基于虛擬仿真的水輪機轉子故障模擬系統(tǒng)

王言國，龔登位，高少華，謝文君，郗發(fā)剛，張李小璟

（1.南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211002；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

水輪機屬于一種動力機械，能夠完成水流能量的轉換，使其形成旋轉機械能。目前，水輪機主要應用在水電站內，通過能量的轉換完成發(fā)電機的發(fā)電，實現(xiàn)水力發(fā)電。水輪機在水電站應用時，通過引水管將上游水庫中的水引入水輪機，促使水輪機的轉輪旋轉，實現(xiàn)發(fā)電。然而，轉輪在旋轉過程中，需依靠轉子完成；轉子在持續(xù)地旋轉運行過程中，會發(fā)生各類故障［1］，例如換向器損壞、軸承以及轉輪葉片損壞、轉子繞組燒毀等。通常情況下，水輪機的安裝使用均是在地下，且由于轉子是位于水輪機的內部，在對維修人員和學生進行培訓時，只能以理論知識為主，現(xiàn)場實地參觀和學習則存在一定難度，導致在學習理論時無法深入了解其內部結構和故障查看，直接影響培訓效果?；诖耍M系統(tǒng)成為解決該問題的常用方法，其能夠解決時間和空間以及實際環(huán)境的影響，通過三維虛擬技術實現(xiàn)水輪機轉子的建模以及故障模擬和診斷，并且通過三維交互使學習者能夠身臨其境感受水輪機轉子的運行情況、故障情況以及故障診斷［2］，大大提升了培訓效率和效果。虛擬仿真（Virtual Reality，VR）是構建模擬系統(tǒng)的主要技術，其可實現(xiàn)真實系統(tǒng)的模仿，也理解成一種計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)虛擬世界的創(chuàng)建和體驗，用于能夠依據視覺、聽覺和觸覺等多感官與虛擬世界之間進行交互。為實現(xiàn)虛擬交互培訓，曾宇等［3］和陳志鼎等［4］分別基于VRML 和數(shù)字孿生技術提出相應的仿真系統(tǒng)，用于完成虛擬交互培訓。但是上述系統(tǒng)在模擬過程中，沒有針對模型的色彩實行調整。

為實現(xiàn)更好的水輪機轉子故障培訓虛擬交互效果，本文設計基于虛擬仿真的水輪機轉子故障模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實行水輪機轉子實體三維建模以及虛擬交互過程中，分別結合色彩因素以及交互可信度完成，因此，能夠保證更佳的轉子建模以及交互效果。

1 水輪機轉子故障模擬系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構

基于虛擬仿真的水輪機轉子故障模擬系統(tǒng)，主要包含基礎層、應用層以及管理層，其結構如圖1所示。

基礎層：該層包括遠程控制服務器、數(shù)據存儲服務器、網絡交換機、網絡接口、以太網等。主要用于水輪機各類數(shù)據的存儲以及為系統(tǒng)三維建模等應用提供數(shù)據依據以及數(shù)據傳輸。

應用層：該層分為三維建模模塊、在線仿真模塊、故障診斷模塊。其中三維建模模塊中主要以VRP 建?？刂瞥绦驗楹诵?，控制系統(tǒng)的整個水輪機轉子三維實體模型的構建，并且該模塊中同時部署視覺注意機制，用于完成轉子模型的色彩優(yōu)化；在線仿真模塊則是作為培訓使用的模塊，可進行模型仿真、結果分析、培訓報告等；故障診斷模塊則是完成構建的水輪機轉子的故障診斷，向虛擬場景內的人員提供直觀的故障情況。

管理層：該層主要完成系統(tǒng)的可視化，水輪機轉子故障的模擬結果均在該層呈現(xiàn)。主要包括含VRML 交互機制、Java 小應用程序、顯示界面、移動設備、網絡接口、服務接口、鼠標設備等，實現(xiàn)逼真的沉浸式虛擬場景交互［5］；除此之外，該層中部署虛擬交互可信判斷模型，以此保證多個交互對象在相同的虛擬環(huán)境中時，保證共享、并發(fā)交互的一致性。

