水輪發電機資料管理的MR操作實現及應用

林濱 余善良

摘? 要：水輪發電機內部的結構設計較為復雜，為了降低設備維護人員的工作難度，將混合現實技術與設備相關參數信息結合，提出了一種基于混合現實技術的資料管理系統。系統提供了一個易于使用的界面，可以清晰直觀地向使用人員展示設備相關零部件的二維和三維結構。系統將MR技術與電廠圖文檔資料管理融合創新，極大地提高了設備維護的效率，同時降低了設備維修的成本。

關鍵詞：混合現實；資料管理系統；設備狀態可視化；工業智能化

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0081-04

Realization and Application of Hydrogenerator Data Management MR Operation

LIN Bin， YU Shanliang

（Fujian Mianhuatan Hydropower Development Co.， Ltd.， Longyan? 361000， China）

Abstract： The internal structural design of hydrogenerators is relatively complex. In order to reduce the work difficulty of equipment maintenance personnel， a data management system based on hybrid reality technology is proposed by combining hybrid reality technology with equipment related parameter information. The proposed system provides an easy-to-use interface that can clearly and intuitively display the two-dimensional and three-dimensional structures of equipment related components to the users. The system integrates AR technology and data management of power plant drawings and documents， greatly improving the efficiency of equipment maintenance， while reducing the cost of equipment maintenance.

Keywords： hybrid reality; data management system; visualization of equipment status; industrial intelligence

0? 引? 言

隨著水力發電產業的不斷發展，國內外的水力發電企業逐漸將信息化技術與傳統產業相結合，用信息技術為產業賦能，從而為企業創造新的價值。在這個過程中，混合現實（Mixed Reality， MR）技術因其可以與真實環境、真實物體進行良好結合的特性，逐漸被大家所接受，并成為提升生產力的重要工具。當前可以提供混合現實體驗的設備主要分為兩類，即全息設備和沉浸式設備。全息設備的特征是能夠顯示數字對象，就像是這些對象存在于真實世界中一樣。沉浸式設備的特征是能夠隱藏物理世界特征，并將其替換為全沉浸式數字世界特征?；旌犀F實一般采用光學透視技術，通過雙目攝像頭實時采集你看到的“現實”世界并數字化，通過計算機算法實時渲染畫面，既可以疊加部分虛擬圖像也可以完全疊加虛擬圖像，人眼看到的是經過計算機渲染后新的“現實畫面”。本文提出了一種基于MR的資料管理系統（Document Management System based on Mixed Reality， DMS-MR），并在實際的生產應用中實現了良好的使用效果。

隨著硬件設備的不斷更新，人機交互（Human-Computer Interaction， HCI）對于用戶而言逐漸成為一項衡量系統性能的重要指標。目前，基于虛擬現實（Virtual Reality， VR）設備的混合現實技術逐漸被應用于實際生產中?；旌犀F實可以將物理世界和數字世界進行融合，在MR設備的一端是人類所在的物理現實，另一端是相對應的數字現實?；旌犀F實的概念首先由微軟公司提出，強調物理實體和數字對象共存，并能夠實時進行相互作用。相對于虛擬現實技術和增強現實（Augmented Reality， AR）技術，混合現實選取了虛擬現實的環境模擬能力和增強現實的場景識別能力，實現了用戶與環境之間的互動效果。

水輪發電機資料MR管理應用了云平臺、大數據、三維仿真、二維碼及MR等現代化技術，實現數字化、智能化、信息化的圖文檔資料管理方式。實現圖紙、文檔資料管理的數字化、智能化、信息化，提高電廠數據、資料的存儲安全。最大程度提高電廠主設備圖紙、資料等數據的查詢速度和效率，實現機組設備資料查詢不受時間和空間限制，隨時調用設備歷史檢修數據信息。通過AR技術（增強現實）實現水輪發電機組裝配在“會議室”環境真實再現，為技術會議提供最便利、最逼真的討論環境，可以現地讀取設備實時數據及歷史數據。

資料管理的MR操作實現系統是集動畫、圖紙、語音、文字等多媒體形式、素材為一體的數字化軟件集成系統。將各種類型的素材進行編輯處理，實現菜單式分布、圖形化管理、交互式行為以及分級權限管理的目的，通過掃描設備上的二維碼可以在設備旁查看此設備的三維仿真模型、二維圖紙、主要數據、重要報警值等。

