抽水蓄能電站發電機檢修工藝流程可視化系統的實現

沈斌，黃賢榮

（1.天荒坪抽水蓄能有限責任公司培訓部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江蘇省南京市 210061）

抽水蓄能電站發電機檢修工藝流程可視化系統的實現

沈斌11，黃賢榮2

（1.天荒坪抽水蓄能有限責任公司培訓部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江蘇省南京市 210061）

本文介紹了虛擬仿真技術首次在抽水蓄能電站檢修工藝流程可視化的應用策略，希望能借此對抽水蓄能電站的檢修培訓起到一定的借鑒作用。

抽水蓄能電站；檢修；工藝；流程；可視化

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，電網峰谷差逐漸拉大，抽水蓄能機組的靈活啟動和事故備用對降低電網峰谷差、提高經濟效益及安全穩定性起到了舉足輕重的作用。目前，國內抽水蓄能電站的計算機監控系統大多是引進國外產品，如ABB、西門子、阿爾斯通等大公司開發的監控系統在國內抽水蓄能電站中有著廣泛的應用，為抽水蓄能電站實現“無人值班，少人值守”的先進管理方式提供了良好的支持，但其檢修維護培訓系統僅僅是建立在其基礎上的初級培訓系統。抽水蓄能機組一般有停機、發電、發電調相和抽水、抽水調相等5種穩定運行工況，工況多，轉換復雜，僅常用的工況轉換就有十多種，電氣主設備、重要輔助設備的操作則更多，而且信息量大，控制復雜，這些是廠家自帶的培訓系統無法全面仿真的。國內抽水蓄能電站正成規模地投入商業運行，新出校門的運檢人員也正成建制地進入抽水蓄能生產運行的重要崗位。由于上述條件的限制，運檢人員無法得到全方位的模擬培訓，這對現場事故處理工作不利。

計算機仿真培訓系統是在計算機上建立過程仿真培訓模型，通過模擬實際的工作環境，以進行人機接口試驗與培訓，實現對系統進行正常的啟動、停止和不同工況下的事故處理的演練，以提高操作人員的技術素質與綜合處理能力。

1 檢修工藝開發的意義

對于抽水蓄能電站發電機的檢修工作，由于設備種類繁多、結構復雜、涉及專業工種多，對檢修工藝以及檢修人員的專業技術素質要求較高，尤其是對于機組數量較多的電站，為了確保檢修工作的快速、高質量完成，在專業檢修技術人員有限的情況下，檢修任務與檢修壓力較重，這也為機組的安全、穩定運行留下了潛在的事故隱患。因此，如何在較短的周期內有效提高發電機檢修人員技術水平，保障檢修工作的順利開展，是保障抽水蓄能電站獲得長期持續經濟效益的重要條件。

天荒坪抽水蓄能電站自建成投運以來，作為大型示范性抽水蓄能電站，先后在全國范圍內承擔了多項抽水蓄能電站員工的培訓任務，積累了大量的培訓經驗。同時，相比其他抽水蓄能電站水輪發電機組，天荒坪抽水蓄能電站機組具有許多獨特之處，機組檢修也具有明顯的典型性，在發電機檢修工藝流程方面也積累了大量的經驗，能夠發揮自身專業技術優勢，有效承擔抽水蓄能電站機組檢修技術培訓工作，帶動發電機組檢修技術水平的提高，并轉化為實際生產力。

目前，電廠對檢修人員的培訓長期以來一直以現場實習和理論培訓為主，培訓手段主要有理論授課、實際操作講解、指導下的操作訓練等，授課所使用的媒體也通常為圖紙、教科書、講義等。這種培訓方式不僅使檢修人員受到電站檢修周期、實施培訓的人力資源、現場培訓安全性等局限，而且在培訓內容和培訓深度上也難以達到實際工作的要求。同時，檢修培訓中還存在以下問題：

（1）技術技能傳授者水平限制了職業技能人才的培養。

（2）技能人員理解水平和學習能力限制了人才隊伍的成長擴大。

（3）檢修工作性質對檢修人員培訓工作的開展造成一定制約。

（4）設備的種類繁多限制了檢修人員技術技能培訓工作的開展。

（5）檢修人員水平參差不齊，對設備安全水平造成不利的影響。

上述不足之處在很大程度上降低了培訓效果和效率，此外，不同的培訓人員對抽水蓄能安全教育理解的差異，使得培訓結果也存在一定差異，造成檢修人員對檢修工作的認識和理解存在較大的差異，這在很大程度上限制了技術培訓效果和效率。近年來，隨著計算機技術、仿真技術等先進技術的快速發展，三維仿真及虛擬現實等表現技術的出現為抽水蓄能機組檢修工藝培訓工作提供了一種非常有效的輔助手段，能夠有效彌補傳統培訓方式方面的存在的缺陷，極大地提高培訓的效果和效率。

