水輪機調節系統運檢合一虛擬仿真培訓平臺開發

張 彬 橋,李 述 喻,楊 文 娟,3

(1.梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室(三峽大學),湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002; 3.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

水電在中國能源結構中占據重要地位。水電站安全高效運行是水電生產的頭等大事,高素質的運行檢修隊伍是確保水電站安全高效的關鍵。但傳統師傅帶徒弟的培訓方式周期長、效率低,培訓質量無法保障,特別是水輪機調節系統運行機理和檢修結構十分復雜,在水電站數字智慧化及運檢一體化背景下,迫切需要基于新的技術和模式進行水電站運檢合一技能培訓和指導,快速提升新形勢下水電站智能運維水平,從而增強電力生產的安全可靠性。

虛擬現實技術因其無破壞、可重復、沉浸式等優點廣泛應用于虛擬裝配、運行分析和操作培訓等方面[1-4],在水電站仿真領域也有初步應用。文獻[5-6]開發了以三維動畫為核心的水輪機發電機組虛擬仿真培訓系統。文獻[7-8]在多媒體動畫演示基礎上結合了虛擬裝配技術,實現了以自主學習與模擬訓練功能為核心的虛擬培訓系統。陳新等[9]應用Unity 3D實現了水電站的三維場景漫游、機組模擬拆裝、典型操作與誤操作模擬仿真功能。但上述研究側重機組檢修過程三維培訓,對系統運行原理和操作規程未有相關涉及,導致對水輪機調節系統等水電站關鍵控制環節呈現深度不足,無法滿足水電站運檢合一培訓需求。

本文以水輪機調節系統為對象,綜合水電站運行和檢修培訓實際需求,采用3ds Max軟件和Unity 3D引擎,將水輪機調節系統運行原理與檢修工藝流程知識相融合,構建具有深度沉浸感的交互式虛擬仿真學習環境,為水電站運檢合一培訓提供更為高效的途徑。

1 水輪機調節系統虛擬平臺架構設計

1.1 功能架構

根據水電站對運檢合一培訓需求,將水輪機調節系統虛擬培訓平臺分為3大模塊,如圖1所示。

圖1 平臺功能Fig.1 Platform functions

(1) 虛擬漫游模塊。提供水輪機調節系統三維全景視圖,展示水輪機調節系統各裝置物理分布以及運檢知識的三維檢索和瀏覽界面。

(2) 虛擬檢修模塊。通過檢修工藝流程三維動畫,演示虛擬環境下水輪機調節系統檢修過程,輔助培訓人員熟悉各組件結構與功能。同時,提供虛擬環境下的沉浸式動態交互拆裝功能并對拆裝工藝流程進行考核評價。

(3) 虛擬運行模塊。仿真水輪機調節系統運行機理和規程,反映不同運行工況和操作狀態下的系統動態變化過程,并對水電站可能出現的各類事故進行模擬演練。

1.2 技術架構

平臺基于Unity 3D引擎,采用3ds Max建模工具和C#腳本語言,協同搭建反映水輪機調節系統運行原理和操作規程與檢修工藝流程的虛擬培訓平臺。

首先利用3ds Max系統制作水輪機調節系統運檢合一的三維模型,采用關鍵幀動畫技術對模型動態動作過程進行學習演示,并添加語音講解及文字注釋后保存為.FBX格式文件后導入Unity 3D;在Unity 3D引擎中利用GUI技術建立運行操作邏輯和交互式檢修拆裝操作邏輯的控制界面。三維模型和多媒體動畫導入引擎后利用Animation動畫控制功能及碰撞檢測算法實現自主學習與交互檢修拆裝操作;水輪機調節系統的動態變化模型、狀態關聯模型和裝置結構模型相結合實現運行和檢修過程的動態可視化表達。虛擬培訓平臺整體技術架構如圖2所示。

圖2 技術實現流程Fig.2 Technical implementation process

2 系統關鍵技術

2.1 基于3ds Max的水輪機系統結構建模

采用3ds Max進行水輪機調節系統結構建模。其難點在于水輪機調節系統組成復雜,運行檢修邏輯繁多。例如事故配壓閥、主配壓閥、緊急停機閥等不規則器件在運行和檢修時的可視化效果不一,建模時應進行簡化和分解處理,在保證模型與實體基本一致的情況下盡可能精簡。

