大型立式泵站三維檢修系統開發與應用

李 頻，徐晶珺，趙林章

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州225321；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京211100）

1 引言

隨著泵站機組檢修模式由過去的“計劃檢修”模式逐漸轉變為“狀態檢修”模式，對機組進行全面解體檢查和檢修間隔周期將會進一步延長，使得很多員工根本沒有機會參與現場培訓。因此，迫切需要提出一種對安裝檢修人員進行技術指導和技能培訓的全新模式。將三維動畫技術、智能交互技術和虛擬現實技術引入到泵站機組的安裝檢修中，可創建機組安裝檢修的三維仿真系統，打造機組安裝檢修操作的全新仿真演練平臺。

目前對于水力機組三維檢修系統的研究方面，岳志偉等[1]結合廣西沿灘水電站，基于3DS MAX、Virtools、虛擬仿真技術等平臺，開發了混流式水輪發電機組檢修安裝系統，實現了水輪發電機組實際安裝及檢修的動畫演示、虛擬裝配和虛擬漫游的功能；李子萌等[2]開發了一套面向典型水輪發電機組檢修實操的仿真培訓系統，并按機組類型分類；闞闞等[3]研究了吉林豐滿水電站的三維仿真與信息管理系統，不但模擬了混流式水輪發電機組檢修全過程，還提供了機組檢修的信息管理和查詢功能；魏佳芳等[4]研究了軸流式水輪發電機組的檢修仿真，完成了軸流式機組的檢修安裝仿真，促進了水電機組仿真工作的進步。這些研究極大地方便和簡化了水電站的安裝檢修培訓工作，但這些研究主要集中在水輪發電機組的三維檢修系統，對大型立式泵站的檢修及安裝的仿真研究較少。因此，本文以江蘇某立式泵站的機組為依托，按照安裝檢修現場的實際環境，構建真實感強的機組虛擬安裝檢修環境。根據機組標準的安裝檢修流程，以互動的方式實現機組零部件的安裝檢修，實現在計算機上對用戶進行考核并給出考核結果等技能鑒定功能。

2 系統設計開發技術

2.1 面向裝配任務的情境模型

虛擬裝配模型通常規定了零件、組件的表示方式，以及它們之間的組織關系。裝配情境模型以層次模型為基礎，如圖1所示。

圖1 裝配情境模型的層次結構及其裝配過程

從圖1可以看出，組件、零件和特征是逐層包含的關系，虛擬裝配場景可以劃分為裝配知識層，裝配決策層和用戶控制層3個層次，并令3個裝配層次分別對應特征對象、零件對象和組件對象，以使上下文信息可以分而治之地保存在各個層次中。裝配知識層容納裝配操作所需的知識信息，裝配知識來源于裝配信息文件，是場景中所有裝配活動的推理依據。裝配決策層控制著裝配任務的進行順序，連通用戶控制層和裝配知識層，起到將特定情境與裝配知識相結合并反饋到用戶控制層的作用。用戶控制層是用戶對虛擬裝配系統進行控制的接口，用戶通過在虛擬場景中對組件對象進行控制完成裝配任務。通過由裝配知識層、裝配決策層和用戶控制層構成的虛擬裝配模型框架，實現了裝配情境模型對裝配知識、零件Agent行為決策和用戶交互3個重要方面的分離和抽象。裝配知識層可以專注于通過定義特征對象完成裝配知識的表示和保存，使裝配決策層可以通過定義零件Agent的推理規則完成虛擬場景決策能力的構建，使用戶控制層可以專注于對用戶的控制行為進行響應和引導。通過令這3個層次分別對應于組件對象、零件對象和特征對象3個不同粒度的裝配對象上，使虛擬裝配系統的開發可以劃分為裝配知識表達，裝配決策規則制定和用戶行為引導等3個相對獨立的方面，提高了開發效率和可維護性。

2.2 面向用戶的情境模型

用戶在進行虛擬裝配任務的過程中，會不斷改變零件的特征狀態。在零件特征狀態的兩次改變之間，用戶需要移動位置，拾取零件并調整位置進行下一步操作，因此用戶情境可以定義為如下形式：