天荒坪抽水蓄能電站機組檢修工藝流程可視化系統開發，將填補國內抽水蓄能電站機組檢修培訓領域的空白，突出解決機組檢修知識與相關技術設備紛繁復雜、難以全面開展培訓的問題。系統的投入使用將提高檢修人員的仿真培訓效果，提高檢修人員的綜合業務技能，大幅提高培訓質量和培訓效率，最終實現良好的經濟、社會效益。

目前在建與已投運的抽水蓄能電站，在機組檢修工藝流程、拆裝、檢修工具、注意事項等方面基本相似，因此，通過本項目的研究和開發，針對抽水蓄能電站發電機檢修技術培訓工作，利用先進的三維動畫技術、虛擬現實技術、計算機技術及數據庫技術等，結合抽水蓄能電站發電機檢修技術知識及相關規范標準，研究開發發電機工藝流程可視化系統，對于本電站以及其他抽水蓄能電站相關人員的檢修培訓工作，具有較強的通用性以及重要的推廣價值，并產生可觀的經濟效益和社會效益。

項目研發完成后，通過集中培訓與強大的遠程網絡培訓等多種方式，天荒坪抽水蓄能電站培訓中心將更加有效地避免培訓力量薄弱的影響，彌補培訓工作受時間地點的限制，充分發揮天荒坪抽水蓄能電站自身特長和豐富經驗，更加高效地承擔發電機檢修工藝相關培訓工作，提高國家電網公司抽水蓄能電站機組檢修技術水平，保障抽水蓄能電站安全、穩定、經濟運行。

2 國內外研究水平綜述

可視化系統開發將以數字三維虛擬仿真為主，結合各系統的原理、信息技術以及仿真應用領域的有關專業技術為基礎，將計算機圖形學（CG）、計算機圖象學（CP）、仿真學等多種科學技術融合起來，以計算機系統、與應用有關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統進行研究的一門多學科的綜合性的技術。三維動畫軟件在計算機中首先建立一個虛擬的世界，設計師在這個虛擬的三維世界中按照要表現的對象的形狀、尺寸建立模型以及場景，再根據要求設定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其他動畫參數，最后按要求為模型賦上特定的材質，并打上燈光。當這一切完成后就可以讓計算機自動運算，生成最后的畫面。由于其精確性、真實性和無限的可操作性，三維動畫技術模擬真實物體的方式使其成為一個有用的工具。

20世紀90年代初出現的虛擬現實技術又稱VR技術，代表了多媒體技術發展的更高水平。VR技術是把計算機從善于處理數字化的單維信息改變為善于處理人所能感受到的、在思維過程中所接觸到的、除了數字化信息之外的其他各種表現形式的多維化的信息空間，在定性和定量相結合、感性認識和理性認識相結合的綜合集成環境，給人們逼真的體驗；為人們探索宏觀世界和微觀世界中不便于直接觀察的事物提供了極大的便利。

三維實景系統具有以下典型特征：

（1）經過透視處理模擬三維實景，沉浸感強，給操作者帶來身臨其境的感覺。

（2）數字全景圖像，立方體全景顯示，與球型全景相同，可以看到場景的任意角度。

（3）可以從各方向移動觀看場景，以達到模擬和再現場景的真實環境效果。

（4）系統提供各種操縱功能，通過鼠標或鍵盤進行人機互動，交互性強。

（5）可與培訓知識內容相交替，達到學習和實踐相結合的目的。

基于三維仿真技術上述典型特點，近年來，被廣泛應用于醫學、教育、軍事、娛樂等諸多領域。在影視廣告制作方面，這項新技術能夠給人耳目一新的感覺，因此受到了眾多客戶的歡迎。三維動畫可以用于廣告和電影電視劇的特效制作（如爆炸、煙霧、下雨、光效等）、特技（撞車、變形、虛幻場景或角色等）、廣告產品展示、片頭飛字等。虛擬現實技術作為體驗感強烈的新技術，主要用于三維游戲開發等對人機互動有較高要求的行業領域中。在航空飛行行業，法國達索公司開發了一系列三維仿真虛擬互動平臺，用于航空領域的系統開發與培訓；在設計制造行業，三維仿真技術被廣泛應用于機械制造、設備加工、模具設計等方面，并用于復雜的機械結構及工藝開發相關培訓系統；在城市規劃與建筑行業，結合三維仿真與虛擬互動技術開發完成的用于三維城市地圖、三維建筑實體漫游、三維互動體驗等應用系統也非常多；此外，在文化、游戲等產業內，三維仿真及虛擬現實技術得到了多方面的應用。

