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虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電站汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢維修中開發(fā)和應(yīng)用

張澤雄（華能海門電廠， 廣東 汕頭）

摘要：通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對燃煤電站汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)備的拆裝過程、檢修工藝、運(yùn)轉(zhuǎn)原理進(jìn)行三維展現(xiàn)與仿真，并在將設(shè)備三維模型與運(yùn)行參數(shù)、檢修維護(hù)數(shù)據(jù)綜合有效關(guān)聯(lián)，幫助專業(yè)技術(shù)人員對設(shè)備的檢修施工、質(zhì)量控制、專業(yè)技術(shù)臺(tái)帳等進(jìn)行科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理； 提高汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn)防范能力、降低設(shè)備檢修成本、加強(qiáng)設(shè)備精細(xì)化技術(shù)管理水平； 系統(tǒng)為設(shè)備技術(shù)管理、檢修方案制定等提供強(qiáng)大的實(shí)用工具，培訓(xùn)直觀全面、效果優(yōu)良。

關(guān)鍵詞： 汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備； 檢維修； 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 設(shè)備技術(shù)管理

0 引 言

電站作為資產(chǎn)密集型企業(yè)，專業(yè)人員優(yōu)秀的設(shè)備技術(shù)管理水平是保證電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備是電廠系統(tǒng)組成中不可缺少的設(shè)備，種類繁多。不同種類設(shè)備在系統(tǒng)中所起作用不同，因工作環(huán)境、條件及工作原理差別大，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，檢修工藝方法差異大，難以制定統(tǒng)一的檢維修規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，增加了輔機(jī)設(shè)備檢維修工作量及難度。

1 電站汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢維修工作現(xiàn)狀簡介

由于電站百萬機(jī)組汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備圖紙資料不夠齊全，檢修質(zhì)量控制與檢修工藝、技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等做得不夠細(xì)致，仍然存在許多問題，嚴(yán)重影響輔機(jī)設(shè)備檢維修效果，導(dǎo)致輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行效率、安全、可靠性不高。鑒于以上問題，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高和改進(jìn)汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢維修工作，適應(yīng)了大容量機(jī)組汽機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢和要求，提高了專業(yè)人員技術(shù)水平、機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)和策略

能源行業(yè)三維數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用是近幾年來隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，能源需求的急劇增加和經(jīng)濟(jì)信息全球化的逐步加深而出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。它在能源行業(yè)的信息交流、生產(chǎn)經(jīng)營和管理決策中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著社會(huì)全面發(fā)展，安全生產(chǎn)問題已經(jīng)成為社會(huì)各界的關(guān)注焦點(diǎn)，不惜高投入、低效率的方式已經(jīng)走不通了，而利用三維數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建能源安全作業(yè)的數(shù)字化工廠應(yīng)用，提供多人在線交互式訓(xùn)練功能、推行封閉式演示、 指南式向?qū)Р僮骱烷_放式自 由操作的管理模式，能有效地解決能源企業(yè)面臨的問題。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在三維立體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的拆解、裝配、查看，并以三維動(dòng)態(tài)虛擬的方式表現(xiàn)了各類輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行原理、檢修仿真。同時(shí)，三維模型能與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)開發(fā)，減少管理層與汽機(jī)專業(yè)人員信息傳遞損失，提高工作效率；鞏固設(shè)備理論知識(shí)、提升設(shè)備檢維修業(yè)務(wù)能力、提升電廠汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的事故分析及風(fēng)險(xiǎn)防范能力；有效掌握汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性與運(yùn)行規(guī)律，提高設(shè)備檢維修效率、降低檢維修成本、增強(qiáng)機(jī)組設(shè)備可靠性等，為現(xiàn)代化的設(shè)備采用精細(xì)化的管理提供了三維可視化技術(shù)支撐， 進(jìn)一步提高了汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的管理水平和技術(shù)水平。

3 鍋爐三維數(shù)字化的技術(shù)路線和研發(fā)內(nèi)容

3.1 技術(shù)路線

1）系統(tǒng)軟件執(zhí)行核心三維數(shù)字化引擎讀取系統(tǒng)配置文件，根據(jù)配置文件判斷顯示模式，根據(jù)顯卡的硬件（顯卡的顯存數(shù)量和GPU核心運(yùn)算速度）自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)模型顯示參數(shù)。根據(jù)以上信息建立與顯卡的硬件連接，做好三維可視信息的輸出準(zhǔn)備。根據(jù)模型編輯器設(shè)計(jì)好的模型信息、燈光信息、材質(zhì)信息、攝像機(jī)信息以及腳本信息提交到模型引擎，由引擎啟動(dòng)主線程開始渲染模型， 并循環(huán)處理用戶的交互數(shù)據(jù)（ 鼠標(biāo)、鍵盤、交互式手套、交互式頭盔等）。引擎中的腳本子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，如標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（SQL,Server,Oracle,DB2等）、以及工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP,TCP,OPC,SCADA,COM等），通過腳本子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互層進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、翻譯解釋、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出等操作。引擎默認(rèn)是無限循環(huán)執(zhí)行，直到用戶提交停止或結(jié)束信號(hào)時(shí)，才停止引擎的渲染工作并釋放與顯卡、內(nèi)存等硬件設(shè)備連接。

