基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的汽輪機(jī)檢修輔助系統(tǒng)

瞿 進(jìn)，謝文杰，鄧 春，張 悅

（1.貴州黔西中水發(fā)電有限公司，貴州 黔西 551500；2.華北電力大學(xué)自動(dòng)化系，河北 保定 071003）

0 引言

汽輪機(jī)檢修周期不固定，檢修工作繁雜，汽輪機(jī)檢修過(guò)程管理及檢修水平及效果評(píng)價(jià)沒(méi)有一個(gè)有效的方法，往往利用檢修后的實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)評(píng)價(jià)檢修過(guò)程水平的高低，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大修后設(shè)備運(yùn)行效率低于大修前，檢修效果不理想。并且絕大多數(shù)電廠的大型復(fù)雜設(shè)備檢修多是由外委檢修隊(duì)伍完成，而外委檢修隊(duì)伍的水平參差不齊，沒(méi)有辦法約束和評(píng)判，種種原因結(jié)合到一起，使得復(fù)雜設(shè)備尤其是汽輪機(jī)設(shè)備檢修過(guò)程管理不規(guī)范，檢修水平無(wú)法評(píng)判，現(xiàn)場(chǎng)迫切需要一套結(jié)合汽輪機(jī)檢修特點(diǎn)及工藝要求的統(tǒng)一化、科學(xué)化的管理控制模式或者系統(tǒng)。

近些年，國(guó)內(nèi)外的虛擬現(xiàn)實(shí) （Virtual Reality，VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）技術(shù)快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)VR 技術(shù)、AR 技術(shù)以及先進(jìn)的MR 技術(shù)有很多成功的應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在教育、醫(yī)療、娛樂(lè)、廣告等行業(yè)。能源領(lǐng)域，圍繞幾種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)及適用場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更多地應(yīng)用于員工培訓(xùn)，文獻(xiàn)［1］利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)汽輪機(jī)虛擬檢修培訓(xùn)考核專(zhuān)家系統(tǒng)，包括三維建模工作、汽輪機(jī)虛擬檢修的交互功能以及考核系統(tǒng)等內(nèi)容。文獻(xiàn)［2］針對(duì)發(fā)電機(jī)本體設(shè)備檢修培訓(xùn)的需求，結(jié)合虛擬檢修培訓(xùn)技術(shù)設(shè)計(jì)了基于VR 技術(shù)的發(fā)電機(jī)虛擬檢修工藝培訓(xùn)專(zhuān)家系統(tǒng)。該培訓(xùn)系統(tǒng)融合了三維建模、VR環(huán)境下人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了B／S 形式的受訓(xùn)人員培訓(xùn)交互平臺(tái)。文獻(xiàn)［3］利用Solid-Works2012 和VRP-SDK 構(gòu)建汽輪機(jī)檢修維護(hù)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與教育培訓(xùn)的結(jié)合。文獻(xiàn)［4］是以水輪發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，也是通過(guò)三維模型，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際三維空間向虛擬現(xiàn)實(shí)空間的轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)了培訓(xùn)效果。文獻(xiàn)［5］主要提出了一種多用戶(hù)汽輪機(jī)虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)框架，學(xué)習(xí)如何在虛擬環(huán)境中進(jìn)行汽輪機(jī)協(xié)同維修工作。文獻(xiàn)［6］為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢修人員的專(zhuān)業(yè)技能，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［7］是用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和VR 可視化，為了電站鍋爐提供一個(gè)更有效的培訓(xùn)場(chǎng)景。

相比較虛擬現(xiàn)實(shí)在人員培訓(xùn)方面的應(yīng)用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的成熟應(yīng)用相對(duì)較少，文獻(xiàn)［8］介紹了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能變電站運(yùn)行維護(hù)人員運(yùn)行培訓(xùn)系統(tǒng)，輔以虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，模擬智能變電所的運(yùn)行、維護(hù)和檢修，從而構(gòu)建更逼真的虛擬環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)更多應(yīng)用于游戲、汽車(chē)、醫(yī)療、軍事等行業(yè)。