然而，在水電站及抽水蓄能電站工程領域內，由于專業性強、專業知識要求較廣、設備種類繁多、結構復雜等特點，仿真技術與抽水蓄能機組檢修技術培訓一直沒有得到成功有效的結合應用，目前水電站及抽水蓄能電站相關發電領域中，已開發完成的三維仿真展示培訓系統相對較少，尚處于初步階段，對于抽水蓄能發電機工藝流程，具有三維仿真與互動操作培訓功能的應用系統還未見。

國外發達國家水電及抽水蓄能開發熱潮多集中在20世紀中后期，計算機及仿真技術尚未發展成熟。目前，隨著計算機及仿真技術的日益成熟，國外發達國家水電及抽水蓄能的開發已基本進入尾聲，其行業技術水平相對較落后，仿真技術未得到有效的應用。國外其他國家抽水蓄能電站建設管理水平相對國內較為滯后，大型抽水蓄能電站建設較少，將三維仿真及虛擬現實技術與行業技術相結合的抽水蓄能電站機組檢修仿真系統極少。國內將三維動畫仿真及虛擬現實技術與抽水蓄能電站機組檢修知識技術相結合形成的發電機工藝流程仿真系統尚無公開報道。

3 項目的理論和實踐依據

發電機檢修工藝流程可視化系統是利用計算機圖形圖像學，在三維數值算法的基礎上，采用點、線、面組合構成空間實體的基本形狀，同時采用RGB等圖形算法模擬顏色，形成具有色彩視覺的實體造型。此外，考慮光線明暗度等因素，綜合發展而成的采用多項先進計算機技術、數值計算技術、圖形圖像原理的專門技術。此外，利用實體的三維坐標實時轉換、實時渲染、物理特性模擬等方法與技術，允許用戶在計算機上進行實時互動操作，得到與現實情況幾乎一致的互動操作體驗。

本項目研究內容是將抽水蓄能電站發電機檢修工藝相關專業知識技術，與上述先進的三維仿真及虛擬現實技術、計算機技術相結合，綜合開發完成的具有直觀、高效、趣味性強的發電機工藝技術培訓系統，該系統將實際機組檢修過程、要點、工藝等通過計算機技術等進行真實的三維仿真動畫方式再現，并開發三維虛擬現實環境，開發機組檢修工藝流程互動操作實訓，實現學員與計算機的交互，并在交互操作中對各設備的檢修工藝進行實時演示講解。同時，針對機組檢修工藝培訓工作，開發輔助培訓與管理功能，使學員能夠直觀、清晰、全面地掌握機組檢修相關知識與技術。

項目研究的關鍵技術及難點在于以下幾個方面：

（1）發電機檢修工藝流程的三維仿真動畫開發中：建模與精模的動態轉換、三維實體模型比例尺控制、模型光影烘焙貼圖技術、三維模型數據轉換、三維復雜曲面構造方法等，需要在項目制作前，根據實際特點進行研究與制作控制。

（2）發電機檢修工藝流程的三維虛擬互動實訓開發中：基于設備連接關系的虛擬場景組織、實時LOD動態加載算法、碰撞檢測加速優化算法、不同視距的透視化算法、實時路徑的自動分析演算算法等技術關鍵，均需要本項目中針對系統特點進行研究及應用。

（3）系統集成開發中的關鍵技術：三維虛擬互動環境與數據庫管理的通用數據交換接口標準制定與開發、發電機檢修工藝資料文檔集成環境與管理、系統整體性能優化算法與控制等。

（4）此外，發電機檢修工藝與三維仿真技術的展現策劃也是決定項目研發的重要因素。

4 項目研究內容和實施方案

項目的研究內容主要包括發電機檢修工藝流程三維仿真動畫演示、發電機檢修工藝流程三維仿真互動操作實訓、發電機工藝流程資料學習模塊開發以及具有強大網絡支持功能的發電機檢修工藝流程集成系統。

4.1 發電機檢修工藝流程三維仿真動畫演示

運用三維動畫等計算機技術，依據天荒坪抽水蓄能電站檢修工藝卡、現場檢修實際情況以及相關專業知識，結合設計圖紙和照片，建立檢修仿真演示培訓平臺，采用直觀、生動、趣味的三維仿真動畫演示方式，全面、完整地展示檢修設備的結構、工作原理、檢修工藝以及檢修工具結構及使用方法等培訓內容。

依據檢修作業指導書整體工作流程，采用三維動畫等表現方式，直觀展示設備檢修作業（包括修前準備、安全措施檢查、工作交底、檢修工藝等）全過程，讓學員更好地了解和掌握設備檢修作業整體工序工藝。通常，工藝卡為表格形式，采用文字描述工作步驟、操作內容及注意事項，這些工藝流程的文字描述很繁瑣，不直觀，若沒有一定維修經驗很難理解。本項目就是要把這種抽象、不具體的工作流程數字化，使每個工序步驟的教學內容更形象化，便于學員吸收掌握所學內容，項目具體實施方案如圖1、圖2所示。

