基于增強現實的汽輪機檢修輔助系統

瞿 進，謝文杰，鄧 春，張 悅

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

0 引言

汽輪機檢修周期不固定，檢修工作繁雜，汽輪機檢修過程管理及檢修水平及效果評價沒有一個有效的方法，往往利用檢修后的實際運行效果來評價檢修過程水平的高低，經常會出現大修后設備運行效率低于大修前，檢修效果不理想。并且絕大多數電廠的大型復雜設備檢修多是由外委檢修隊伍完成，而外委檢修隊伍的水平參差不齊，沒有辦法約束和評判，種種原因結合到一起，使得復雜設備尤其是汽輪機設備檢修過程管理不規范，檢修水平無法評判，現場迫切需要一套結合汽輪機檢修特點及工藝要求的統一化、科學化的管理控制模式或者系統。

近些年，國內外的虛擬現實 （Virtual Reality，VR）技術、增強現實（Augmented Reality，AR）技術和混合現實（Mixed Reality，MR）技術快速發展，各行各業對VR 技術、AR 技術以及先進的MR 技術有很多成功的應用，尤其體現在教育、醫療、娛樂、廣告等行業。能源領域，圍繞幾種技術都有各自的優勢及適用場景。虛擬現實技術更多地應用于員工培訓，文獻［1］利用虛擬現實技術設計和開發汽輪機虛擬檢修培訓考核專家系統，包括三維建模工作、汽輪機虛擬檢修的交互功能以及考核系統等內容。文獻［2］針對發電機本體設備檢修培訓的需求，結合虛擬檢修培訓技術設計了基于VR 技術的發電機虛擬檢修工藝培訓專家系統。該培訓系統融合了三維建模、VR環境下人機交互、數據庫、Web 技術實現了B／S 形式的受訓人員培訓交互平臺。文獻［3］利用Solid-Works2012 和VRP-SDK 構建汽輪機檢修維護虛擬培訓系統，實現虛擬現實與教育培訓的結合。文獻［4］是以水輪發電機組為研究對象，設計了智能仿真培訓系統，也是通過三維模型，實現從實際三維空間向虛擬現實空間的轉化，加強了培訓效果。文獻［5］主要提出了一種多用戶汽輪機虛擬維修培訓系統框架，學習如何在虛擬環境中進行汽輪機協同維修工作。文獻［6］為了提高風力發電機組檢修人員的專業技能，以虛擬現實技術為基礎開發了虛擬檢修培訓系統。文獻［7］是用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）和VR 可視化，為了電站鍋爐提供一個更有效的培訓場景。

相比較虛擬現實在人員培訓方面的應用，增強現實的成熟應用相對較少，文獻［8］介紹了一種基于增強現實技術的智能變電站運行維護人員運行培訓系統，輔以虛擬現實場景，模擬智能變電所的運行、維護和檢修，從而構建更逼真的虛擬環境。增強現實技術更多應用于游戲、汽車、醫療、軍事等行業。

本文將真實場景和虛擬物體相互融合，利用增強現實技術在真實物理場景上疊加虛擬三維實物模型，實現復雜設備結構和參數的可視化，利用增強現實眼鏡結合手勢識別構建便捷的人機交互終端為實際檢修過程提供專家型的“借鑒”和“指導”，對于保障檢修人員水平、改進檢修進程，保障檢修順利按計劃進行，提高檢修水平具有重要的作用。

1 增強現實技術

AR 技術是將真實空間信息和虛擬空間信息融合在一起的技術，本質上是將在現實世界中比較難以進行描述和體驗的實體信息通過計算機虛擬仿真技術，實施三維模擬仿真處理，并將虛擬信息內容疊加在現實世界中，實現虛實的無縫融合，通過先進的人機交互終端被人類感官所感知，從而實現超越現實的感官體驗。真實環境和虛擬模型融合之后，能夠在同一個畫面以及空間中同時顯示。

1.1 顯示技術

增強現實技術中的顯示技術屬于整體中的核心技術，使用透視式技術可以得到較為真實的虛實相結合的體驗。根據具體實現原理又劃分為兩大類，分別是基于光學原理的穿透式頭盔顯示器和基于視頻合成技術的穿透式頭盔顯示器。其中光學透視式頭盔能夠為用戶提供更強烈的視覺沉浸感，利用佩戴在用戶眼前的半透半反光學合成器，充分和真實環境融合在一起，并輔以視頻識別，動作捕捉等技術，可以輕松實現人與設備、人與環境的交互，滿足用戶的相關操作需要［9］。