UserContext={FeatureStateSet，Eye，Center，Up}

FeatureStateSet={f1，f2…fn|n=||Features||，

fi=feautrei.state，featurei∈Features}

其中特征狀態集合FeatureStateSet是由每個特征的狀態屬性拼接而成的狀態值序列，FeatureStateSet的位數和場景中特征的個數相同。Eye、Center和Up是3個三維向量，它們共同描述了攝像機的狀態，Eye表示了攝像機的位置中心點，Center表示攝像機的視線中心點，Up表示攝像機的頭頂方向。通過特征狀態集合，可以將用戶情境與裝配情境聯系起來，不同的裝配情境對應不同的特征狀態集合，可以根據不同的任務階段對用戶的移動數據進行分段。通過Eye參數，可以形成用戶攝像機在空間中的移動路徑。在用戶執行裝配任務的過程中按照此定義格式不斷記錄攝像機的狀態信息，可以形成用戶的操作歷史路徑數據集，供后續的關鍵點提取步驟。我們認為對同一次裝配訓練收集到的數據點使用基于密度的聚類方法可以更有效的進行聚類，抽取出關鍵位置。而如果將同一裝配任務的多次訓練所收集到的關鍵位置進行融合，則可以使關鍵位置點變得更加有代表性。由于層次聚類方法對于預先不知道分類數量的無序樣本點有良好的聚類效果，所以對于多次訓練操作的關鍵點的融合，我們采用了層次聚類的方法來提取最終的關鍵位置點。

對收集到的裝配操作歷史數據，先利用基于密度的聚類方法從用戶軌跡中找到樣本點的聚集區域，之后去除相鄰的重復點并找到局部極值，將這些極值點作為備選關鍵點。然后通過層次聚類算法對多條訓練路徑中的備選關鍵點進行聚類，最終對每個特征狀態值形成一個關鍵點集，操作過程可以表示成如圖2所示的形式。

圖2 用戶操作歷史關鍵點的聚類過程

對關鍵點完成聚類之后，依次查看各個聚類中心的visited參數，如果該參數為零或者非常小，則表示這個關鍵點距離其他關鍵點都非常遙遠，從來沒有被合并過，那么就可以視為噪聲進行刪除。關鍵點提取完畢后，可以加入到虛擬裝配系統中供用戶進行切換，節省用戶在關鍵點之間移動花費的時間，提高裝配效率。

3 機組三維檢修系統應用實例

以江蘇泰興引江河泵站為例，三維檢修系統是以泵站的機組為依托，按照安裝檢修現場的實際環境，構建真實感強的機組虛擬安裝檢修環境。根據機組標準的安裝檢修流程，以互動的方式實現機組零部件的安裝檢修，實現在計算機上對用戶進行考核并給出考核結果等技能鑒定功能。機組三維檢修系統包括機組檢修數據庫，機組檢修多媒體學習系統、機組檢修三維模擬訓練和技能鑒定系統。

3.1 機組檢修數據庫的建立

整個機組檢修數據庫由兩類數據庫構成：①圖形數據庫：主要存放機組零部件三維信息、零部件裝配信息、攝像機位置信息、吊裝工具信息、裝配任務信息和場景樹等。這些數據由機組零部件裝配關系和裝配任務得到，保存在圖形數據庫中。②動態影像庫：主要存放不同種類的靜態圖像，如檢修現場拍攝的照片、檢修進度圖和數字化得到的圖像等；各種不同的視頻圖像，如檢修現場拍攝的視頻、三維動畫文件；聲音文件，如動畫的解說等。