本文將真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體相互融合，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在真實(shí)物理場(chǎng)景上疊加虛擬三維實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)的可視化，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡結(jié)合手勢(shì)識(shí)別構(gòu)建便捷的人機(jī)交互終端為實(shí)際檢修過(guò)程提供專(zhuān)家型的“借鑒”和“指導(dǎo)”，對(duì)于保障檢修人員水平、改進(jìn)檢修進(jìn)程，保障檢修順利按計(jì)劃進(jìn)行，提高檢修水平具有重要的作用。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

AR 技術(shù)是將真實(shí)空間信息和虛擬空間信息融合在一起的技術(shù)，本質(zhì)上是將在現(xiàn)實(shí)世界中比較難以進(jìn)行描述和體驗(yàn)的實(shí)體信息通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，實(shí)施三維模擬仿真處理，并將虛擬信息內(nèi)容疊加在現(xiàn)實(shí)世界中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的無(wú)縫融合，通過(guò)先進(jìn)的人機(jī)交互終端被人類(lèi)感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)環(huán)境和虛擬模型融合之后，能夠在同一個(gè)畫(huà)面以及空間中同時(shí)顯示。

1.1 顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的顯示技術(shù)屬于整體中的核心技術(shù)，使用透視式技術(shù)可以得到較為真實(shí)的虛實(shí)相結(jié)合的體驗(yàn)。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類(lèi)，分別是基于光學(xué)原理的穿透式頭盔顯示器和基于視頻合成技術(shù)的穿透式頭盔顯示器。其中光學(xué)透視式頭盔能夠?yàn)橛脩?hù)提供更強(qiáng)烈的視覺(jué)沉浸感，利用佩戴在用戶(hù)眼前的半透半反光學(xué)合成器，充分和真實(shí)環(huán)境融合在一起，并輔以視頻識(shí)別，動(dòng)作捕捉等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備、人與環(huán)境的交互，滿(mǎn)足用戶(hù)的相關(guān)操作需要［9］。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔

1.2 虛擬物體生成技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用過(guò)程中，目標(biāo)是使得虛擬空間的相關(guān)內(nèi)容，在真實(shí)空間中得到疊加處理，結(jié)合算法程序?qū)崿F(xiàn)真實(shí)物體多維度感觀體驗(yàn)。利用三維建模通過(guò)逆向工程技術(shù)可以獲得真實(shí)物體的三維模型，目前的技術(shù)水平能夠充分表現(xiàn)出虛擬物體的真實(shí)感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中生成虛擬物體的過(guò)程，信息交互是其中重要的內(nèi)容，利用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入信息內(nèi)容，能夠提升操作效率，給用戶(hù)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)信息三維可視化，便于信息的解釋。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的人機(jī)交互技術(shù)

與在真實(shí)世界不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將虛擬物體或者環(huán)境在真實(shí)世界的呈現(xiàn)，而人機(jī)交互就是幫助人在虛擬環(huán)境或者虛實(shí)融合的環(huán)境下，對(duì)虛擬事物更好的呈現(xiàn)。因此想要好的AR 體驗(yàn)，人機(jī)交互就是其中的重中之重。

AR 設(shè)備的交互方式主要分為以下三種［10］。

1）借助于現(xiàn)實(shí)世界中的空間點(diǎn)位來(lái)實(shí)現(xiàn)交互，是一種最為常見(jiàn)的交互方式。例如最近流行的AR賀卡和畢業(yè)相冊(cè)就是通過(guò)圖片位置來(lái)進(jìn)行交互的。

2）真實(shí)空間中的一個(gè)或多個(gè)物體的特定姿勢(shì)或者狀態(tài)，通過(guò)識(shí)別的方式將姿勢(shì)或者狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的命令。使用者可以任意改變姿勢(shì)或者狀態(tài)來(lái)進(jìn)行交互，比如人的不同手勢(shì)。考慮現(xiàn)場(chǎng)施工和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，這種交互方式將是工業(yè)系統(tǒng)的首選。

3）使用特制工具實(shí)現(xiàn)交互。比如谷歌的AR 地球，利用類(lèi)似于手柄一樣的東西來(lái)進(jìn)行操作，從而滿(mǎn)足互動(dòng)的要求。

3 汽輪機(jī)檢修輔助系統(tǒng)

