水轮发电机组虚拟检修平台设计与应用

张彬桥，张松甲，李述喻

（1. 梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

水轮发电机组检修是保障水电站主设备安全稳定高效运行的重要手段。但水轮发电机组造价昂贵且安装拆卸流程复杂，设备检修和调试工艺的传授和掌握殊为不易，传统培训方式受限于场地、设备和时间等条件限制，很难开展真实完整的机组检修实操训练，不利于学员实践能力的培养。在人工智能、虚拟现实等新一代信息技术支持下，虚拟学习空间、在线实验平台相继涌现，正在打破传统教育时空和学习方式局限［1，2］。作为在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、可视化物理世界的虚拟仿真技术具有虚实共生、实时交互和深度建模等优势，非常适用于在线培训教学环境构建。因其安全可控、无破坏、可重复、沉浸式、虚实融合、机理可信等特点而非常适合高危极端环境下不可及、不可逆或破坏性操作，及高成本、高消耗、大规模实验场景，可作为机组检修等复杂系统仿真培训的有效载体［3］。

近年来，虚拟现实技术在复杂系统仿真培训领域得到广泛应用［4，5］。张嘉鹭等［6］基于Unity3D 引擎和3dsMax 建模技术，构建了高铁列车检修仿真系统以满足高铁列车检修实验教学需求。丁毓峰等［7］以常用机电产品为例开发了网页端的虚拟拆装系统，实现了机电产品运行原理与拆装步骤的动态化演示。Ouyang 等［8］基于Unity3D 搭建了化学工程虚拟实践平台，培养学生在线实操和突发事件应急处理能力。贾春洋等［9］将虚拟现实技术引入变速箱装配培训教学当中，有效提升学员学习效率，培训效果显著。

在水电站、水轮发电机组虚拟仿真培训领域，何新颖等［10］利用VRP 三维引擎实现水电机组开停机交互试验。魏佳芳等［11］以轴流式水电机组为例，基于Director 技术实现了机组检修知识三维动画演示。詹平等［12］将虚拟现实技术和BIM 数据结合，实现抽水蓄能电站厂房可视化及设备交互操作。阚阚等［13］基于3dsMax 和三维引擎软件建立混流式水轮发电机组虚拟检修及信息管理平台，实现机组检修过程动态演示和三维可视化管理。这些探索与实践为水电站三维数字化检修奠定了一定基础，但总体而言检修建模深度和模型通用性、可交互性不足，难以达到水电机组检修拆装和调试实验要求。特别是对机组检修中常见的非确定性检修操作步骤准确度评价考虑不足，难以形成检修流程的自主学习闭环。以三峡电站混流式水轮发电机组为实验对象，通过3dsMax软件建立标准化元件级三维检修模型，并基于Unity3D 引擎开发通用模型控制技术，构建高交互性水轮发电机组虚拟检修和调试实验平台，同时基于AHP-模糊综合评价法与检修元件物理空间约束解决检修拆装过程中非确定性步骤准确性评价问题，有效提升了水电机组检修培训效率。

1 水电机组虚拟检修平台体系架构

1.1 功能架构

水电机组虚拟检修平台核心功能包含检修知识三维可视化系统、检修过程三维交互式实操系统、检修技能在线考核评价系统3大模块，具体功能架构如图1所示。

图1 虚拟检修平台功能架构Fig.1 Functional architecture of virtual maintenance platform

（1） 检修知识三维可视化。本模块将文本化的机组检修知识以三维可视化形式呈现给培训学员，并基于机组设备三维漫游功能为学员提供主要元件检修知识索引。检修知识主要包括从检修施工和运行管理中积累的规程图纸、技术规范、安装维护手册甚至专家经验等结构化或非结构化文档中提取的设备结构特点、工作原理、拆卸安装步骤、检修工艺流程、检修要点等。

（2） 检修过程三维交互实操。本模块参考真实环境下的检修过程，创建相似的机组三维检修虚拟现实场景，并按照检修规程规定的检修工艺流程，在虚拟场景中进行交互式检修拆装和设备调试实验，将检修知识内化为实际操作能力。实验过程中可以给出操作知识和正误提示。

（3） 检修技能在线考核评价。本模块提供基于检修任务的技能考核鉴定功能。通过在线实操完成指定检修实验任务，以及实时智能评测算法，对检修操作进行正误评测和优劣判别，实现自动评分和技能考核鉴定。

