基于增強現實技術的機組進水閥拆裝訓練方法

文/吳超 何曼 毛依鳴

水輪機進水閥拆裝項目包括閥體、活門與閥軸、密封環、閥軸軸承、差壓計、旁通閥及管路、主閥伸縮節、上、下連接管、差壓計、閥后排水閥、空氣閥、液壓站、電氣控制系統的安裝及調試等步驟。其拆裝過程復雜、安全及質量要求高，如何讓缺乏經驗的新員工快速掌握水輪機進水閥的結構及工作原理，熟悉進水閥拆裝流程顯得尤為重要。

增強現實(AR)技術是把計算機生成的虛擬信息合成到用戶看到的真實世界中，是真實世界與虛擬物體實時疊加到統一時空同時存在的一種技術。

本研究基于增強現實技術提出的這種水輪機進水閥拆裝訓練方法，使操作人員能夠利用HoloLens 頭盔對機組進水閥的虛擬模型進行拆裝訓練，從而使訓練人員能夠熟練掌握機組進水閥的拆裝流程。

1 現狀分析

水電站的維護和技改時間跨度較大，如機組進水閥檢修密封、檢修旁閥等設備，投運后20年幾乎不曾進行拆裝和維護，導致水電廠中的新員工既不能直觀的對實體設備的內部構成進行考察學習，又無法對機組進水閥等設備拆裝的實際操作進行模擬訓練，學習效果大大受限。并且一旦出現機組進水閥等設備因故障需要拆裝或更換的情況時，操作人員缺乏實操經驗，無法確保能正確、熟練的完成其更換流程，會導致一定的安全隱患。因此，水電站操作及檢修崗位需要一種能夠使新員工能迅速、熟練掌握機組進水閥拆卸流程的訓練方法。

圖1：實施步驟

2 解決方案

針對以上存在的問題，本研究提出了一種基于增強現實的機組進水閥拆裝訓練方法，具體步驟如圖1所示。

與現有技術相比，本訓練方法中操作人員的拆裝流程均通過虛擬模型完成，無需接觸實體設備，從而有效提高了該訓練流程的安全性，避免因操作失誤造成的損傷；通過在實際場景的基礎上進行識別顯示出虛擬模型的外觀，使操作人員能夠更加直觀的感受到在機組進水閥安裝現場完成拆裝流程的場景，提高實際體驗和訓練效果；并且這種環境識別的展現方式還可以使模型均能夠出現在正確的位置上，不會隨操作人員的位置或朝向出現變化；而當操作人員中途離開拆裝現場再返回后，所有拆裝模型也能夠處于相同位置，提高了本訓練方法的真實性和感官體驗。

此外，本研究在建立虛擬模型時通過手動模式進行UV 的展開和映射，可以有效提升虛擬模型的光影效果，使模型和拆卸動畫的效果更加真實立體；通過將實際場景中的機組進水閥模型作為UI 坐標參考系，可以有效減少操作人員在拆裝訓練時出現UI穿透模型的問題，進一步提高本訓練方法的感官體驗；操作人員在拆裝訓練中還可以通過交互界面觀看下一步的拆裝動畫，從而進一步提高操作人員的訓練效果和操作熟練度。

3 實施方案

前述步驟1 中訓練所需的模型和動作動畫的具體建立方法包括以下步驟：

（1）通過三維軟件建立機組進水閥和拆卸設備的虛擬模型和拆卸動畫，然后根據HoloLens 硬件的特性將該模型和動畫導入3dsMax 中進行減面優化和重新拓撲，并對帶有拆卸動畫的機組進水閥模型進行骨骼綁定，得A1 模型；

（2）在3dsMax 中建立操作人員的虛擬模型，然后對該虛擬模型進行骨骼綁定，得A2 模型；

（3）將A1 模型和A2 模型依次導入至unity3d 平臺中，然后調整A1 中機組進水閥模型在unity3d 中的空間位置，得A3 模型；

（4）根據機組進水閥和拆卸設備的外形制作紋理貼圖并導入至unity3d 中，然后通過編寫shader 調整A3 模型的顯示效果，得A 品。

前述步驟2 的具體步驟為：使用HoloLens 掃描機組進水閥的安裝現場，然后對掃描得到的深度圖進行實時分析，得到深度圖；再利用VSLAM(Visual Simultaneous Localization And Mapping)對深度圖進行分析，然后根據分析結果對安裝現場進行三維重建，得到三維場景特征；再根據重建后的三維場景特征與A 品中的機組進水閥模型進行特征比對，實現對實際場景進行空間識別，得B 品。

前述步驟3 中交互界面在UI 布局時以實際場景中檢測到的機組進水閥模型作為UI 坐標參考系。

前述步驟4 中操作人員的具體訓練方法為：操作人員佩戴HoloLens 頭盔后進入機組進水閥拆裝現場，使HoloLens 頭盔能夠對現場進行識別，并顯示出與實際場景對應的虛擬模型；再通過訓練平臺的交互界面進入操作，通過手勢觸發模型和動作動畫，完成對機組進水閥的拆裝訓練。

4 應用實踐

本培訓方法在系統開發時，設計的結構及功能如圖2所示。

在應用過程中，用戶先佩戴HoloLens 頭盔進入訓練平臺，并通過交互界面進入操作。進入操作后，HoloLens 頭盔通過自帶的攝像頭掃描安裝現場，通過三維數據采集特征來識別出安裝現場中與數據庫模型對應的機組進水閥和拆卸設備，并將虛擬模型的圖像疊加在真實設備上，實現AR 場景搭建。

多人同時到達拆裝現場后，開始多人協作時。首先每個作業人員可以通過“Bloom 手勢”(也就是俗稱的開花手勢)打開系統菜單，通過注視和空中點擊選擇并打開多人協同程序。通過工作設置的懸浮菜單，選擇整體操作項目，完成后注視選擇“預備”狀態按鈕后，自動接入網絡。如果此時還有其他人和此人一起工作，那么此工作人員在視野里可以看到其他人員的工作狀態與進度。開始工作時，工作人員可以任意選取適合自己的工作步驟來配合其他人一起完成任務。凡是位于同一網絡，拆裝同一設備的工作人員，其實時工作信息隨著他選擇步驟提示導引。完成后切換其他步驟之類的信息都將被服務器獲取并實時廣播到其他協同人員。實現多人同步進行拆裝工作，并且利用HoloLens 的全息影像指導每個步驟每個分項的操作，直至合作完成整個操作過程。通過目視同事的工作位置即可了解其他人工作的進度信息，達到傳統作業無法企及的便利，精確，和效率。

5 結語

圖2：系統結構圖

本研究通過這種基于增強現實的水輪機組進水閥拆裝訓練方法，解決了傳統培訓模式下，參與培訓人員只能進行理論知識的學習；不能對拆裝、檢修流程做仿真模擬訓練的問題。基于增強現實的培訓方法，能搭建抽象概念和實踐操作之間的認知橋梁，AR 教學的可視化仿真技術可以讓參訓人員在不拆卸真實設備的情況下也能查看機組內部結構與狀態，其交互技術也使得學員能夠在虛擬場景模擬機組拆裝流程，實現了認知、技術、應用三個層面的學習，能夠使操作人員快速、熟練地掌握機組進水閥的拆卸流程，安全性高、訓練效果好，具有極強的推廣價值。