本項目將MR技術應用于水輪發電機組以下幾方面：1）顯示發電機層機組裝配部件主要參數及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實現發電機層以上可視部件，如：集電環、主軸中心孔補氣裝置、調速器及油壓裝置的主要性能參數、實時運行數據及與其相關圖紙和文字資料的現地、實時顯示。2）顯示水輪機層機組裝配部件主要參數及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實現水輪機層可視部件，如：主軸、水導、接力器、導水機構等設備的主要性能參數、實時運行數據（如水導油溫、瓦溫等）及相關圖紙和文字資料的現地實時顯示。3）會議室。在會議室通過佩戴AR眼鏡可以將水輪發電機組三維仿真模型“真實呈現”，并可以通過“預設手勢”控制裝配模型的旋轉、剖切等操作，與“機組裝配”進行交互；實現主要裝配部件（如定子、轉子、導水機構、轉輪等）的三維感官查看，并可以調用相應部件圖紙、性能參數及主要歷史數據。為技術會議討論提供最真實、最便利的仿真環境。

1? 研究背景

目前，MR技術在教育、軍事和醫療領域的應用成果較為突出，在工業生產中更多被用來作為監測和培訓的輔助手段。面對復雜機電設備故障位置不直觀、專業維修不及時的問題，張旭輝[1]等人將數字孿生與混合現實技術應用于機電設備維修中，并在實際應用中驗證了該方法的有效性。為了簡化傳統巡檢的煩瑣流程，馬新博[2]等人基于混合現實設備建立了設備的三維模型和標準檢修意見指導庫，有效提升了巡檢效率。

徐劍[3]等人簡單介紹了目前我國水電企業的發展現狀，對智慧電廠進行概述，并詳細介紹了智慧電廠中虛擬現實輔助檢測維修技術的應用情況，并對智慧電廠新技術的發展進行了展望和總結。唐勇[4]等人從水電企業智慧電廠建設方向的角度，提出了智慧水電的建設模式和體系結構，介紹了瀑布溝電廠開展智慧電廠建設的實際案例，詳細闡述水電站綜合數據平臺和三維虛擬化廠房系統的內容。陳永記[5]等人以大型發電企業數字化轉型為應用背景，根據水電廠生產實際需求，提出了發電企業云邊協同體系架構。該體系結合了數字水電廠智能輔助決策、人機協同等需求，對虛擬化、數據中心、基礎服務等內容有詳細的描述，適用范圍較廣，并具有良好的推廣應用前景。

當前頭戴式設備和虛擬現實機器的銷售額呈逐年上升的趨勢[6]。相對其他兩種技術，增強現實因其經濟實惠和易于訪問的特點，在用戶中更受歡迎。與專業領域的知識相結合后，將會有效地提高學習效率。目前，MR技術已成功應用于工業生產的各個環節，包括遠程協助[7]、協同設計[8]和遠程維護[9]。MR系統可以利用3D CAD模型進行制造業培訓，專家可以通過虛擬現實的方式遠程指導廠房內的工人完成裝配任務。

作為當前市場上首批MR穿戴式設備之一，微軟HoloLens勢必會對AR應用的發展產生深遠的影響。開發人員首次可以使用操作簡便、易于使用的設備，并為不斷擴大的用戶群體部署MR應用程序。更重要的是，HoloLens本身就是一臺便攜式計算機，無須連接到外部機器即可運行，非常適合各種離線的應用程序。HoloLens 2設備是從HoloLens初代發展而來，是一臺穿戴式的全息計算設備，其基本性能參數如表1所示。其中，輻射點表示每個弧度的光點數。

項目將MR技術應用于水輪發電機組以下幾方面：AR顯示發電機層機組裝配部件主要參數及資料，通過佩戴AR眼鏡可以實現發電機層以上可視部件，如：集電環、主軸中心孔補氣裝置、調速器及油壓裝置的主要性能參數、實時運行數據及與其相關圖紙和文字資料的現地、實時顯示。可以顯示水輪機層機組裝配部件主要參數及資料如：主軸、水導、接力器、導水機構等設備的主要性能參數、實時運行數據（如水導油溫、瓦溫等）及相關圖紙和文字資料的現地實時顯示。

2? 基于MR的模型操作實現

2.1? 項目開發環境

本次開發使用的二維模型采用AutoCAD進行處理，三維模型采用Soildwork 2016進行查看和處理，索引文件采用Lucene軟件進行結構化處理，AR設備采用Microsoft公司的Hololens 2 AR眼鏡，并在H5頁面中實現項目的可視化。