系統(tǒng)的基礎層通過網絡接口以及交換機等設備將水輪機轉子的基礎以及故障等全部相關數(shù)據傳送至應用層，為水輪機轉子的三維建模提供數(shù)據依據；應用層以基礎層傳輸?shù)臄?shù)據為依據，實現(xiàn)水輪機轉子的三維建模，并基于視覺注意機制優(yōu)化模型色彩；并且，在通過在線仿真模塊向學員展示水輪機轉子的詳細情況，同時依據轉子的三維模型實現(xiàn)其故障診斷后，其傳送至管理層，呈現(xiàn)水輪機轉子模型的故障情況，實現(xiàn)模擬，學員可通過瀏覽器或者移動設備進行轉子故障模擬交互［6］。

1.2 基于虛擬仿真的水輪子轉子三維建模

1.2.1 虛擬現(xiàn)實VRP建?？刂瞥绦?/p>

本文在對水輪子轉子進行三維建模時，主要采用虛擬現(xiàn)實VRP 三維虛擬現(xiàn)實控制程序完成，其模塊功能劃分清晰、操作便捷，能夠較大程度提升建模效率；并且該控制程序能夠與3ds Max 充分結合，保證建立的虛擬現(xiàn)實模型具備極高效果。該控制程序結構如圖2所示。

VRP 三維虛擬現(xiàn)實控制程序中，包括多種虛擬現(xiàn)實軟件，通過軟件之間的相互結合實現(xiàn)水輪子轉子三維建?？刂?；該程序自帶腳本編輯功能，能夠為不同的用戶需求提供不同的服務，當交互較為復雜時，可通過編程接口進行編程，完成復雜的交互處理。

1.2.2 基于3ds Max的水輪子轉子實體建模

三維建模是系統(tǒng)的基礎，能夠構建系統(tǒng)所需的仿真對象；且構建的水輪子轉子三維模型的精確程度對場景和系統(tǒng)的模擬效果存在直接關聯(lián)和影響。由于3ds Max能夠與VRP三維虛擬現(xiàn)實控制程序充分結合，且3ds Max 在建模過程中能夠完成水輪機轉子實體建模、屬性建模以及場景建模，同時能夠更好地刻畫和描述轉子的幾何形狀、材質屬性、轉子的動態(tài)和靜態(tài)屬性以及空間的布局；文中采用3ds Max 完成水輪機轉子實體三維建模。

水輪機轉子實體建模時，需以實物為參照，并收集其相關的材料和數(shù)據，建模時按照整體到局部的過程完成，保證轉子的各個細節(jié)刻畫清晰，詳細建模步驟如下所述：

（1）構建水輪機轉子的基礎模型，以設備的實際形狀和相關數(shù)據為依據，通過幾何建模方法完成，在該過程中，需根據模型在仿真過程中的動作情況［7］，確定模型為動態(tài)還是靜態(tài)。

（2）對轉子模型實行精細化編輯，采用3ds Max 中各類編輯工具完成，確保模型的細節(jié)與真實設備一致。

（3）對精細化編輯后的模型實行材質渲染［8］，其通過材質球完成，對轉子模型的基本材質、漫反射、光亮度以及貼圖等進行材質設置，完成轉子模型的初步形成，在此過程中，渲染的效果會對最后形成的場景真實度造成直接影響。

（4）對初步形成的轉子模型進一步處理，將冗余的部分實行刪除處理，并通過視覺注意機制，實現(xiàn)模型色彩的調整優(yōu)化，完成轉子的三維實體建模和優(yōu)化，并且可以此保證系統(tǒng)能夠高效運行。

（5）采用3DMaxOSG 模型瀏覽插件對構建完成轉子模型進行導出，使模型滿足OpenSceneGraph 應用程序接口調用的統(tǒng)一格式，并以模型的所屬類型將其存儲至對應的實體模型庫中。

轉子三維實體建模整體流程如圖3所示。

圖3 模型構建流程Fig.3 Construction process of the model

轉子實體三維模型在構建過程中，為實現(xiàn)模型顏色的調整，以視覺注意機制完成模型顏色的調整。轉子三維模型的構建是由多個元素構成［9］，其數(shù)量用m表示，模型的第i個和第j個元素分別用ci和cj表示，兩者之間的色彩對比度（即色差）用Cij表示，其計算公式為：