2）模型壓縮傳輸

核心三維數(shù)字化引擎將設(shè)計(jì)好的模型以優(yōu)化的ZIP壓縮格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。壓縮時(shí)，一種是數(shù)據(jù)塊的重復(fù)，即3個(gè)字節(jié)以上的重復(fù)，對于這種重復(fù)，ZIP用兩個(gè)數(shù)字：①重復(fù)位置距當(dāng)前壓縮位置的距離；②重復(fù)的長度，來表示這個(gè)重復(fù)，假設(shè)這兩個(gè)數(shù)字各占一個(gè)字節(jié)，于是數(shù)據(jù)便得到了壓縮。一個(gè)字節(jié)有0,~,255共,256,種可能的取值，3個(gè)字節(jié)有,256×256×256,共16×106 多種可能的情況。兩種重復(fù)為單字節(jié)的重復(fù)， 一個(gè)字節(jié)只有256種可能的取值，所以這種重復(fù)是必然的。其中，某些字節(jié)出現(xiàn)次數(shù)可能較多，另一些則較少，在統(tǒng)計(jì)上有分布不均勻的傾向，這是容易理解的，比如一個(gè),ASCII,文本文件中，某些符號(hào)可能很少用到，而字母和數(shù)字則使用較多， 各字母的使用頻率也是不一樣的， 據(jù)說字母,e,的使用概率最高； 許多圖片呈現(xiàn)深色調(diào)或淺色調(diào)，深色（或淺色）的像素使用較多。上面提到的短語式壓縮的結(jié)果也有這種傾向：重復(fù)傾向于出現(xiàn)在離當(dāng)前壓縮位置較近的地方，重復(fù)長度傾向于比較短（20字節(jié)以內(nèi)）。這樣，就有了壓縮的可能 給256,種字節(jié)取值重新編碼，使出現(xiàn)較多的字節(jié)使用較短的編碼，出現(xiàn)較少的字節(jié)使用較長的編碼。這樣一來，變短的字節(jié)相對于變長的字節(jié)更多，文件的總長度就會(huì)減少，并且字節(jié)使用比例越不均勻，壓縮比例就越大。

3）GUI交互

核心三維數(shù)字化引擎在運(yùn)行時(shí)，會(huì)持續(xù)地檢測如鼠標(biāo)、鍵盤、頭盔、交互式手套等各種輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將這些設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成腳本系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的事件系統(tǒng)，由腳本子系統(tǒng)處理該事件將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)作，如點(diǎn)擊模型動(dòng)作、單擊按鈕動(dòng)作、旋轉(zhuǎn)場景動(dòng)作等。為了提高系統(tǒng)對于人機(jī)交互的開發(fā)速度，讓用戶從底層開始是不合理的。因此，系統(tǒng)對于引擎腳本子系統(tǒng)提供的二次開發(fā)API進(jìn)行的大量接口封裝，可以做的只要派生相應(yīng)的GUI Object子類，即可完成交互的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，用戶只要關(guān)注GUI中的業(yè)務(wù)部分即可。

3.2 三維模型建模

以汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備構(gòu)造的真實(shí)尺寸1：1為建模基準(zhǔn)，以設(shè)備結(jié)構(gòu)圖紙零部件為基礎(chǔ)建模圖元， 構(gòu)建電廠汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備三維立體可視化模型，包括4×1036機(jī)組的凝汽器、加熱器、除氧器、給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、真空泵、油泵等。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)功能實(shí)現(xiàn)

1）實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備模型以WEB瀏覽器方式進(jìn)行全方位操作

三維立體數(shù)字化汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備模型基于WEB瀏覽器方式實(shí)現(xiàn)全方位交互操作，包括放大、 縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、定位、隱藏、選擇、全圖、拆裝、部件單獨(dú)顯示等，操作方式簡單方便。

2）實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備模型與設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的集成開發(fā)

建立汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備技術(shù)管理的三維數(shù)字化平臺(tái)，并與設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成開發(fā)，從而可以了解設(shè)備的立體結(jié)構(gòu)、規(guī)格型號(hào)、備品備件、檢修工藝、檢修過程等一系列數(shù)據(jù)，構(gòu)建了汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備三維可視化技術(shù)臺(tái)賬。

3）實(shí)現(xiàn)汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢修工序三維仿真對汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的檢修步驟進(jìn)行三維仿真， 動(dòng)態(tài)直觀展現(xiàn)設(shè)備檢修工序， 并對關(guān)鍵工序點(diǎn)予以提醒。

4）實(shí)現(xiàn)汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行原理三維仿真動(dòng)態(tài)直觀展現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行原理，為分析設(shè)備運(yùn)行過程中影響設(shè)備效率的關(guān)鍵部位與原因提供可視化分析手段。

5）實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測

與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成，在三維環(huán)境中動(dòng)態(tài)監(jiān)測、展現(xiàn)汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

4 應(yīng)用情況

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在華能海門電廠已逐步開始上線運(yùn)行，在完成三維模型建模、系統(tǒng)功能開發(fā)、安裝調(diào)試、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入及上線優(yōu)化后，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在實(shí)際工作中，通過三維可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史故障信息、維護(hù)檢修信息的有效集成與三維展現(xiàn)，為事故分析、檢修方案制定、工作報(bào)告編制等提供直觀、高效的可視化工具。同時(shí)，專業(yè)人員通過該系統(tǒng)能夠快速熟知和掌握系統(tǒng)流程、結(jié)構(gòu)布置、部件圖紙、故障信息，培訓(xùn)方式直觀全面、效果優(yōu)良，為汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢修工作作出了較大貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在燃煤電站汽機(jī)輔機(jī)設(shè)備檢維修工作中的應(yīng)用，為電廠建立一個(gè)可視化的信息管理平臺(tái)和工具，能夠革新和改進(jìn)設(shè)備精細(xì)化的管理，降低檢修成本，提高了檢修效率及設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

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