水輪發電機組虛擬仿真培訓系統研究

摘要：以三維仿真模型為基礎，開展水輪發電機組智能仿真培訓系統研究。利用Solidworks、數據庫、ASP.NET與服務器技術構建基于B/S結構的三維仿真培訓信息系統。利用C#構建信息系統的后臺，HTML、Javascript、Css實現前臺Web頁面顯示，將前臺與后臺聯系，借助Javascript二次開發Actify技術和智能語音合成技術對系統進行了詳細設計、開發，實現了水輪發電機組由實際三維空間向虛擬現實空間的轉化，提高學員的感性認知，深化了培訓效果。該系統已投入生產使用，用戶評價好。

關鍵詞：B/S構架；虛擬現實；水能發電機組；智能仿真培訓系統

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）27-0093-03

隨著各種大型、特大型水輪發電機組的陸續投產，大量訓練有素而且專業技術過硬的水輪發電機組運行和檢修人員越顯稀缺。同時，水輪發電機組的安全穩定運行對保證電力系統的安全性和穩定性具有重大的影響力[1]，也對水輪發電機組的運行和維護等相關技術人員提出了更高的要求。由于水輪發電機組系統規模的增大、機組的精密性、復雜性和先進性的提高，特別是隨著電廠“無人值班，少人值守”的不斷深入，導致水電廠工作人員數量在逐漸可控的減少，存在水輪發電機組運行維護和檢修相關技術人員因對機組不熟悉而導致的錯誤判斷或操作不當而導致水輪發電機組發生事故，造成人身傷害和經濟損失的可能性大大增加。[2]因此水電廠智能化和現代化迫切需要有一種現代化培訓方式，讓水輪發電機組的運行維護和檢修人員對水輪發電機組有一個全面、有效和系統的認知。三維仿真培訓是現代化的培訓工具的發展趨勢，其功能全面、性能優異，且具有很好的交互性，能夠完整地將所有被仿真對象的內部結構，運行規律逼真的展現出來。水輪發電機組運行維護和檢修相關技術人員可根據不同要求和標準通過三維仿真培訓系統得到自定義的培訓，這樣達到的效果更好、效率更高。三維仿真培訓系統也可在某種程度上作為水輪發電機組的運行參照系統應用，這樣就可進行水輪發電機組運行方式的比較，而且還可以做比較常見的一些事故的安全分析，從而對水輪發電機組的安全運行起到一定的指導作用。

一、系統總體框架和功能設計

系統采用B/S架構來設計水輪發電機組智能仿真培訓系統，以虛擬現實技術為指導思想，虛擬現實的技術就是通過計算機模擬生成一個與真實世界一致的三維虛擬世界，提供給用戶視覺、觸覺、聽覺等感官的真實體驗，讓用戶可以實時、自由地觀察三維虛擬世界內的事物。[3]圖1為系統的結構體系圖。系統整體軟件結構主要包括三大功能模塊：數據庫服務器層（數據核心層）、WEB服務器層（業務邏輯層）和瀏覽器層（接入層）。

數據核心層包括數據庫、系統結構和權限控制，是本系統對業務數據進行統一組織、集中管理的平臺，為WEB服務器層（業務邏輯層）提供規范、高效的數據服務，實現業務數據的充分共享，是這個系統的基礎。數據核心層中的數據庫是數據存儲的平臺，本系統數據主要是水輪發電機組的對象屬性及相關的三維模型、技術圖紙和技術文檔，還有各個零部件及裝配體的自定義拆裝相關數。

WEB服務器層（業務邏輯層）包括WEB服務器數據管理模塊和WEB服務器數據查詢模塊，是系統對數據進行管理和查詢的平臺。它通過對數據庫服務器層（數據核心層）服務的調用訪問業務數據，實現不同的功能模塊，滿足不同的業務需求。WEB服務器層還提供接口服務來完成本系統與外部系統的數據交換。整體系統硬件架構如圖2所示。

水輪發電機組智能仿真培訓系統主要功能模塊如圖3所示，其主要實現的功能為：機組設備及其零部件技術資料的整理，主要包括水輪機、發電機、大軸和過水系統；建立機組、設備總裝備及零部件分解的結構可視化模型，繼而建立機組拆裝流程仿真培訓；分類組織和整理機組的二維模型，為電子化查詢提供服務；提供水輪發電機組三維仿真培訓系統平臺，便于管理人員進行維護操作。