式中：Ak表示相對重要程度均表示亮度值，分別對應ci和cj兩種元素；a*和b*表示兩種色彩通道，ci和cj在a*和b*的色彩通道值分別用和表示。

元素i和j的色彩對比度和相關程度兩種矩陣分別用C和O表示，如果轉子的三實體模型的組成元素之間具備較高的相關性，則在較近的位置設定Cij值較小的元素，避免模型構建后的視覺色彩過于雜亂；反之，在較近的位置設定Cij值較大的元素，提升模型的視覺效果。元素i和j的色彩模型計算公式為：

式中：oij表示元素i和j的相關程度；φ表示判斷值，用于元素相關程度大小的劃分；dij表示元素i和j距離。

依據公式（2）即可完成轉子三維實體模型的色彩調整。

1.3 基于虛擬場景的水輪機轉子故障模擬交互

本文系統(tǒng)在實行交互過程中，采用VRML 交互機制完成水輪機轉子故障模擬交互。該機制是一種跨平臺的虛擬現(xiàn)實建模語言，其能夠增加交互過程中的真實性和沉浸感；并且，依據該系統(tǒng)的在培訓時需要滿足移動終端瀏覽器的應用需求以及水輪機轉子的動態(tài)特性，結合Java 小應用程序（Java Applet），實現(xiàn)瀏覽器頁面的加載，可通過瀏覽器完成Java 程序的調用，交互實現(xiàn)結構如圖4所示。

圖4 交互結構Fig.4 Interactive construction

VRML 交互機制結合Java Applet 在實行交互時，VRML 交互機制采用傳感器節(jié)點完成用戶在虛擬場景中位置的感知，獲取水輪機轉子故障三維模擬［10］；Java Applet 則具備用戶交互所需的控件，即仿真控制引擎，其可對水輪機轉子動態(tài)參數(shù)實行控制，并且該引擎能夠將基礎層中存儲的水輪機轉子的相關數(shù)據傳送至虛擬模型中，同時與VRML 相連接，通過場景的驅動實現(xiàn)水輪機轉子的動態(tài)生成，并完成場景交互。

1.4 水輪機轉子故障診斷

為了完成人員培訓模擬以及故障診斷，在完成水輪機三維實體建模后，需要在故障模擬交互過程中，完成水輪機轉子故障診斷［11］，向場景內的學習人員提供轉子的故障情況。本文采用支持向量機（Support Vector Machine，SVM）進行水輪機轉子故障識別；SVM 的診斷原理是建立最優(yōu)分類面后，使其與各個樣本之間的間隔最大。轉子故障診斷的詳細步驟如下所述：

設{(xi，yi)|i=1，2，…，n；xi∈Rd}表示學習樣本集，其中xi表示水輪機轉子的三維實體模型圖像有效特征組合，yi表示轉子故障的期望分類結果，且yi∈（-1，1）。

依據類間隔最大化目標，求解最優(yōu)分類面H，其求解公式為：

式中：C和ξi均表示因子，前者對應懲罰，后者對應松弛；?(?)表示核函數(shù)，2/‖ω‖表示間隔，對應兩個類別之間。

為獲取最優(yōu)的分類面函數(shù)，需將公式（3）的優(yōu)化問題進行轉換，使其形成對偶問題，該轉換采用拉格朗日函數(shù)函數(shù)，其公式為：

式中：αi表示乘子；ω.xi+b=0表示分類面方程；對ω、b以及αi實行偏微分求解，使其等于零，結合公式（4）的約束條件，對公式（5）實行二次優(yōu)化，經過求解獲取最優(yōu)分類面函數(shù)，其公式為：

2 測試結果和分析

為測試本文系統(tǒng)的應用效果，將其用于某水電廠人員培訓與轉子故障診斷中。采用本文系統(tǒng)對水輪機轉子實行三維實體建模，獲取三維實體模型，以此衡量本文系統(tǒng)的可行性，建模結果圖如圖5 所示。由圖5 可知，本文模型能夠依據實際水輪機設計圖完成水輪機三維實體模型的構建，并且可全方位查看模型情況，具備仿真模擬的可行性，能夠為人員的培訓提供仿真三維模型。

