基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统

王言国，龚登位，高少华，谢文君，郗发刚，张李小璟

（1.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211002；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

水轮机属于一种动力机械，能够完成水流能量的转换，使其形成旋转机械能。目前，水轮机主要应用在水电站内，通过能量的转换完成发电机的发电，实现水力发电。水轮机在水电站应用时，通过引水管将上游水库中的水引入水轮机，促使水轮机的转轮旋转，实现发电。然而，转轮在旋转过程中，需依靠转子完成；转子在持续地旋转运行过程中，会发生各类故障［1］，例如换向器损坏、轴承以及转轮叶片损坏、转子绕组烧毁等。通常情况下，水轮机的安装使用均是在地下，且由于转子是位于水轮机的内部，在对维修人员和学生进行培训时，只能以理论知识为主，现场实地参观和学习则存在一定难度，导致在学习理论时无法深入了解其内部结构和故障查看，直接影响培训效果。基于此，模拟系统成为解决该问题的常用方法，其能够解决时间和空间以及实际环境的影响，通过三维虚拟技术实现水轮机转子的建模以及故障模拟和诊断，并且通过三维交互使学习者能够身临其境感受水轮机转子的运行情况、故障情况以及故障诊断［2］，大大提升了培训效率和效果。虚拟仿真（Virtual Reality，VR）是构建模拟系统的主要技术，其可实现真实系统的模仿，也理解成一种计算机系统，该系统能够实现虚拟世界的创建和体验，用于能够依据视觉、听觉和触觉等多感官与虚拟世界之间进行交互。为实现虚拟交互培训，曾宇等［3］和陈志鼎等［4］分别基于VRML 和数字孪生技术提出相应的仿真系统，用于完成虚拟交互培训。但是上述系统在模拟过程中，没有针对模型的色彩实行调整。

为实现更好的水轮机转子故障培训虚拟交互效果，本文设计基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统，该系统在实行水轮机转子实体三维建模以及虚拟交互过程中，分别结合色彩因素以及交互可信度完成，因此，能够保证更佳的转子建模以及交互效果。

1 水轮机转子故障模拟系统

1.1 系统架构

基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统，主要包含基础层、应用层以及管理层，其结构如图1所示。

基础层：该层包括远程控制服务器、数据存储服务器、网络交换机、网络接口、以太网等。主要用于水轮机各类数据的存储以及为系统三维建模等应用提供数据依据以及数据传输。

应用层：该层分为三维建模模块、在线仿真模块、故障诊断模块。其中三维建模模块中主要以VRP 建模控制程序为核心，控制系统的整个水轮机转子三维实体模型的构建，并且该模块中同时部署视觉注意机制，用于完成转子模型的色彩优化；在线仿真模块则是作为培训使用的模块，可进行模型仿真、结果分析、培训报告等；故障诊断模块则是完成构建的水轮机转子的故障诊断，向虚拟场景内的人员提供直观的故障情况。

管理层：该层主要完成系统的可视化，水轮机转子故障的模拟结果均在该层呈现。主要包括含VRML 交互机制、Java 小应用程序、显示界面、移动设备、网络接口、服务接口、鼠标设备等，实现逼真的沉浸式虚拟场景交互［5］；除此之外，该层中部署虚拟交互可信判断模型，以此保证多个交互对象在相同的虚拟环境中时，保证共享、并发交互的一致性。

系统的基础层通过网络接口以及交换机等设备将水轮机转子的基础以及故障等全部相关数据传送至应用层，为水轮机转子的三维建模提供数据依据；应用层以基础层传输的数据为依据，实现水轮机转子的三维建模，并基于视觉注意机制优化模型色彩；并且，在通过在线仿真模块向学员展示水轮机转子的详细情况，同时依据转子的三维模型实现其故障诊断后，其传送至管理层，呈现水轮机转子模型的故障情况，实现模拟，学员可通过浏览器或者移动设备进行转子故障模拟交互［6］。

1.2 基于虚拟仿真的水轮子转子三维建模

1.2.1 虚拟现实VRP建模控制程序

本文在对水轮子转子进行三维建模时，主要采用虚拟现实VRP 三维虚拟现实控制程序完成，其模块功能划分清晰、操作便捷，能够较大程度提升建模效率；并且该控制程序能够与3ds Max 充分结合，保证建立的虚拟现实模型具备极高效果。该控制程序结构如图2所示。

VRP 三维虚拟现实控制程序中，包括多种虚拟现实软件，通过软件之间的相互结合实现水轮子转子三维建模控制；该程序自带脚本编辑功能，能够为不同的用户需求提供不同的服务，当交互较为复杂时，可通过编程接口进行编程，完成复杂的交互处理。