同時,為保證模型的逼真度,需收集充足的原始資料,包括水輪機調節系統各零部件尺寸、工程裝配圖和工廠圖片以便構造模型結構和材質;對調節系統三維全景模型可采取現場拍攝及三維點云數據融合配準技術[10-11],做到盡可能還原現場,增強虛擬漫游的沉浸感。

以螺旋油泵為例,可按圖3所示分解為多個簡單模型分別建模,然后合并處理,其在3ds Max中的合成效果如圖4所示。

圖3 螺旋油泵制作Fig.3 Production of spiral oil pump

圖4 螺旋油泵渲染圖Fig.4 Rendering of spiral oil pump

在基本零部件三維模型基礎上,按照水輪機調節系統運行檢修規程制定運行操作邏輯和檢修拆裝流程,將有帶動關系的零部件連接父子關系,利用關鍵幀動畫技術實現檢修流程與工藝的三維多媒體演示動畫。以安全泄壓閥為例,其在3ds Max中的動畫制作效果如圖5所示。

圖5 安全泄壓閥拆卸動畫制作Fig.5 Animation of safety relief valve disassembly

2.2 基于Unity 3D的虛擬仿真平臺構建

2.2.1基于Unity3D的人機界面

Unity 3D是一款功能強大的三維虛擬交互開發引擎,具有卓越的可視化表達功能,場景渲染效果優異,可搭建逼真的虛擬仿真平臺。本文中用該軟件開發的人機界面用于水輪機調節系統虛擬仿真平臺的功能模塊選擇以及操作過程的邏輯交互控制。人機界面基于驅動整個UI系統的畫布(canvas)建立,其余UI元素在其基礎上制作,通過將其他UI元素設置為畫布的子節點保證界面的正常運轉,并利用GUI技術結合C#腳本語言實現運行邏輯控制。

2.2.2基于Unity3D的三維模型控制

(1) 虛擬漫游模塊。該模塊重點采用第一人稱視角漫游技術。首先,把水輪機調節系統三維全景模型導入Unity 3D,創建主角與攝像機,將攝像機設置為主角的子物體并置于前方充當其“眼睛”。其次,在主角的屬性面板添加Character Controller組件并掛載C#控制腳本實現視角移動。同時,為輔助用戶近距離觀察器件,定義Distance變量控制相機與target的距離,利用GetAxis獲得滾輪旋轉的程度,實現視角的放大與縮小;也可利用GetAxis獲得鼠標在x與y方向平移的距離,通過旋轉相機本體坐標系的x與y軸實現視角切換。最后,可添加Mesh Collider組件防止在移動過程中發生穿透或掉落地面這類異常事件。

(2) 虛擬檢修模塊。該模塊由自主學習版塊和交互操作版塊構成。自主學習版塊采用多媒體動畫教學。將動畫導入Unity 3D后在Inspector面板對Animator屬性進行設置,完成播放,添加Button組件并掛載C#控制腳本實現對動畫的暫停、繼續、重新開始、上一步/下一步操作。

交互操作版塊基于碰撞檢測算法并結合檢修流程[12-13],解除或增加各零件間的約束關系使其分離或結合。利用Ray射線與RaycastHit射線投射信息,進而對零件間碰撞距離進行判斷,若碰撞距離逐漸縮小,直至小于設定閾值,則認為兩個零件已完成安裝;反之,則認為兩個零件已完成拆卸。此處采用以下兩種拆裝模式。

層次關系模式依據圖6所示的層級關系進行拆裝。一個器件可分成多層級的子級裝配體和零件,子裝配體可根據檢修需要作進一步拆裝。

圖6 層次關系邏輯Fig.6 Hierarchical logic diagram

關聯關系模式邏輯如圖7所示。圖中每個節點代表被拆裝的零件,它們之間的配合關系用一條有向線段表示。裝置拆卸過程中把相關聯的零件作為一組整體拆卸,接著對這個整體再作進一步拆解,這樣可以忽略冗雜的內部約束,提高拆卸效率;對于裝配過程亦同理。

