应用可以真实、直观、深层次、多角度再现风力发电机组检修工艺，从而使运维检修人员能够快速掌握风力发电机组检修的工艺。

我国在虚拟现实技术方面的研究起步较晚，同世界先进水平尚有较大差距，但随着对这一领域的逐步重视，近些年也取得不少成果。文献[3]将多媒体、网络和虚拟现实技术相结合设计了动车组检修系统，建立面向机务操作人员和检修人员的动态仿真培训系统。文献[4-5]采用沉浸式和非沉浸式两种方式来实现维修过程仿真，设计并实现了完整的虚拟维修系统。文献[6]提出将三维建模技术、虚拟装配、数据库技术等相结合，实现了风电场全数字化巡检的功能。

三维虚拟现实技术将风力发电机组运维检修环节可视化，即将现实中的风力发电机组零件进行动态拆装和文字或语音提示相结合，采用计算机技术对真实现场检修环节和现场环境进行虚拟展现，给运维检修人员创造出三维立体的环境，使其能够在虚拟世界中更加真实地进行风机检修，使得运维检修的流程更加形象生动。使得运维检修人员能够更加清晰地了解风力发电机组零件结构、拆装顺序和拆装工艺，有助于运维检修人员掌握主流风力发电机的机构和工作原理，掌握风力发电机运行维护技术，着重了解和熟悉预防性检修的各种方法和手段，以有效降低运维成本、提高发电量。

本文基于2MW风力发电机组建立三维虚拟解剖式仿真运维检修培训系统，通过对整个风电运行系统的整合，运用三维建模技术1∶1还原出真实的风机工作场景，通过虚拟现实引擎，模拟出各种运行维修的过程和操作步骤，进行虚拟的培训演练，提升受训人员的操作技能和安全意识，在进行危险操作时可以有效地避免错误操作，正确判断分析故障，避免盲目大拆大卸，从而提高作业中的规范意识和安全意识。

2 风电机组三维虚拟运维检修培训系统功能

风力发电机组运维检修培训及考核系统从本质上属于虚拟运维检修系统，在其基础上进行风电机组主要部件的细化和培训系统功能的延伸。

风力发电机组虚拟运维检修培训系统通过人机交互的方式，使培训学员在虚拟场景中采用多种交互手段实现对风电机组设备的运维检修基础知识学习、检修技能训练以及技能的考核。

风电机组虚拟运维检修系统具备以下功能∶

（1）知识学习功能：能够指导学员学习风电机组设备以及各主要部件的基础理论知识，进行结构构造和原理演示等，为后续学员维修训练奠定基础。

（2）检修培训功能：实现让学员在虚拟场景中，运用多种人机交互手段实现风电机组虚拟部件的拆卸、装配以及故障检测与运维检修培训等功能，使学员掌握基本运维检修技能。

（3）仿真功能：能够对学员的检修过程和检修结果并结合实际的数据，模拟检修完成后设备运行情况，以达到完善检修措施和检修手段的目的。

（4）技能考核功能：能够进行理论知识和设备操作的考核，使学员能自我检验运维检修培训的效果，对所学知识和技能巩固深化，考核功能可以进一步延伸，以达到验证运维检修方案和检修计划是否可行合理的目的。

（5）系统管理功能：能够实现用户管理、学员管理、模型管理、资源管理、题库管理等功能，便于管理员进行系统的管理。风力发电机组运维检修培训及考核系统功能组成如图1所示。

图1 风力发电机组三维运维检修培训系统图

3 风电机组三维虚拟运维检修培训系统的角色设计

风力发电机组虚拟运维检修培训系统的应用主要面向风电场的运维检修人员。运维检修人员（即学员）需要在虚拟运维检修培训平台上对风电机组的各个主要部件的检修过程进行理论知识学习和实验操作，并反复进行训练，最终在系统上进行风电机组理论部分和实操部分的考核。系统管理员（即管理员A）需要管理理论题库与主要部件以及各零部件库，在一定的学习和训练时间后向学员下达学习与考核的通知，并对学员们的考核结果进行分析。专家（即管理员B）在学员们考核结束后，对其考核结果进行评判和分析，对学员下一步的学习重点提出指导性意见。风力发电机组虚拟运维检修培训考核系统总体结构如图2所示。