二、系統采用的關鍵技術

1.水輪機發電機組物理模型的構建

系統主要利用Solidworks和Actify SpinFire構建發電機組物理模型。Solidworks 強大的功能體現在通過拉伸、旋轉、切除、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作生成各種模型；支持多實體零件設計方法，增強了零件建模的靈活性；同時利用EXCEL軟件生成配置，從而自動地生成零件或裝配體；按照同心、重合、距離、角度、相切等約束關系形成裝配體等。[4-6，9]而Actify SpinFire為設備使用客戶及設備制造商提供了世界領先的2D/3D CAD設計交流協同解決方案，其主要特點為：

（1）無縫交流，即面向所有需要查看、評審設備模型的人員，使用者不需要安裝任何 CAD 系統即可擁有強大的3D 和 2D 可視化閱讀能力，快速打開并處理上百種CAD軟件生成的圖紙，大幅節省CAD軟件及客戶端硬件費用 。

（2）安全高效交流，即能將原始CAD文檔壓縮，使其大小減少90%后形成.3D標準格式文件，使CAD文件占用磁盤空間達到最小化，也方便了文檔的存儲和傳輸。

Actify SpinFire可直接讀取PMI（3D Annotation）信息，具有多種尺寸測量和批注功能（包含體積、表面積計算），可直接在2D/3D圖面上進行批注、尺寸標注、剖面分析、裝配分析、模型檢查等，無須設計修改原圖。它可以進行動態剖面切割狀態檢視并且可以規定坐標系統。可導出3D、JPG、BMP、EMF等檔案格式。

2.仿真系統開發平臺

仿真系統是在.NET平臺下應用Javascript二次開發Actify。.NET平臺是Microsoft公司用來實現XML、Web Services和敏捷性的技術。從應用的角度來講，.NET平臺是Microsoft提供的一個技術平臺，為敏捷商務搭建互聯互通的平臺。從技術的角度來講，.NET應用軟件是一個使用.NET Framework類庫來實現，并運行于Microsoft基于.NET平臺的公共語言運行時 Common Language Runtime之上的應用程序。

系統應用Javascript二次開發Actify，在Actify中模型內部結構是分層管理的。Actify提供了程序接口對每一個分層中的模型進行操作，技術人員通過Javascript調用Actify提供的函數接口操作水輪發電機組對象模型，Javascript對對象的操作依據水輪發電機組模型在Actify中的分層關系來逐級經行。于是便可以直接在Actify中得到水輪發電機組三維模型，并可以使獲得的三維模型運行在.NET平臺下的基于B/S架構的WEB頁面中，而且還可以使用Actify的程序員手冊模擬水輪發電機組運行時的工作過程，這樣實現的員工仿真培訓系統更容易讓學員接受，Javascript與Actify結合在三維仿真培訓方面具有強大的優勢。通過Javascript對Actify的二次開發可以直接通過網頁完全操作三維仿真模型。

三、智能仿真培訓系統的實現

智能仿真系統的效果的實現主要表現在三個方面，分別是對電站數據的管理、對水輪機可自由靈活地按要求定義拆裝步驟以及將定義的拆裝步驟演示出來。

電站數據的管理主要是實現對電站系統層次的管理，系統層次是用來組織軟件研究對象的各層級關系，本系統中的層級關系按照電站—系統—子系統—子系統—子系統，其中系統和子系統是可以自定義的靈活的對象劃分機制。主要包括方便快捷的實現對電站數據的添加、刪除和修改以及屬性查看。

拆裝定義主要用于具有相應權限的用戶自定義電站的三維模型的拆卸和安裝過程。當進入相應的查詢視圖選中要進行拆裝定義的設備，頁面會顯示四個區域，分別是設備樹區、設備模型區、模型樹區和拆裝定義區。圖4是以上機架為例的拆裝定義頁面。設備樹區是用來顯示電站的層級關系，如電站—機組—系統—子系統。設備模型區用來展示當前設備的三維模型，以及進行拆裝的過程中拆裝過程的展示。模型樹區用來顯示當前設備的內部屬性結構，如上機架的模型樹包括上機架零件、支撐桿、上機架蓋板和梯子等。拆裝定義區用來定義在模型樹區域中選擇的設備的子零件相對設備的平移、旋轉信息，并將定義的數據存入數據庫中。