圖7 關聯關系邏輯Fig.7 Relational logic diagram

為提高用戶操作過程的沉浸體驗,利用接觸物體時顏色變化提示反映當前操作狀態。將器件中每個零件設有一個白色輝光的材質球,添加鼠標移動檢測功能:當鼠標進入設備范圍時,模型顯示白色輝光;反之則還原器件材質屬性。

鑒于水輪機調節系統部件繁多,系統將檢修涉及的部件分為4類:調速器機械柜、油壓裝置、過速系統與接力器,分別對應水輪機調節系統的控制、動力、保護與執行機構,其詳細的部件分類匯總如表1所列。

表1 水輪機調節系統部件分類Tab.1 Component classification of hydraulic turbine regulating system

(3) 虛擬運行模塊。該模塊以水輪機調節系統各裝置作為虛擬仿真對象,實現其運行工況以及故障模擬的動態可視化仿真。建立如圖8所示的系統裝置動態變化模型、狀態關聯模型和裝置結構模型,分別對應運行過程中系統動態變化的仿真模擬、各運行狀態間的轉換以及作為可視化表達的載體,其中技術難點在于動態變化模型與狀態關聯模型的構建。

圖8 系統運行可視化仿真框架Fig.8 Visual simulation framework for system operation

狀態關聯模型應用基于Untiy 3D引擎的有限狀態機技術實現系統在不同工況下的運行狀態轉換。其主要有4個要素,即現態、條件、動作、次態。虛擬運行項目中狀態機的關鍵是事件機制和控制狀態的控制類,前者是狀態啟動或停止運作的關鍵;后者存儲了系統的各個狀態,并且提供了輸入事件的接口,以實現對狀態機的管理,進而可以控制各種運行邏輯。由此控制裝置的虛擬模型按照實際物理狀態運轉及運行模式切換,并將這一過程以可視化的形式呈現給用戶。

動態變化模型組成包括裝置特性模型和運行控制模型。裝置特性模型由裝置的狀態輸入、狀態輸出和I/O分析模型構成;而運行控制模型由系統固有屬性、系統事件匯總和運行仿真控制組成。其中,輸入變量表示影響當前裝置運行的參數或狀態輸入;輸出變量表示裝置運行的狀態量;I/O分析模塊表示在裝置運行中根據所收集的狀態數據轉換成對應系統事件的分析處理單元;運行仿真控制單元表示根據輸入的狀態或參數對裝置的動態模擬過程進行控制,此過程需考量系統的固有屬性;系統事件匯總表示運行過程中從控制單元接收的各種控制指令等。

3 系統主要功能

3.1 虛擬漫游模塊

虛擬漫游模塊可提供水輪機調節系統三維全景視圖,引導培訓人員在水電站廠房內虛擬漫游,并可隱藏周圍環境模型,直觀展示該系統各裝置在水電站內部的管道連接與物理分布,漫游過程中可三維瀏覽或檢索各裝置的工作原理與檢修知識。用戶可結合鼠標與鍵盤的聯動操作實現在虛擬場景下的空間移動及視角旋轉、放大與縮小。系統漫游效果如圖9和圖10所示。

圖9 系統漫游效果Fig.9 System roaming effect

圖10 油壓裝置細節全景圖Fig.10 Overall perspective of oil pressure device

3.2 虛擬檢修模塊

虛擬檢修模塊依據《水輪機調速器檢修》以及水電站檢修操作規程制作。自主學習版塊采用檢修流程與工藝的三維動畫,演示虛擬環境下的水輪機調節系統各部件檢修過程;交互操作版塊提供虛擬環境下的沉浸式動態交互拆裝功能并對拆裝工藝流程進行考核評價。以事故配壓閥為例,其具體檢修流程和工藝要求如下。

(1) 檢修流程。① 將接力器排油管接上膠管與排油系統連通,排凈排油管內的油。② 拆下事故配壓閥后端蓋的緊固螺栓,抬下后端蓋;拆下事故配壓閥前端蓋的緊固螺栓,抬下前端蓋,抽出導向桿及活塞,由兩人抬出事故配壓閥活塞。③ 檢查事故配壓閥活塞及小活塞的磨損情況,活塞止口及襯套止口處應完整無毛刺,導向桿應無彎曲、變形,測取活塞間隙。④ 回裝前,將事故配壓閥活塞及小活塞上的研痕及毛刺用金相砂紙處理好,用汽油將各部件清洗干凈,并用白布擦干。⑤ 回裝時,在事故配壓閥活塞、小活塞及襯套內壁上涂以干凈的透平油,并更換新的密封墊。