圖1 增強現實頭盔

1.2 虛擬物體生成技術

增強現實技術使用過程中，目標是使得虛擬空間的相關內容，在真實空間中得到疊加處理，結合算法程序實現真實物體多維度感觀體驗。利用三維建模通過逆向工程技術可以獲得真實物體的三維模型，目前的技術水平能夠充分表現出虛擬物體的真實感。增強現實技術中生成虛擬物體的過程，信息交互是其中重要的內容，利用圖像識別技術實時監控輸入信息內容，能夠提升操作效率，給用戶呈現結構和實時信息三維可視化，便于信息的解釋。

2 增強現實環境中的人機交互技術

與在真實世界不同，增強現實是將虛擬物體或者環境在真實世界的呈現，而人機交互就是幫助人在虛擬環境或者虛實融合的環境下，對虛擬事物更好的呈現。因此想要好的AR 體驗，人機交互就是其中的重中之重。

AR 設備的交互方式主要分為以下三種［10］。

1）借助于現實世界中的空間點位來實現交互，是一種最為常見的交互方式。例如最近流行的AR賀卡和畢業相冊就是通過圖片位置來進行交互的。

2）真實空間中的一個或多個物體的特定姿勢或者狀態，通過識別的方式將姿勢或者狀態對應不同的命令。使用者可以任意改變姿勢或者狀態來進行交互，比如人的不同手勢。考慮現場施工和現場環境的復雜性，這種交互方式將是工業系統的首選。

3）使用特制工具實現交互。比如谷歌的AR 地球，利用類似于手柄一樣的東西來進行操作，從而滿足互動的要求。

3 汽輪機檢修輔助系統

以汽輪機三維模型為基礎，通過檢修工藝知識表示，結合檢修標準化文件包構建檢修引導信息模型庫，作為檢修輔助后臺數據支撐。通過對檢修對象的視頻圖像處理，智能判斷檢修環節節點，推送檢修輔助數據信息，同時采集檢修過程中的特征數據，利用虛擬檢修綜合評價體系對檢修過程給出中肯的評價。

系統組成如圖2 所示，主要有兩部分組成現場端——可穿戴式電腦和遠程服務端——三維可視化及運維輔助決策支持系統，其中現場端由運維人員佩戴的可穿戴式電腦組成，遠程服務端可以假設在電廠技術室或者電科院，為技術專家提供設備運行狀態可視化，以及技術專家可以根據設備運行狀態提供運維輔助決策支持，兩部分之間通過無線連接。系統功能組成如圖3 所示。系統設計實現流程如圖4 所示。

系統設計實現流程如下。

1）檢修工藝要求的知識表示。將繁雜及無序的文字表述轉換為計算機語言是實現基于AR 技術虛擬展示的基礎。將檢修工藝要求通過知識表示方法，轉換為計算機語言。

圖2 系統組成

圖3 系統功能

圖4 設計流程

2）檢修引導信息模型庫。構建汽輪機檢修信息模型庫，包括介紹用的文字、圖片及視頻輔助信息，例如設備名稱、檢修步驟信息、檢修工器具信息等；三維的虛擬模型引導信息如汽輪機設備模型和檢修工器具模型，兩者在增強現實檢修輔助系統中以三維模型的樣式進行渲染疊加。

3）檢修對象視覺處理。通過計算機視覺分析對汽輪機檢修場景進行相關處理分析，包括檢修目標的識別跟蹤、三維場景重建、計算機位姿跟蹤。

4）虛擬檢修工具注冊融合模塊。從檢修工器具數據庫中找到當前檢修場景需要的檢修信息和模型，求解出檢修工器具的注冊位姿，將檢修工器具融合到真實環境中，與真實場景無縫融合起來。

5）人機交互平臺搭建。人機交互平臺包含兩部分內容，一是將虛實環境融合好的增強現實汽輪機檢修場景通過增強現實頭盔展示給檢修人員，另一部分是檢修人員對檢修工器具的操控，主要通過語音、人體動作的方式進行控制。

6）檢修過程綜合評價。基于改進層次分析法的汽輪機虛擬檢修量化評價方法，建立一套汽輪機的虛擬檢修評價體系，分析各評價指標的量化方法，應用于對實際檢修過程的評價，得到與實際情況較為相符的評價結果。

4 結語

基于增強現實的汽輪機檢修輔助系統有利于開創火電廠汽輪機檢修新模式，同時汽輪機檢修工藝過程也會進一步規范化，標準化，并最終統一成行業標準，提高全行業檢修水平。基于增強現實的汽輪機檢修輔助系統，還有利于發電企業掌握汽輪機設備的運行與檢修信息，從而制定更加合理的設備檢修計劃與運行指導方案，為企業帶來顯著的經濟和社會效益。