1.2.2 基于3ds Max的水轮子转子实体建模

三维建模是系统的基础，能够构建系统所需的仿真对象；且构建的水轮子转子三维模型的精确程度对场景和系统的模拟效果存在直接关联和影响。由于3ds Max能够与VRP三维虚拟现实控制程序充分结合，且3ds Max 在建模过程中能够完成水轮机转子实体建模、属性建模以及场景建模，同时能够更好地刻画和描述转子的几何形状、材质属性、转子的动态和静态属性以及空间的布局；文中采用3ds Max 完成水轮机转子实体三维建模。

水轮机转子实体建模时，需以实物为参照，并收集其相关的材料和数据，建模时按照整体到局部的过程完成，保证转子的各个细节刻画清晰，详细建模步骤如下所述：

（1）构建水轮机转子的基础模型，以设备的实际形状和相关数据为依据，通过几何建模方法完成，在该过程中，需根据模型在仿真过程中的动作情况［7］，确定模型为动态还是静态。

（2）对转子模型实行精细化编辑，采用3ds Max 中各类编辑工具完成，确保模型的细节与真实设备一致。

（3）对精细化编辑后的模型实行材质渲染［8］，其通过材质球完成，对转子模型的基本材质、漫反射、光亮度以及贴图等进行材质设置，完成转子模型的初步形成，在此过程中，渲染的效果会对最后形成的场景真实度造成直接影响。

（4）对初步形成的转子模型进一步处理，将冗余的部分实行删除处理，并通过视觉注意机制，实现模型色彩的调整优化，完成转子的三维实体建模和优化，并且可以此保证系统能够高效运行。

（5）采用3DMaxOSG 模型浏览插件对构建完成转子模型进行导出，使模型满足OpenSceneGraph 应用程序接口调用的统一格式，并以模型的所属类型将其存储至对应的实体模型库中。

转子三维实体建模整体流程如图3所示。

图3 模型构建流程Fig.3 Construction process of the model

转子实体三维模型在构建过程中，为实现模型颜色的调整，以视觉注意机制完成模型颜色的调整。转子三维模型的构建是由多个元素构成［9］，其数量用m表示，模型的第i个和第j个元素分别用ci和cj表示，两者之间的色彩对比度（即色差）用Cij表示，其计算公式为：

式中：Ak表示相对重要程度均表示亮度值，分别对应ci和cj两种元素；a*和b*表示两种色彩通道，ci和cj在a*和b*的色彩通道值分别用和表示。

元素i和j的色彩对比度和相关程度两种矩阵分别用C和O表示，如果转子的三实体模型的组成元素之间具备较高的相关性，则在较近的位置设定Cij值较小的元素，避免模型构建后的视觉色彩过于杂乱；反之，在较近的位置设定Cij值较大的元素，提升模型的视觉效果。元素i和j的色彩模型计算公式为：

式中：oij表示元素i和j的相关程度；φ表示判断值，用于元素相关程度大小的划分；dij表示元素i和j距离。

依据公式（2）即可完成转子三维实体模型的色彩调整。

1.3 基于虚拟场景的水轮机转子故障模拟交互

本文系统在实行交互过程中，采用VRML 交互机制完成水轮机转子故障模拟交互。该机制是一种跨平台的虚拟现实建模语言，其能够增加交互过程中的真实性和沉浸感；并且，依据该系统的在培训时需要满足移动终端浏览器的应用需求以及水轮机转子的动态特性，结合Java 小应用程序（Java Applet），实现浏览器页面的加载，可通过浏览器完成Java 程序的调用，交互实现结构如图4所示。

图4 交互结构Fig.4 Interactive construction

VRML 交互机制结合Java Applet 在实行交互时，VRML 交互机制采用传感器节点完成用户在虚拟场景中位置的感知，获取水轮机转子故障三维模拟［10］；Java Applet 则具备用户交互所需的控件，即仿真控制引擎，其可对水轮机转子动态参数实行控制，并且该引擎能够将基础层中存储的水轮机转子的相关数据传送至虚拟模型中，同时与VRML 相连接，通过场景的驱动实现水轮机转子的动态生成，并完成场景交互。

1.4 水轮机转子故障诊断

为了完成人员培训模拟以及故障诊断，在完成水轮机三维实体建模后，需要在故障模拟交互过程中，完成水轮机转子故障诊断［11］，向场景内的学习人员提供转子的故障情况。本文采用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）进行水轮机转子故障识别；SVM 的诊断原理是建立最优分类面后，使其与各个样本之间的间隔最大。转子故障诊断的详细步骤如下所述：

