基于虛擬現實的抽水蓄能機組檢修標準化作業仿真

劉少華，肖志懷，夏襄宸，陳 佳，袁喜來

（1.武漢大學動力與機械學院，武漢430072；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢430000；3.湖北能源集團股份有限公司，武漢430072）

0 引 言

抽水蓄能機組是電力系統調峰調頻的主要保障，其運行穩定性長期受到關注和重視。在實際運行過程中，工況轉換頻繁［1］，機組磨損相對較大，對其進行高質量檢修是保障運行穩定性的重要手段［2］。在檢修方式上，國內蓄能機組檢修通常以檢修作業指導書、技術圖紙和相關資料為依據而展開，檢修人員很難在短時間內想象出真實的檢修過程，影響檢修進度及效率。針對眾多問題，利用虛擬現實［3，4］手段仿真實現水電機組各個部分及整體的拆卸和安裝流程，為檢修人員提供更直觀、更真實的檢修過程及足夠的可視化、數字化信息，成為指導電站機組檢修的一種趨勢，國內外很多學者開展了相關研究，陳燚濤等［5］最早研究了虛擬現實技術在水輪發電機組三維動態仿真上的應用，曾洪濤等［6］設計了基于主動交互式虛擬環境的水電廠遠程培訓系統的體系結構，李丹［7］、魏佳芳［8］、陳瑞興等［9］將軸流轉漿式水輪發電機組拆裝和檢修的整體流程及注意事項，以三維動畫的形式進行模擬，闞闞［10］、岳志偉［11］、李子萌等［12］實現混流式水輪發電機組三維可視化仿真，沈斌等［13］首次以抽水蓄能電站發電電動機檢修實際過程為例，對檢修過程進行了三維動畫演示。當前虛擬現實技術已在水電機組三維仿真檢修領域取得了大范圍應用，然而針對抽水蓄能可逆式結構機組的數字化、虛擬化檢修手段仍處于探索階段，在其標準化作業、檢修工藝規劃、檢修全過程信息管控等方面研究較少，本文提出基于虛擬現實的抽水蓄能機組檢修標準化作業仿真方法，旨在構建抽水蓄能機組標準化檢修作業體系，研究成果已在某抽水蓄能電站檢修現場開展應用，實踐證明，該方法能使現場檢修人員作業方式更加標準化、規范化，能夠顯著提高機組檢修作業質效。

1 基于虛擬現實的抽水蓄能機組檢修標準化作業仿真方法

本文從檢修信息融合、多級工序編碼、數字化模型設計、檢修工藝仿真4個方面入手提出一種基于虛擬現實的抽水蓄能機組檢修標準化作業仿真方法，技術研究路線如圖1所示。

圖1 技術研究路線Fig.1 Technical research route

1.1 標準化檢修信息融合

標準化檢修信息融合是利用信息化的手段將檢修信息組織到一起，方便后續整理，查找，使用。標準化檢修信息種類繁多，需要梳理虛擬現實標準化檢修作業仿真所需要的數據，將其分為五大基礎數據庫：檢修作業文檔庫、檢修標準庫、檢修項目庫、設備庫、工器具庫。基于此，有機融合機組多維檢修屬性，檢修人員可通過瀏覽器與部署在服務器上的數據庫進行交互，實時更新、查找檢修相關數據，實現檢修數據共享。為后續標準化檢修體系構建提供數據支持。檢修信息組織結構如圖2所示。

圖2 檢修信息組織結構圖Fig.2 Maintenance information organization chart

1.2 多級工序編碼設計

抽水蓄能機組檢修標準化作業體系主要包括水泵水輪機及其附屬設備、發電電動機及其附屬設備等多類復雜系統。以發電電動機及其附屬設備為例，可分為定子、轉子、推力軸承、導軸承、機架、機械和電氣制動系統、轉子頂起裝置、冷卻系統、潤滑系統九大子系統，每個子系統又包含若干檢修項目，其相應檢修項目中包含檢修工藝及工序，檢修工藝繁多，如此復雜龐大的設備及檢修體系需設計合理邏輯結構完成信息規范化、標準化處理，通過自定義多級編碼規則設計了抽水蓄能機組檢修工序編碼體系。編碼定義及抽水蓄能電站設備樹編碼如圖3、4所示，圖中**字符取阿拉伯數字00-99。

圖3 編碼定義Fig.3 Code definition

以發電電動機定子圓度測量工藝中第一道工序回裝上機架為例，根據自定義編碼規則編碼為：GM-STATOR-DZYD?CL11-HZSJJ01，表示當前正在進行發電電動機及其附屬設備定子設備中第十一道檢修工藝定子圓度測量中第一道工序上機架回裝。根據這套編碼規則編碼的檢修工序具有唯一性，加快了仿真開發流程，并且可根據現場實際檢修情況方便地增刪檢修項目，具有較高的擴展性、維護性。