圖5 三維實體模型構建結果Fig.5 Construction rsult of three-dimensional model

為測試本文系統(tǒng)的三維模型構建效果，對圖5 中的實體模型實行材質渲染，并通過視覺注意機制對模型的顏色實行調整和優(yōu)化，獲取優(yōu)化后的水輪機組和轉子三維模型，結果如圖6所示。由圖6可知，本文系統(tǒng)具備良好的色彩優(yōu)化效果，可賦予水輪機不同組成元素不同的顏色，并且色彩效果飽和度較好，是由于本文系統(tǒng)在三維實體建模過程中，采用VRP 三維虛擬現(xiàn)實控制程序和3ds Max 完成，并且在建模完成后，基于視覺注意機制對模型的色彩實行優(yōu)化，實現(xiàn)模型的顏色調整，能夠保證模型的整體顏色飽和度。

圖6 色彩優(yōu)化后的三維實體模型Fig.6 Three-dimensional model under color optimization

本文系統(tǒng)在進行水輪機轉子故障交互前，需對故障進行模擬和診斷，為學員提供逼真的故障檢測場景，因此，需保證本文系統(tǒng)能夠準確完成故障診斷。測試本文系統(tǒng)的水輪機轉子故障診斷效果，獲取本文系統(tǒng)在水輪機轉子的三維實體模型圖像有效特征不同數(shù)量下，故障的診斷結果與期望診斷結果直接的差距，結果如圖7 所示。由圖7 可知，隨著模型中有效特征數(shù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)均能夠完成轉子故障的診斷，特征數(shù)量的增加對于診斷結果造成明顯影響，診斷結果均高于期望結果。因此，本文系統(tǒng)具備良好水輪機轉子故障診斷效果，為故障模擬提供可靠支撐，向學員呈現(xiàn)準確的故障結果。

圖7 故障診斷結果Fig.7 Result of fault diagnosis

為判斷本文系統(tǒng)的水輪機交互效果，登錄系統(tǒng)進入交互界面，獲取交互現(xiàn)實效果，結果如圖8 所示。由圖8 可知，本文系統(tǒng)具備良好的虛擬交互效果，學員登錄后，可通過相關的操作實現(xiàn)場景交互，并且可全面獲取水輪機整體模擬結果以及其組成架構信息，并且獲取點擊轉子部件，顯示轉子的詳細的信息，全面了解水輪機轉子知識；在該交互過程中，可同時支持多人共享、并發(fā)學習或者單獨學習。

圖8 水輪機虛擬交互效果Fig.8 Interactive result of hydraulic turbine

為衡量本文系統(tǒng)的虛擬場景交互性能，以交互可信度作為衡量標準，測試本文系統(tǒng)不同共享交互人員數(shù)量下，隨著仿真時間的逐漸增加，交互可信度的結果變化情況（期望結果在0.90 以上），結果如圖9 所示。由圖9 可知，在不同的共享交互的人員數(shù)量下，隨著仿真時間的逐漸增加，可信度發(fā)生較小的幅度變化，但是整體交互可信度結果均在0.92 以上。因此，本文系統(tǒng)具備良好的共享、并發(fā)交互性能，能夠滿足人員數(shù)量較多的培訓應用需求。

圖9 交互可信度測試結果Fig.9 Testing result of interactive credibility

3 結論

水輪機是水電站在水力發(fā)電中的主要設備機組，其轉子會發(fā)生不同的故障，由于水輪機的工作環(huán)境條件限制，水電站在對維修人員進行培訓以及故障診斷時存在較大難度，因此本文設計基于虛擬仿真的水輪機轉子故障模擬系統(tǒng)，用于完成轉子故障的診斷模擬，通過逼真的虛擬場景實現(xiàn)與人員之間的交互，提升培訓效果。測試結果表明：本文系統(tǒng)具備良好的水輪機轉子三維實體建模效果，能夠保證模型較佳的視覺色彩效果，并且能夠準確提供轉子故障信息，支持共享交互，提升培訓效果。