3.2 機組檢修多媒體學習系統

機組檢修多媒體系統提供一些多媒體課件供培訓和學習之用，課件的內容主要包括：

（1）基本結構與檢修：以圖片、文字、視頻方式介紹水力機組各零部件的結構、作用、具體參數、檢修規程。以動畫方式展示該零部件的安裝與拆卸，如圖3、圖4所示。

圖3 結構與檢修主界面

根據水力機組安裝和拆卸工藝流程，開發出水力機組安裝和拆卸的三維動畫，如圖5。

（2）總體裝配流程：以三維動畫方式對水力機組主要零部件安裝過程進行展示。可以設定從某個零部件開始安裝，以動畫方式展示從該零部件開始以后的安裝流程，如圖6所示。

圖4 零部件結構與檢修

圖5 機組安裝和拆卸動畫

圖6 總體裝配流程

（3）總體拆卸流程：以三維動畫方式對水輪發電機組所有零部件拆卸過程進行展示。可以設定從某個零部件開始拆卸，以動畫方式展示從該零部件開始以后的拆卸流程，如圖7所示。

3.3 機組檢修模擬訓練系統

機組檢修模擬訓練系統包括：

（1）虛擬裝配環境的建立：建立水力機組的場景模型，這些模型包括廠房、吊車和機組各零部件模型，并對這些模型進行合理簡化。建立機組各零部件模型的裝配關系和特征約束。在所建立的虛擬環境中，由于用戶的交互和物體的運動，物體間很可能經常性的發生相互碰撞，此時為保持環境的真實性，需要及時檢測到這些碰撞，并計算相應的碰撞反應，更新繪制結果，以防止物體間發生穿透現象，破壞虛擬環境的真實感和用戶的沉浸感。通過交互漫游用戶可以靈活、準確地對視景進行全方位觀察，拾取其中的虛擬物體，查詢信息。交互漫游的過程就是一個根據交互控制命令連續不斷改變視點位置或視線方向并渲染視景的過程。機組虛擬環境如圖8所示。

圖7 總體拆卸流程

圖8 機組虛擬環境

（2）人機交互裝配：用戶在三維場景中通過交互方式完成機組零部件的安裝或拆卸，通過答題方式提高學員的檢修等知識的掌握程度。將機組檢修拆裝的流程按任務進行劃分，每一個任務對應一個安裝或拆卸工序，檢修工序體現在每個拆卸工序中。虛擬裝配環境有臨場感強、互動性高的特點，使得學員在這樣的虛擬環境中實現對裝配對象的選擇、裝配視角調整、裝配零部件位置調整、視圖縮放和虛擬仿真設置等功能。選取待安裝的零部件、選取安裝工具和安裝位置界面如圖9、圖10、圖11所示。

（3）任務調用與跟蹤：規劃一條無障礙的可行路徑，吊車沿該路徑運動。吊車各部分均要滿足運動約束，沿著各自軌跡聯動。對每一個任務中的每一個操作步驟都要進行跟蹤，記錄任務和操作步驟時序和狀態，對每一個操作步驟進行對錯判別。吊車運動約束見圖12。

圖9 選取待安裝的零部件

圖10 選取安裝工具

圖11 安裝位置顯示

圖12 吊車運動約束

3.4 技能鑒定

技能鑒定系統包括學員機部分和教員機部分。學員通過登錄學員機完成身份驗證和選題答題等操作，每做完一個工序，都要進行成績記錄，當教員機通過網絡發布結束指令或學員機計時結束，中斷考試。教員可以通過教員機進行題目管理、試卷管理、成績管理和學員機監控的功能。

4 小結

本文從泵站機組三維檢修系統的關鍵技術研究展開，建立了基于情境上下文的虛擬裝配模型，構建了自底向上的裝配情境感知模型，建立了用戶情境模型。在此基礎上，設計并開發了水力機組三維檢修系統，按照水力機組檢修現場的實際環境，構建真實感強的虛擬環境；根據機組標準安裝、拆卸和檢修流程，以互動的方式對虛擬環境中的機組零部件進行裝卸與檢修，并對學員的操作過程進行分析，如不按照規定的裝卸與檢修工藝流程進行操作，計算機會提示出錯信息，給出正確操作步驟，并自動記錄得分。該系統進一步提升了水利機組從業人員對拆裝檢修知識的掌握程度，提高了檢修人員的技術水平和機組檢修質量，推動了水力機組安裝檢修技術的發展。