1.2 技术架构

水电机组虚拟检修系统采用基于Unity3D 引擎的通用模型控制技术，结合3dsMax建模技术建立元件级检修拆装标准化模型，以C#脚本驱动虚拟模型结构动态展示和交互操作。检修模型可发布为桌面应用或WebGL等多种模式，提供在线的大规模并发访问。

具体技术实现上，首先根据机组检修的设备结构要求，使用3dsMax 软件对机组元件进行分层建模并进行模型简化处理和VRay 渲染器渲染出图。采用关键帧动画技术创建检修拆装演示模型动画，并通过Audition软件对动画进行内容配音讲解，最终生成fbx 文件导入Unity3D 形成虚拟检修场景。在Unity3D引擎支持下，可实现机组检修系统人机交互界面及机组三维模型动态操控，包括系统UI交互、设备三维漫游、模型三维空间选取和拖拽等功能。在三维漫游时通过鼠标和键盘两种操作方式实现第一人称视角转化，并实时进行碰撞检测，避免穿模。在检修拆装时可通过射线检测技术精确定位选取待拆装元件设备及空间位置，并进行设备拖拽时运动轨迹控制。机组虚拟检修平台技术架构如图2所示。

图2 虚拟检修平台技术架构Fig.2 Technical architecture of virtual maintenance platform

2 虚拟检修平台开发流程和关键技术

2.1 机组检修三维模型开发

采用适合于虚拟仿真的三维建模软件3dsMax 进行机组元件级三维标准化建模［14］，并经渲染和轻量化处理后导出到Unity3D 控制引擎中。3dsMax 中机组三维检修模型开发过程可分为5步，如图3所示。

图3 3dsMax三维建模流程Fig.3 3dsMax 3D modeling process

（1） 收集资料。包括机组检修规程、工艺流程图、零件图纸、纹理图片等资料，用以确定水电机组各零部件尺寸、物理约束关系、外观特性等。

（2） 统一3dsMax 设置进行分层分块建模。由于水电机组结构复杂，且含有许多不规则零部件，为提高建模效率和模型检修工艺适配度，将模型按统一标准分层分块［15］，从简单模型入手，通过FFD、车削、挤出、多边形数量增减等方法构造复杂模型，最终将各模型分层组合为整体模型。

（3） 模型轻量化处理。为减少模型体积和电脑资源占用，提高显示速度和交互体验，在建模过程中可采用3dsMax优化器对部分模型进行轻量化处理。如对近似的螺帽螺栓可以采用装饰螺纹线的方式构建轻量化模型。

（4） 模型渲染。为水电机组三维模型添加材质，设置摄像机参数和灯光，并由VRay渲染器渲染后生成正式模型图。

（5） 检修场景搭建。采用3dsMax 关键帧动画技术为机组检修流程设计拆装演示动画，完成检修流程的三维演示场景创建。同时采用Audition软件为检修工艺进行语音讲解适配。

在3dsMax 中制作的水轮发电机组完整三维模型多视图如图4所示。

图4 水轮发电机组三维模型Fig.4 Three dimensional model of hydro-generator units

2.2 基于Unity3D的模型交互操控

2.2.1 机组检修模型三维操控

机组检修模型的三维操控是实现虚拟检修平台交互式操作的关键，其核心技术包括基于Unity3D 引擎的模型精确定位选取［16］和拖拽位移技术及其他辅助技术。为增强虚拟检修交互操作自主性与真实感，研究并提出基于Unity3D 射线定位技术的通用元件模型拖拽式控制算法实现机组模型的三维检修拆装，如表1算法1所示。

表1 机组检修模型精确定位拖拽式控制通用算法Tab.1 General algorithm for precise positioning and dragging control of unit maintenance model

2.2.2 机组检修模型三维漫游

设备三维漫游是进入检修场景学习检修知识和进行检修实验交互操作的前提。为增强水电机组设备检修实验的沉浸感，采用第一人称视角漫游设备场景［17］，包括创建和加载场景、添加和移动视角、碰撞检测3个步骤。

创建和加载场景。根据检修任务创建厂房设备场景模型并导入到Unity3D 场景视图中。为优化机组虚拟检修模型加载和控制性能，可采用异步场景加载技术减少复杂检修场景切换导致的系统阻塞，保证渲染效果和运行速度平衡。