以汽輪機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)檢修工藝知識(shí)表示，結(jié)合檢修標(biāo)準(zhǔn)化文件包構(gòu)建檢修引導(dǎo)信息模型庫(kù)，作為檢修輔助后臺(tái)數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)對(duì)檢修對(duì)象的視頻圖像處理，智能判斷檢修環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)，推送檢修輔助數(shù)據(jù)信息，同時(shí)采集檢修過(guò)程中的特征數(shù)據(jù)，利用虛擬檢修綜合評(píng)價(jià)體系對(duì)檢修過(guò)程給出中肯的評(píng)價(jià)。

系統(tǒng)組成如圖2 所示，主要有兩部分組成現(xiàn)場(chǎng)端——可穿戴式電腦和遠(yuǎn)程服務(wù)端——三維可視化及運(yùn)維輔助決策支持系統(tǒng)，其中現(xiàn)場(chǎng)端由運(yùn)維人員佩戴的可穿戴式電腦組成，遠(yuǎn)程服務(wù)端可以假設(shè)在電廠技術(shù)室或者電科院，為技術(shù)專(zhuān)家提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化，以及技術(shù)專(zhuān)家可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供運(yùn)維輔助決策支持，兩部分之間通過(guò)無(wú)線連接。系統(tǒng)功能組成如圖3 所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程如下。

1）檢修工藝要求的知識(shí)表示。將繁雜及無(wú)序的文字表述轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是實(shí)現(xiàn)基于AR 技術(shù)虛擬展示的基礎(chǔ)。將檢修工藝要求通過(guò)知識(shí)表示方法，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。

圖2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)功能

圖4 設(shè)計(jì)流程

2）檢修引導(dǎo)信息模型庫(kù)。構(gòu)建汽輪機(jī)檢修信息模型庫(kù)，包括介紹用的文字、圖片及視頻輔助信息，例如設(shè)備名稱(chēng)、檢修步驟信息、檢修工器具信息等；三維的虛擬模型引導(dǎo)信息如汽輪機(jī)設(shè)備模型和檢修工器具模型，兩者在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)檢修輔助系統(tǒng)中以三維模型的樣式進(jìn)行渲染疊加。

3）檢修對(duì)象視覺(jué)處理。通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析對(duì)汽輪機(jī)檢修場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)處理分析，包括檢修目標(biāo)的識(shí)別跟蹤、三維場(chǎng)景重建、計(jì)算機(jī)位姿跟蹤。

4）虛擬檢修工具注冊(cè)融合模塊。從檢修工器具數(shù)據(jù)庫(kù)中找到當(dāng)前檢修場(chǎng)景需要的檢修信息和模型，求解出檢修工器具的注冊(cè)位姿，將檢修工器具融合到真實(shí)環(huán)境中，與真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫融合起來(lái)。

5）人機(jī)交互平臺(tái)搭建。人機(jī)交互平臺(tái)包含兩部分內(nèi)容，一是將虛實(shí)環(huán)境融合好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)汽輪機(jī)檢修場(chǎng)景通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔展示給檢修人員，另一部分是檢修人員對(duì)檢修工器具的操控，主要通過(guò)語(yǔ)音、人體動(dòng)作的方式進(jìn)行控制。

6）檢修過(guò)程綜合評(píng)價(jià)。基于改進(jìn)層次分析法的汽輪機(jī)虛擬檢修量化評(píng)價(jià)方法，建立一套汽輪機(jī)的虛擬檢修評(píng)價(jià)體系，分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化方法，應(yīng)用于對(duì)實(shí)際檢修過(guò)程的評(píng)價(jià)，得到與實(shí)際情況較為相符的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的汽輪機(jī)檢修輔助系統(tǒng)有利于開(kāi)創(chuàng)火電廠汽輪機(jī)檢修新模式，同時(shí)汽輪機(jī)檢修工藝過(guò)程也會(huì)進(jìn)一步規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化，并最終統(tǒng)一成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高全行業(yè)檢修水平。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的汽輪機(jī)檢修輔助系統(tǒng)，還有利于發(fā)電企業(yè)掌握汽輪機(jī)設(shè)備的運(yùn)行與檢修信息，從而制定更加合理的設(shè)備檢修計(jì)劃與運(yùn)行指導(dǎo)方案，為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。