圖1 檢修流程圖

圖2 檢修工藝流程圖

以天荒坪電廠的球閥樞軸密封更換工藝卡為例，由修前準備、檢修工具、安全措施檢查、工作交底、工藝流程五大部分80多個步驟組成，修前準備主要是說明本次維修工作的備品備件、檢修材料及檢修工具的準備工作，由于這些工具材料均有實物，考慮采用實物拍攝方法，用網頁頁面交互展示，材料、工具條目與實物照片一一對應，學員通過點擊菜單條目獲得實物照片來認識材料及工具，效果如圖3所示。

圖3 設備對照圖

安全措施檢查是檢修前的開關設備啟停準備工作，是為維修工作做準備的，每個開關的編號、操作均不能有誤。目前的安全檢查工序全是文字及編號說明的設備開閉流程有30條,不便于識別和找尋，即便是比較熟悉維修工作的員工也未必能憑借文字標注快速找到設備開關，應考慮采用實物照片結合字幕來描述開關設備，并結合導航圖標示設備開關的位置，這種圖文對照的方式便于維修人員快速認識、找到相應的設備開關，如圖4所示。

工作交底主要為表格，內容有工作要求、工作內容、危險點、防范措施及人員分工等一類注意事項（見圖5）。

工藝流程是本教學內容的重點，是檢修工作的具體實施步驟。這部分內容應考慮采用動畫技術來模擬設備的每步拆裝工序，用三維技術來展示設備構造。

圖4 設備對照圖

圖5 工作交底圖

在檢修工藝卡中，有相當多的注意事項，這些注意事項有些僅是一些口頭性的操作描述，如球閥樞軸密封更換流程中提到的“涂抹黃油，觀察縫隙，擦出灰層、注意軸頸碰撞卡死”等注釋性文字，教學系統中對于一些難于表現的注釋畫面可采用語音解說，合成特效、位置標示、字幕等后期方法來實現。

4.2 發電機檢修工藝流程三維仿真互動操作實訓

依據天荒坪抽水蓄能電站檢修作業要求，運用三維虛擬互動技術，建立三維虛擬互動模擬演練檢修培訓平臺，提供可交互的操作方式。操作人員可以在虛擬環境中手動拆卸、安裝檢修設備各部件，達到對電站檢修作業的仿真練習目的，加深操作人員對檢修流程及工藝的詳細了解和掌握。同時，操作人員可以手動操作查看檢修設備的詳細結構，了解和掌握設備部件名稱、屬性參數等信息。

在對水泵水輪機組中某一具體設備進行檢修時，需對當前檢修設備的部件進行拆卸和安裝操作。為讓學員更好地了解、掌握設備檢修時，其具體部件的詳細拆卸、安裝工藝流程，在三維虛擬仿真檢修環境中，通過人機互動操作，實現當前檢修設備部件拆卸、安裝過程的模擬演練。

5 預期目標和成果形式

通過本系統的學習，學員可以了解抽水蓄能電站機組檢修的基本知識，理解和掌握抽水蓄能電站檢修設備的結構布置、組成和工作原理，同時深入了解和掌握抽水蓄能電站中機組設備檢修的詳細工序工藝及相關注意事項，在最短周期內、最大程度地掌握抽水蓄能電站機組的檢修相關知識技能。

針對天荒坪抽水蓄能電站發電機各設備的檢修技術，開發完成直觀、全面、功能強大的“發電機工藝流程可視化系統”，在抽水蓄能電站機組檢修三維仿真培訓方面填補空白,以使本項目成果能夠有效的擴展與轉移。

[1] 楊仕平.嵌入式實時軟件可視化開發方法.系統工程與電子技術，2003，（1）.

[2] 李效旭.水輪發電機組檢修三維仿真研究.中國水電設備技術討論會論文集，2011.

[3] 陳紅專.水輪發電機運行故障分析及維護.中國科技博覽，2013，（27）.

沈 斌（1977—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能技術管理。E-mail:thp7@sohu.com

黃賢榮（1981—）男，研究生，高級工程師，主要研究方向：三維技術研究和開發。

The Realization of Visualization System for Generator Maintenance Technology Process of Pumped Storage Power Plant

SHEN Bin, HUANG Xuanrong
(Tianhuangping Pumped Storage Limited Liability Company training department, Anji 310012,China;2.Nanjing Jurui science and technology Ltd.,Nanjing 210061,China)

This essay describes the strategy of the application of the virtual simulation technology in maintenance technology process of pumped storage power plant, hopefully this can be a role model in the maintenance training of pumped storage power plant.

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