(2) 工藝要求。① 活塞無損傷,開口與間隙符合圖紙要求;② 動作靈活,無卡阻,無滲油現象。

3.3 虛擬運行模塊

虛擬運行模塊對水輪機調節系統運行機理和運行規程進行仿真,演示水輪機調節系統的基礎運行模式和水電站事故模擬,如圖11所示。同時也可反映不同運行工況和操作狀態下的系統動態變化過程,相關參數根據選擇的仿真項目進行數值計算以改變當前運行狀態,其主要運行參數靜態誤差不大于1.0%,動態誤差不大于10%。以油壓裝置為例,其動態變化過程的可視化通過裝置中油位指示計的變化呈現,并輔以數據監控面板實時準確觀察其變化。

圖11 事故模擬演練Fig.11 Simulated drill for accident

在該系統中,油壓裝置重點展示壓力油罐與回油箱油位變化,其油位變化速度VO(mm/s)根據公式(1)確定。

(1)

其中,ΔHh代表油位變化刻度。

壓力油罐油位變化速度由公式(2)確定,依據油罐的進油量與耗油量共同決定。

(2)

式中:qybA為A油泵向壓力油罐的輸油速度;qybB為B油泵向壓力油罐的輸油速度;qwl為油路的外漏速度;qhy為油路的耗油速度;qcy為油路的串油速度;qck-hy為油路中操控耗油速度;r為油罐半徑。

回油箱油位變化速度由公式(3)確定。依據油路流入回油箱的速度、漏油泵從漏油箱抽入的油速和打油泵從回油箱抽油速度綜合決定。

(3)

式中:qh-by代表回油箱補油的速度;ql-cy代表漏油箱抽油的速度;qh-hy代表油流入回油箱的速度;CL和CW分別代表回油箱的長度和寬度。

4 系統應用實例

本文以向家壩水電站為研究對象,針對其運檢一體、運維合一電力生產新模式下的培訓需求,基于本文提出的關鍵技術開發了水電機組運檢一體可視化平臺并實際推廣應用,取得良好培訓效果。平臺總體框架如圖12所示。

圖12 運檢一體可視化平臺整體框架Fig.12 Overall framework of integrated operation and maintenance visualization platform

采用3ds Max軟件對向家壩電站80萬kW巨型水輪發電機組進行物理結構三維交互式建模。當用戶選中水輪機組某一組件時就能以多維多媒體可視化界面呈現該設備結構、工作原理、運行及檢修管理知識。當用戶點擊交互式運行檢修功能時,系統會實時跟蹤用戶虛擬運行檢修的操作步驟并和機組標準檢修流程進行對比,若操作錯誤,則以文本或語音等方式提示供操作者及時糾正。

以調速器漏油運維操作為例,當發生調節系統漏油故障時。

運行人員在交互運維界面中調用工具箱中的扳手、鉗子、管鉗、密封墊、棉紗等檢修工具進行油管拆卸和密封墊及油管安裝等運維操作。調速器油管路缺陷處理完畢后,對油管路打壓,確認密封完好、各接頭無漏油后完成整個運維項目。運維一體操作界面如圖13所示。

圖13 水輪機調節系統漏油故障運維一體操作界面Fig.13 Operation interface for oil leakage fault operation and maintenance of hydraulic turbine regulating system

5 結 語

針對水輪機調節系統內部結構復雜、培訓中關鍵控制環節呈現深度不足以及系統運行原理和檢修操作規程的培訓效率低下等問題,本文提出一種基于Unity 3D引擎的水輪機調節系統運行與檢修虛擬培訓相交融的策略,將有著深度沉浸感的交互學習模式引入到了水輪機調節系統運行機理和檢修培訓中,實現了全系統的虛擬漫游、虛擬檢修和虛擬運行等功能,為解決傳統培訓中存在的各種困難與局限性提供了一條高效的途徑,提高了水電站運維人員的培訓效果。