添加和移动视角。从Unity3D 的Characters 资源包中将预制体RigidBodyFPSController 加入场景视图，即可添加第一人称视角。采用键盘和鼠标两种方式控制视角移动。通过自动寻路技术实现视角自动向鼠标左键点击位置移动。

碰撞检测。为水轮发电机组各元件模型添加碰撞器组件，并挂载脚本监测碰撞事件，防止出现三维漫游时的“穿模”现象。

2.3 检修技能自动评分

检修操作自动评分的难点在于检修拆装顺序的非唯一性。需从检修步骤正误、检修移动距离、拆装工具变换次数、拆装方向变换次数等多方面综合评判检修技能。本文通过建立机组各拆装模式下零部件的物理空间约束矩阵来判断非确定性检修拆装步骤的正误，如表2算法2 所示。

表2 检修拆装操作步骤正误判别算法Tab.2 Correct and wrong judgment algorithm of maintenance operation steps

采用双坐标系计算水电机组检修过程中拆装方向变换次数。水电机组不同于常规电气设备，它具有一条圆柱形主轴，水电机组一些部件（如主轴密封部件）的拆卸与安装是以主轴为中心点做近似圆周运动。可基于水电机组模型特点建立直角空间坐标系O=｛+X，-X，+Y，-Y，+Z，-Z｝和圆周坐标系O=｛+A（正切向），-A，+B（正轴向），-B，+C（正径向），-C｝双坐标系，并约定两操作节点间方向每变化90。，“方向变换次数”加1。

对于拆装工具变换次数指标，约定若相邻两节点间拆卸工具不同，“工具变换次数”加1。

此外，对于水轮发电机组这类零部件繁多的大型设备检修，各项检修操作间人员移动距离也是重要评价指标。以三峡电站水轮发电机为例，其上机架外径23 400 mm，若要拆卸其固定螺栓，采用对角式拆卸将比采用顺时针或逆时针拆卸多出许多移动距离，从而浪费大量时间。若不考虑移动距离指标则导致二者评价结果相同。为简化计算，采用欧式距离计算两节点检修移动距离。

基于AHP-模糊综合评价法实现检修能力及准确度评价。以理论与实操测试的错误次数、检修移动距离、拆装工具变换次数、拆装方向变换次数作为评价指标，构造层次结构模型如图5所示。

图5 水电机组检修评测指标层次结构Fig.5 Hierarchical structure of evaluation indexes for maintenance of hydropower units

AHP-模糊综合评价法（FCE）判定培训学员检修测评成绩的流程如表3所示。

表3 AHP-FCE评测算法Tab.3 AHP-FCE evaluation algorithm

算法3 中矩阵A是指标层A对目标层Z 的成对比较矩阵、B-1 是指标层B｛B1，B2，B3｝对指标A1的成对比较矩阵、B-2 是指标层B｛B4，B5，B6，B7｝对指标A2的成对比较矩阵。

图6 中，x为各指标基准化的实际值，g1（x），g2（x），g3（x），g4（x），g5（x）分别为评价集中相应元素的隶属度函数，函数表达式如式（1）～（5）所示。以检修移动距离指标（B7）为例，若学员考核过程中的检修移动距离为1.13D，经隶属度函数模糊量化后，可得指标B7在评价集上的模糊向量［0，0.7，0.3，0，0］。

图6 三角隶属度量化函数曲线Fig.6 Triangle membership degree quantization function curve

表4 中，基准值S1、S2、S3是理论题各部分满分分值；基准值F1根据实操测试模型零件复杂度确定，如上机架部分F1设置为20；基准值F2、F3、D是以水电站检修规程中水电机组各组件检修工艺流程为标准所得的拆装工具变换次数、拆装方向变换次数和检修移动距离；a，b，c，d，e为各隶属度函数的界限值，如上设置参数值使得其每与基准值相差10%，下降一个评价等级，贴合实际。

表4 评价指标三角模糊函数参数表Tab.4 Evaluation index triangular fuzzy function parameter table

3 系统实现及应用

3.1 机组检修知识三维可视化学习系统

水轮发电机组检修可视化学习系统包括机组设备漫游、检修知识学习、拆卸流程演示和安装流程演示4 个模块。机组设备漫游模块采用三维虚拟漫游技术实现水电机组设备内外结构游历，同时为机组主要元件添加知识索引标签，点击模型或标签可进入相应元件检修知识学习模块，如图7所示。