图2 三维虚拟运维检修培训考核系统总体结构

3.1 学员角色

3.1.1知识理论部分

学员在进行风电机组理论知识学习时应根据自身的实际情况，选择适合的理论知识学习范围。根据学员不同的职称等级以及不同的侧重点，系统共划分了初级工、中级工、高级工、初级技师、高级技师5个类型。在理论知识部分，学员需要对运维检修的相关理论知识和部件的拆装、装配过程进行学习。系统管理员在学员学习一定学时后下达考核任务，并在考核结束后将考核情况整理发送给专家进行评判，专家根据学员的答题情况给出指导性意见。理论知识部分结构如图3所示。

图3 风电机组运维检修理论部分结构图

3.1.2实操部分

学员进入系统的实操部分，首先通过观看风电机组各部分（ 如主轴、齿轮箱、发电机等主要部件） 的检修过程步骤及工艺的演示，对风电机组各主要部分进行检修操作学习。然后根据演示的内容，在有提示与说明的情况下，学员对运维检修过程步骤及工艺手动操作进行反复训练。在规定的学时训练后，系统管理员向各学员下达考核任务。考核结束后系统会将学员在考核中的操作过程记录反馈给系统管理员。系统管理员将考核过程整理成报告后发送给专家进行评判，同时专家根据学员实操内容给出合理建议。实操部分结构如图4所示。

图4 器件检修拆装实操流程图

3.2 管理员角色

风力发电机组虚拟运维检修培训系统管理员分为：

管理员A：作为系统管理员，对系统实现管理任务。

管理员B：风电机组运行检修方面的教练员专家。

管理员A即系统管理员，主要负责管理学员、题库，并向学员下达学习任务。在学员学习过程中，系统管理员实时掌握学员的学习进度，以及对学员的学习情况分析。学员学习、培训结束后，系统管理员可下达考试任务；考试结束后，系统管理员向专家下达评判任务，并在专家评判结束后，根据专家对学员给出的指导意见，提出学习内容方面的合理建议。系统管理员除了日常管理系统与下达考试任务外，将系统使用过程中发现的缺陷及时反馈给开发系统的技术人员。

管理员B即专家，主要负责对学员的考试情况进行评判并给出指导性意见，以及在使用系统的过程中提出系统存在的缺陷和问题。管理员角色结构如图5所示。

图5 管理员角色结构图

4 风电机组三维虚拟运维检修培训系统设计

基于三维建模平台、交互式平台、数据库技术以及系统的集成平台，实现风电机组的虚拟运维检修，可方便、快捷地浏览、查询、添加、删除或更换风电机组部件的三维模型、工程图、故障案例、检修步序或方案等信息；实现风电机组主要部件的拆卸或装配的指导、交互性操作、部件检修数据、备件管理、检修决策支持等。风电机组三维虚拟运维检修培训系统的技术方案如图6所示。

图6 三维虚拟运维检修培训系统整体框架

4.1 三维模型建立

风电机组三维虚拟运维检修培训系统中三维模型建模是系统的重要环节，其实质是用计算机有效的表达装配体内在和外在的关系。三维模型的优劣直接影响到系统后续任务的运行效率和实现效果，所以建立一个集成度高、信息完善的三维模型具有非常重要的意义。三维模型主要包括风电机组检修对象、检修时所采用的工具以及风电机组运维检修环境。

目前，商业化三维建模工具软件有多种，例如3D Max、Solidworks、pro/Engineer、UG等，这些工具软件都可以用来建立风电机组主要部件的实体模型。本文采用3D Max建立风电机组以及机组内部各个部件的三维模型，并利用Photoshop精绘贴图给模型粘贴材质，构建与参考机组相似的风电机组模型。

3D Max中建模有多种方法，如几何体建模、Surface建模、NURBS建模等。本次建模采用几何体建模，通过对基本几何体的修改得到需要的造型，然后通过不同的方法将其组合，得到复杂的模型。3D Max提供很多几何体造型，包括：