圖5為拆裝定義區的局部放大圖。拆裝定義區又可細分為五個部分，分別是步驟顯示區、定義子零件相對當前設備沿x、y、z軸位移的模型平移定義區、定義子零件相對當前設備的X、Y和Z方向上的法向量旋轉的角度的模型旋轉定義區、記錄當前步驟作用與目的的詳細信息區和包括播放、執行、后退、保存四個按鈕的執行區。拆裝演示用來展示已經定義好的步驟，通過點擊查詢視圖功能選擇區的“拆裝演示”即可進入拆裝演示查詢頁面。圖6為上機架拆裝演示頁面，包括設備樹區、設備模型區、信息顯示區和播放控制區。信息顯示區用來顯示當前步驟中的以下詳細信息，比如平移量、旋轉量和當前步驟拆裝描述。播放控制區包含單步播放和連續播放，單步播放用于一步一步顯示已定義的拆裝過程；連續播放用來連續顯示拆裝過程。在連續播放過程中，通過點擊連續播放按鈕可使連續播放按鈕在播放和暫停之間進行切換。在播放的同時，系統會自動將拆裝定義中輸入的定義的每一步驟中的文字描述合成為語音流提供給用戶。

四、結束語

設計的智能仿真培訓系統是一個集成信息管理系統，由四個重要模塊組成構成，它們是：網站、數據庫管理模塊、三維仿真模型模塊和智能語音合成模塊。學員只需要通過IE瀏覽器訪問網站即可獲得各種服務，系統具有如下特點：

1.易于安裝

因為本系統是基于B/S架構構建，只需要在水電廠的服務器部署本系統即可，學員只需要借助瀏覽器訪問培訓系統，就能夠達到參與水輪發電機組運行和檢修培訓的目的。[7，8]

2.易于使用

學員不需要為了接受水輪發電機組的培訓而先進行系統使用方法的培訓，只要會通過IE瀏覽器瀏覽網頁就可以順利地使用培訓系統。簡潔、明了的用戶操作界面是本水輪發電機組培訓系統的一大特點。

3.高效性

借助于互聯網技術，打破地域、時間的限制，使水輪發電機組培訓可以在任意時候任意地點進行，避免了因為培訓場地、培訓時間等原因造成的水輪發電機組培訓的延誤，可以讓參訓學員自由的安排培訓時間，更好地提高學員的學習效率。[10，11]

4.通用性

在本系統中，不同的水輪發電機組可以根據自身的實際情況制定水輪發電機組培訓流程。避免了將整個培訓流程固化，導致培訓系統通用性降低。

5.完整的知識庫

隨著科技發展，大型水輪發電機組的結構日趨復雜，要求每個水輪發電機組運行維護技術人員完全掌握水輪發電機組的全部知識，因此需要對水輪發電機組的全部知識進行詳細整理。查閱和學習水輪發電機組每個部分所對應的模型，圖紙和技術文檔成為學員培訓期間必不可少的內容。本系統完整的知識庫包含了水輪發電機組所有的零部件三維模型、技術圖紙和技術文檔，并在內部通過一定的邏輯對整個知識庫進行分類整理。學員通過查看知識庫可以深入觀察水輪發電機組的內部結構特征的空間相對位置關系，從而對水輪發電機組有全面直觀明了的認知。

6.智能語音

將每個用戶自定義的水輪發電機組關于檢修和認知培訓的動態過程分類存儲起來，方便學員進行自定義的培訓，并能有效運用語言或文字將水輪發電機組運行和操作的各個過程表達出來，即自定義的過程中培訓操作的每一個步驟說明能準確地用語音朗讀出來，便于學員理解。

本智能培訓系統目前已應用于實際水電廠培訓中，用戶反應良好，可擴大范圍推廣，從而促進我國水電培訓領域的發展。

參考文獻：

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[11]Wei Dong，Huang You-Qun.Research of visual of virtual scene based on VRML[J].Xitong Fangzhen Xuebao/Journal of System Simulation，2005，17（15）：72-74.

（責任編輯：王祝萍）