图7 机组设备外部漫游界面Fig.7 External roaming interface of unit equipment

检修知识学习模块用于阐明水轮发电机组各主要部件结构、工作原理、检修标准、工艺流程和检修要点。以推力轴承为例，点击相应模型后的知识可视化界面如图8 所示。拆装流程演示模块是以三维动画与配音结合的方式呈现水轮发电机组拆卸与安装过程和工艺流程知识，其界面如图9 所示，设有快进、暂停、重播等功能。

图8 推力轴承学习界面Fig.8 Thrust bearing learning interface

图9 机组拆卸流程界面Fig.9 Unit disassembly process interface

3.2 机组检修过程交互实操及考核评价

机组交互式检修包括对水轮发电机组整体和各核心组件进行检修拆装和设备调试操作。在实操过程中，系统实时跟踪学员操作步骤并进行准确度判别。若操作错误，则以文本或语音等方式提示供其及时纠正。检修过程中可实时进行模型选择、缩放、旋转、视角转换等操作。以发电机定子检修为例，其拆卸流程如图10所示，交互式拆卸画面如图11所示。

图10 定子拆卸流程图Fig.10 Flowchart of stator disassembly

图11 机组检修训练系统界面Fig.11 Unit maintenance training system interface

机组检修技能考核及自动评分是水电机组虚拟检修培训的重要环节。通过Unity3D 引擎的UGUI 框架可实现理论试题和在线检修实操题的二维UI 界面、三维模型空间的有机集成。检修评测系统界面如图12所示。

图12 机组检修考核系统界面Fig.12 Unit maintenance assessment system interface

以主轴密封上环板1 的检修为例，将每瓣水箱盖板和密封环上起相同作用的螺栓视为一个拆卸节点，其部件结构及节点编号如图13 所示，以序列｛2，3，4，5，6，7，8，1，9，10，11，12，13，14，15，16，25，26，17，21｝作为检修基准，可得基准值F2=3，F3=2，D=16.4，并基于检修模型的复杂度设定基准值F1取20。

图13 检修模型结构Fig.13 Maintenance model structure

学员经仿真操作考核后生成工序｛7，8，1，2，3，4，5，6，14，15，16，9，10，11，12，13，25，26，17，21｝，工具变换3次，方向变换2 次，发生错误2 次，检修移动距离18.2。将上述指标值基准化后得到B4=0.1F1，B5=F2，B6=F3，B7=1.11D，并取理论题指标B1=0.08S1，B2=0.08S2，B3=0.08S3。基于隶属度函数计算各指标在评价集上的模糊向量得到评价矩阵Fm=［0.7，0.3，0，0，0；0.7，0.3，0，0，0；0.7，0.3，0，0，0；0，1，0，0，0；1，0，0，0，0；1，0，0，0，0；0，0.9，0.1，0，0］。基于成对比较矩阵A=［1，1∕4；4，1］，B-1=［1，1，1；1，1，1；1，1，1］，B-2=［1，4，5，2； 1∕4，1，2，1∕2；1∕5，1∕2，1，1∕3；1∕2，2，3，1］，采用AHP 计算公式得到权重矩阵WZB=［0.066 7，0.066 7，0.066 7，0.405 4，0.114 2，0.069，0.211 3］。将权重矩阵WZB与评价矩阵Fm进行矩阵相乘运算可得综合隶属度向量FZ=［0.323 3，0.655 6，0.021 1，0，0］，由最大隶属度原则，可知该学员此次考核取得成绩为“良”。若取工序为基准序列，检修移动距离B7=D，其他指标参数与学员操作工序相同，则综合隶属度向量为FZ=［0.534 6，0.465 4，0，0，0］，依据最大隶属度原则，可得评价为“优”。可见，基准序列的检修步骤更加合理。本方法综合体现学员理论知识水平与实际操作能力，对水电机组非确定性检修步骤评价有效。

4 结 论

基于Unity3D 引擎将虚拟现实技术与水电机组检修知识相结合，构建了水轮发电机组三维交互式虚拟检修培训平台。设计并实现了检修知识三维可视化、检修过程三维交互实操、检修考核自动评价三大功能模块，并提出基于AHP-模糊综合评价法与检修元件物理空间约束的检修步骤准确度评价算法，结合模型精确定位拖拽控制算法对实验过程的非确定性步骤进行自动化评价，实现了机组检修培训教学和自主学习闭环，为机组大规模标准化检修培训提供了新的方法和思路。