1.3 數字化模型設計

數字化模型是開展虛擬檢修的基礎，是檢修工藝仿真的關鍵，數字化模型設計邏輯如下：

（1）設備三維實體模型精細化建模，基于設備零部件實際空間拓撲關系重構設備模型，完成紋理映射及烘焙處理［14］，保留裝配關系，增強模型的真實感。

（2）設備數字化檢修信息處理，含其尺寸、坐標、檢修工藝、規程、規范等多維度信息。

圖4 抽水蓄能機組設備樹Fig.4 Pumped storage unit equipment tree

（3）精確化模型物理屬性與信息屬性融合處理，保留精確模型的基本物理屬性，實現物理模型屬性特征與設備檢修屬性一體化融合。

（4）數字化邏輯模型序列化編碼入庫，便于模型共享及有序化管理，實現模型及相關信息的高效利用。

數字化模型設計過程可以分為以下幾個步驟，如圖5所示。

圖5 數字化模型設計流程Fig.5 Digital model design process

構建完成后將模型相關非幾何信息如名稱、尺寸、材質、紋理、坐標、文字注釋、模型文檔等與模型實體通過多級工序編碼體系進行匹配并預留擴展接口為后續標準化檢修工藝仿真提供支持。

1.4 檢修工藝仿真

檢修工藝仿真是通過虛擬現實引擎提取檢修工藝中的工序、工步、設備、工器具等信息，進行檢修工藝模擬仿真，驗證檢修工藝的可行性和合理性。

檢修工序規劃智能化核心功能設計如下：

（1）空間拓撲呈現，在檢修流程中針對具體的檢修設備和檢修模型進行空間拓撲關系分析，分析其空間相對位置。

（2）數據分析，對檢修過程中與先前建立的數據庫進行綁定，對當前檢修項目進行注意提示。

（3）碰撞分析，利用虛擬現實引擎的碰撞網格，為每個模型設置網格碰撞器，設計射線檢測方法［15］實現設備零部件拆裝實時碰撞檢測功能，精確分析工藝可行性。

（4）檢修透視，打破真實物理世界的約束，多自由度、多視角查看檢修工藝仿真過程。

基于核心功能設計，檢修工藝仿真邏輯如下：

（1）基于檢修作業指導書融合現場技術人員的經驗及相關專家意見規劃三維檢修工藝，基于空間拓撲呈現，確定檢修工藝中的設備拆、裝順序，并關聯相應工藝中所用到的設備模型、檢修工器具、檢修風險預控單等資源。

（2）在此基礎上，在Unity 虛擬現實引擎中進行仿真模擬，開展修前修中修后數據分析比對，同時在實際拆裝路徑基礎上進行碰撞檢測分析，驗證工藝的準確性，設計出最優零部件的拆裝順序及拆裝路徑和檢修工序。

（3）將工藝模擬中不便表達的注意事項、檢修標準等與具體的檢修工序相關聯，在虛擬檢修場景中完成檢修全過程透視。

檢修工藝仿真流程可分為如下幾步，如圖6所示。

圖6 工藝仿真流程Fig.6 Process simulation process

2 工程實例

本文所提方法應用于某抽水蓄能電站3 號機組檢修任務中，構建了全流程標準化檢修工藝體系，指導現場檢修作業的開展，系統效果圖如圖7所示。

圖7 開口扳手拆除水管路連接處螺栓Fig.7 Open-end wrench to remove the bolts at the water pipe connection

2.1 檢修透視

構建基于三維空間拓撲關系的抽水蓄能電站虛擬實景，用戶可在廠房場景中以第一人稱視角漫游，便于檢修人員快速便捷地了解待檢修設備及廠房環境，及時掌握整體檢修情況。借助外部輸入設備，可全自由度、全視角瀏覽檢修工藝仿真流程，實現檢修全過程透視。

2.2 全流程檢修體系

以檢修作業指導書為標準、結合檢修技術人員的工作經驗和相關專家意見，以此為基礎，對檢修流程工藝進行仿真優化，將最優仿真方案進行案例輸出，建立了該電站的可視化檢修工藝全流程體系，嚴格規范現場作業流程，指導現場檢修工作，防止機組設備過修、失修。

2.3 標準化檢修工藝

圖8中展示的是上機架附屬設備拆除中橋機起吊發電電動機蓋板，通過動畫、語音、文字并行的方法提示本工序標準化作業工步及注意事項，利用碰撞檢測功能，實時確認起吊高度將檢測數據高亮反饋至交互界面，超過標準化作業規定的起吊高度后會進行預警。在界面右側檢修數據模塊中可以查看本標準化檢修工藝的檢修工單及工器具的詳細信息。

圖8 橋機起吊發電電動機蓋板Fig.8 Bridge crane hoisting generator motor cover plate

3 結 語

（1）利用虛擬現實技術構建了數字化、可視化的抽水蓄能機組大修標準化作業體系，提高了檢修效率。

（2）數字化模型設計融合了幾何模型的非幾何信息為抽水蓄能電站場景及設備模型三維數字化重構提供了新途徑。

（3）在虛擬檢修交互時，充分考慮了復雜檢修設備的裝配順序及路徑問題，輸出最優仿真結果。 □