2.2? 模型操作實現流程

MR操作主要在水輪發電機總裝配模型中實現。在佩戴AR眼鏡巡檢設備時，可以通過預設在設備上的熱點實現水輪發電機組總裝配、水輪機裝配和發電機裝配的三維裝配呈現，并可以通過預設手勢實現三維模型的凌空旋轉、拆分、剖切（預設）顯示。工作人員可以根據實際需要，調取相應裝配的主要參數，并演示運行工作動畫。

同時，水輪發電機總裝配模型可以拆分為水輪機裝配模型和發電機裝配模型兩個部分，其中水輪機裝配模型可以被拆分為導水機構、水導軸承、主軸密封、轉輪四個部件，每個部件均可以進行進一步拆分。以主軸密封裝配為例，可以細分為密封環、浮動環、抗磨環三個零件。發電機裝配模型也可以被拆分為定子裝配、轉子裝配、推力軸承裝配、發導軸承裝配四個部件。所有部件均拆分到下一級為止，之后不再進行拆分。

3? 基于MR的資料管理系統實際應用

首先，點擊AR眼鏡界面中的二維碼管理，進入掃描二維碼場景，調用前置攝像頭進行掃碼，顯示掃取信息，進行分析和顯示模型信息。在掃描到符合結果信息后，系統自動跳轉到指定場景，并對當前平臺模型圖紙等資料實現動態顯示。點擊模型名稱，即可進入到指定名稱的模型。此時，點擊圖紙按鈕，即可顯示當前模型的圖紙信息，如圖1所示。

用戶單個手指選中模型后，當用戶手部移動時，模型也隨之移動。同理，也可以實現模型的旋轉功能。當用戶兩個手指分別選中模型，即可實現如圖2所示的模型縮放，對角拉伸進行放大，對角收起進行縮小。

在操作菜單中，用戶可以點擊分散按鈕，將裝配體模型拆分為分散的部件或零件。分散后的零件將會移動到預先指定好的位置，以方便用戶查看內部結構。在內部結構查看完畢后，可以點擊菜單里的合并按鈕將模型組合為裝配體。模型分散的實現效果如圖3所示。

4? 結? 論

本文提出了一種基于MR的資料管理系統DMS-MR，通過利用混合現實技術進行水輪發電機設備的3D展示，可以有效地對設備的結構和相關參數進行掌握。同時，所提出的系統也可以幫助新員工快速熟悉設備的關鍵部件，為設備的日常維護和檢修工作提供了指導。本系統不僅適用于水力發電站，火電、風電等其他類型的發電站也可以嘗試進行推廣使用。

參考文獻：

[1] 張旭輝，張雨萌，王巖，等.融合數字孿生與混合現實技術的機電設備輔助維修方法 [J].計算機集成制造系統，2021，27（8）：2187-2195.

[2] 馬新博，荊洪迪，柳小波，等.基于混合現實的地下礦山設備巡檢系統研究 [J].金屬礦山，2022（9）：188-193.

[3] 徐劍，張磊磊.智慧電廠新技術應用現狀及發展研究[J].科學技術創新，2019（31）：73-74.

[4] 唐勇，劉鶴，張力，等.瀑布溝電廠智慧水電建設實踐[J].熱力發電，2019，48（9）：156-160.

[5] 陳永記，白光輝，周領.云邊協同體系下水電廠統一數據平臺研究與應用[J].電力信息與通信技術，2021，19（7）：1-8.

[6] TABASUM M，NEHA T，ARCHANA M，et al. Virtual Reality，Augmented Reality，and Mixed Reality Applications：Present Scenario [C]//Processing of 2022 2nd International Conference on Advance Computing and Innovative Technologies in Engineering （ICACITE）.Greater Noida：IEEE，2022：1405-1412.

[7] PIUMSOMBOON T，DEY A，ENS B，et al.The effects of sharing awareness cues in collaborative mixed reality [J/OL].Frontiers in Robotics and AI，2019，6，（5）：（2019-02-08）.https：//doi.org/10.3389/frobt.2019.00005.

[8] WANG P，ZHANG S，BAI X，et al. A comprehensive survey of ar/mr-based co-design in manufacturing [J].Engineering with Computers，2020，36（4）：1715-1738.

[9] WANG P，ZHANG S，BAI X，et al. 2.5dhands：a gesture-based mr remote collaborative platform [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，102（5-8）：1339-1353.

作者簡介：林濱（1979.01—），男，漢族，福建龍

巖人，高級技師，工程師，本科，研究方向：水電生產技術

管理；余善良（1987.01—），男，漢族，福建龍巖人，工程師，本科，研究方向：水電生產技術管理。