（1）标准几何体：长方体、圆锥体、圆柱、球等。

（2）扩展基本几何体：倒角长方体、倒角圆柱体等。

此外，还有二维几何体、建筑几何体以及复合几何体。将建好的几何体转换为可编辑网络、可编辑面片或者可编辑多边形，调整其点、边及面，然后再添加各种修改器，以达到需要的各种造型。

本文以风力发电机为例，一台发电机由很多零件构成，如机座、空冷器、定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、前端轴承装置、后端轴承装置、滑环、刷架、滑环室、接线盒等，本文采用分层建模的方法，将发电机分为空冷器、定子、转子、轴承、滑环室、机座6层分别进行建模，将每层拆装的部件组合在一起，具体建模结构如图7所示。风力发电机的装配如图8所示。风力发电机内的轴承装置拆装如图9所示，将轴承装置内的零件组合在一起，统一命名，便于以后动画的制作。

图7 风力发电机三维建模结构图

图8 风力发电机装配图

图9 风力发电机轴承零部件拆散图

采用3D Max建模工具软件和Photoshop绘图工具，最后建立的风力发电机组三维模型如图10所示，从图10 可以看出机组材质基本与实际机组一致，通过环境渲染后，画面更丰富、更真实。

图10 风力发电机组三维结构图

4.2 风电机组主要部件拆装设计与实现

风电机组三维虚拟解剖式拆装是根据部件的形状特性、精度特性，真实的模拟主要部件的装配过程，并允许学员以交互的方式真实的模拟装配过程，达到与真实拆装无异的目的。本文利用Unity3D引擎为平台，以风力发电机为例进行拆装，将构建好的三维模型及风力发电机拆装顺序数据库导入，利用C#编写脚本控制发电机部件三维模型的运动及相应视角的切换来模拟真实的拆装过程，具体实现图如图11所示。

图11 风力发电机拆装功能实现图

4.2.1 拆装动画功能的实现

风力发电机拆装过程是利用Unity3D引擎NGUI的Tween功能实现，Tween功能窗口下设有包括颜色、位置、宽度、高度、透明度、大小的动画类型，风力发电机部件的拆装动作是采用Tween Position功能实现，脚本中设置拆装运动前后的位置坐标，用于模拟发电机部件的拆装运动轨迹，为了模拟真实的拆装效果，发电机部件的拆装运动轨迹设置为重力加速度轨迹，脚本中通过调整gameobject.active实现部件在完成拆装运动轨迹之后的消失状态，达到模拟出发电机部件在拆装过程中的动画效果。

4.2.2 人机交互功能实现

人机交互控制即控制风力发电机零部件拆装，利用人机交互界面中设置的按钮或者菜单进行控制，不同的按钮控制不同部件的拆卸与分解，利用Unity3D自带的OnClick()函数控制发电机上的拆装脚本是否执行；部件拆装兼容键盘操作和VR操作手柄操作，学员可以通过点击相应的按钮来控制发电机的拆装。

4.2.3 有序拆装功能实现

装配成一台完整的风力发电机需要将多个零部件正确组合，经过多道程序才能完成。因此，需要经过多次拆装实验得出最优的拆装顺序，处理成数据库，导入Unity3D引擎，每个发电机的零部件在数据库中有对应的标识，C#编写脚本将数据库处理成数组的形式读取需要进行拆装的发电机零部件的标识，编写脚本以处理零部件模型变色，并点击按钮进行零部件的拆装，模型的变色顺序即为发电机零部件的拆装顺序。图12为风力发电机的零部件拆装图。

图12 风力发电机拆装图

5 结语

本文基于2MW风力发电机组建立三维虚拟解剖式仿真运维检修培训系统，通过建立三维交互式虚拟仿真，在三维虚拟场景中增加人机交互式操作及巡视的三维设备模型。通过在三维运维检修虚拟场景中，对运维检修人员进行理论知识、检修实操等方面的培训，使学员在初步学习风电机组大体结构的基础上，通过直观可视化的虚拟培训，深入了解风电机组部件的内部结构。利用三维虚拟解剖式仿真运维检修培训系统提高培训效果，从而提高参与学员的技术能力，有效推进风力发电机组在运行、巡检、检修和培训工作的科技创新力度，提升运行、巡检、检修、管理人员的技术素养、技术水平和管理能力。