设{(xi，yi)|i=1，2，…，n；xi∈Rd}表示学习样本集，其中xi表示水轮机转子的三维实体模型图像有效特征组合，yi表示转子故障的期望分类结果，且yi∈（-1，1）。

依据类间隔最大化目标，求解最优分类面H，其求解公式为：

式中：C和ξi均表示因子，前者对应惩罚，后者对应松弛；ϕ(⋅)表示核函数，2/‖ω‖表示间隔，对应两个类别之间。

为获取最优的分类面函数，需将公式（3）的优化问题进行转换，使其形成对偶问题，该转换采用拉格朗日函数函数，其公式为：

式中：αi表示乘子；ω.xi+b=0表示分类面方程；对ω、b以及αi实行偏微分求解，使其等于零，结合公式（4）的约束条件，对公式（5）实行二次优化，经过求解获取最优分类面函数，其公式为：

2 测试结果和分析

为测试本文系统的应用效果，将其用于某水电厂人员培训与转子故障诊断中。采用本文系统对水轮机转子实行三维实体建模，获取三维实体模型，以此衡量本文系统的可行性，建模结果图如图5 所示。由图5 可知，本文模型能够依据实际水轮机设计图完成水轮机三维实体模型的构建，并且可全方位查看模型情况，具备仿真模拟的可行性，能够为人员的培训提供仿真三维模型。

图5 三维实体模型构建结果Fig.5 Construction rsult of three-dimensional model

为测试本文系统的三维模型构建效果，对图5 中的实体模型实行材质渲染，并通过视觉注意机制对模型的颜色实行调整和优化，获取优化后的水轮机组和转子三维模型，结果如图6所示。由图6可知，本文系统具备良好的色彩优化效果，可赋予水轮机不同组成元素不同的颜色，并且色彩效果饱和度较好，是由于本文系统在三维实体建模过程中，采用VRP 三维虚拟现实控制程序和3ds Max 完成，并且在建模完成后，基于视觉注意机制对模型的色彩实行优化，实现模型的颜色调整，能够保证模型的整体颜色饱和度。

图6 色彩优化后的三维实体模型Fig.6 Three-dimensional model under color optimization

本文系统在进行水轮机转子故障交互前，需对故障进行模拟和诊断，为学员提供逼真的故障检测场景，因此，需保证本文系统能够准确完成故障诊断。测试本文系统的水轮机转子故障诊断效果，获取本文系统在水轮机转子的三维实体模型图像有效特征不同数量下，故障的诊断结果与期望诊断结果直接的差距，结果如图7 所示。由图7 可知，随着模型中有效特征数量的逐渐增加，本文系统均能够完成转子故障的诊断，特征数量的增加对于诊断结果造成明显影响，诊断结果均高于期望结果。因此，本文系统具备良好水轮机转子故障诊断效果，为故障模拟提供可靠支撑，向学员呈现准确的故障结果。

图7 故障诊断结果Fig.7 Result of fault diagnosis

为判断本文系统的水轮机交互效果，登录系统进入交互界面，获取交互现实效果，结果如图8 所示。由图8 可知，本文系统具备良好的虚拟交互效果，学员登录后，可通过相关的操作实现场景交互，并且可全面获取水轮机整体模拟结果以及其组成架构信息，并且获取点击转子部件，显示转子的详细的信息，全面了解水轮机转子知识；在该交互过程中，可同时支持多人共享、并发学习或者单独学习。

图8 水轮机虚拟交互效果Fig.8 Interactive result of hydraulic turbine

为衡量本文系统的虚拟场景交互性能，以交互可信度作为衡量标准，测试本文系统不同共享交互人员数量下，随着仿真时间的逐渐增加，交互可信度的结果变化情况（期望结果在0.90 以上），结果如图9 所示。由图9 可知，在不同的共享交互的人员数量下，随着仿真时间的逐渐增加，可信度发生较小的幅度变化，但是整体交互可信度结果均在0.92 以上。因此，本文系统具备良好的共享、并发交互性能，能够满足人员数量较多的培训应用需求。

图9 交互可信度测试结果Fig.9 Testing result of interactive credibility

3 结论

水轮机是水电站在水力发电中的主要设备机组，其转子会发生不同的故障，由于水轮机的工作环境条件限制，水电站在对维修人员进行培训以及故障诊断时存在较大难度，因此本文设计基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统，用于完成转子故障的诊断模拟，通过逼真的虚拟场景实现与人员之间的交互，提升培训效果。测试结果表明：本文系统具备良好的水轮机转子三维实体建模效果，能够保证模型较佳的视觉色彩效果，并且能够准确提供转子故障信息，支持共享交互，提升培训效果。