沈斌，黃賢榮

（1.天荒坪抽水蓄能有限責任公司培訓部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江蘇省南京市 210061）

抽水蓄能電站發(fā)電機檢修工藝流程可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)

沈斌11，黃賢榮2

（1.天荒坪抽水蓄能有限責任公司培訓部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江蘇省南京市 210061）

本文介紹了虛擬仿真技術(shù)首次在抽水蓄能電站檢修工藝流程可視化的應用策略，希望能借此對抽水蓄能電站的檢修培訓起到一定的借鑒作用。

抽水蓄能電站；檢修；工藝；流程；可視化

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)峰谷差逐漸拉大，抽水蓄能機組的靈活啟動和事故備用對降低電網(wǎng)峰谷差、提高經(jīng)濟效益及安全穩(wěn)定性起到了舉足輕重的作用。目前，國內(nèi)抽水蓄能電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)大多是引進國外產(chǎn)品，如ABB、西門子、阿爾斯通等大公司開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)抽水蓄能電站中有著廣泛的應用，為抽水蓄能電站實現(xiàn)“無人值班，少人值守”的先進管理方式提供了良好的支持，但其檢修維護培訓系統(tǒng)僅僅是建立在其基礎(chǔ)上的初級培訓系統(tǒng)。抽水蓄能機組一般有停機、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相和抽水、抽水調(diào)相等5種穩(wěn)定運行工況，工況多，轉(zhuǎn)換復雜，僅常用的工況轉(zhuǎn)換就有十多種，電氣主設(shè)備、重要輔助設(shè)備的操作則更多，而且信息量大，控制復雜，這些是廠家自帶的培訓系統(tǒng)無法全面仿真的。國內(nèi)抽水蓄能電站正成規(guī)模地投入商業(yè)運行，新出校門的運檢人員也正成建制地進入抽水蓄能生產(chǎn)運行的重要崗位。由于上述條件的限制，運檢人員無法得到全方位的模擬培訓，這對現(xiàn)場事故處理工作不利。

計算機仿真培訓系統(tǒng)是在計算機上建立過程仿真培訓模型，通過模擬實際的工作環(huán)境，以進行人機接口試驗與培訓，實現(xiàn)對系統(tǒng)進行正常的啟動、停止和不同工況下的事故處理的演練，以提高操作人員的技術(shù)素質(zhì)與綜合處理能力。

1 檢修工藝開發(fā)的意義

對于抽水蓄能電站發(fā)電機的檢修工作，由于設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜、涉及專業(yè)工種多，對檢修工藝以及檢修人員的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)要求較高，尤其是對于機組數(shù)量較多的電站，為了確保檢修工作的快速、高質(zhì)量完成，在專業(yè)檢修技術(shù)人員有限的情況下，檢修任務與檢修壓力較重，這也為機組的安全、穩(wěn)定運行留下了潛在的事故隱患。因此，如何在較短的周期內(nèi)有效提高發(fā)電機檢修人員技術(shù)水平，保障檢修工作的順利開展，是保障抽水蓄能電站獲得長期持續(xù)經(jīng)濟效益的重要條件。

天荒坪抽水蓄能電站自建成投運以來，作為大型示范性抽水蓄能電站，先后在全國范圍內(nèi)承擔了多項抽水蓄能電站員工的培訓任務，積累了大量的培訓經(jīng)驗。同時，相比其他抽水蓄能電站水輪發(fā)電機組，天荒坪抽水蓄能電站機組具有許多獨特之處，機組檢修也具有明顯的典型性，在發(fā)電機檢修工藝流程方面也積累了大量的經(jīng)驗，能夠發(fā)揮自身專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，有效承擔抽水蓄能電站機組檢修技術(shù)培訓工作，帶動發(fā)電機組檢修技術(shù)水平的提高，并轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。

目前，電廠對檢修人員的培訓長期以來一直以現(xiàn)場實習和理論培訓為主，培訓手段主要有理論授課、實際操作講解、指導下的操作訓練等，授課所使用的媒體也通常為圖紙、教科書、講義等。這種培訓方式不僅使檢修人員受到電站檢修周期、實施培訓的人力資源、現(xiàn)場培訓安全性等局限，而且在培訓內(nèi)容和培訓深度上也難以達到實際工作的要求。同時，檢修培訓中還存在以下問題：

（1）技術(shù)技能傳授者水平限制了職業(yè)技能人才的培養(yǎng)。

（2）技能人員理解水平和學習能力限制了人才隊伍的成長擴大。

（3）檢修工作性質(zhì)對檢修人員培訓工作的開展造成一定制約。

（4）設(shè)備的種類繁多限制了檢修人員技術(shù)技能培訓工作的開展。

（5）檢修人員水平參差不齊，對設(shè)備安全水平造成不利的影響。

上述不足之處在很大程度上降低了培訓效果和效率，此外，不同的培訓人員對抽水蓄能安全教育理解的差異，使得培訓結(jié)果也存在一定差異，造成檢修人員對檢修工作的認識和理解存在較大的差異，這在很大程度上限制了技術(shù)培訓效果和效率。近年來，隨著計算機技術(shù)、仿真技術(shù)等先進技術(shù)的快速發(fā)展，三維仿真及虛擬現(xiàn)實等表現(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)為抽水蓄能機組檢修工藝培訓工作提供了一種非常有效的輔助手段，能夠有效彌補傳統(tǒng)培訓方式方面的存在的缺陷，極大地提高培訓的效果和效率。

天荒坪抽水蓄能電站機組檢修工藝流程可視化系統(tǒng)開發(fā)，將填補國內(nèi)抽水蓄能電站機組檢修培訓領(lǐng)域的空白，突出解決機組檢修知識與相關(guān)技術(shù)設(shè)備紛繁復雜、難以全面開展培訓的問題。系統(tǒng)的投入使用將提高檢修人員的仿真培訓效果，提高檢修人員的綜合業(yè)務技能，大幅提高培訓質(zhì)量和培訓效率，最終實現(xiàn)良好的經(jīng)濟、社會效益。

目前在建與已投運的抽水蓄能電站，在機組檢修工藝流程、拆裝、檢修工具、注意事項等方面基本相似，因此，通過本項目的研究和開發(fā)，針對抽水蓄能電站發(fā)電機檢修技術(shù)培訓工作，利用先進的三維動畫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，結(jié)合抽水蓄能電站發(fā)電機檢修技術(shù)知識及相關(guān)規(guī)范標準，研究開發(fā)發(fā)電機工藝流程可視化系統(tǒng)，對于本電站以及其他抽水蓄能電站相關(guān)人員的檢修培訓工作，具有較強的通用性以及重要的推廣價值，并產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

項目研發(fā)完成后，通過集中培訓與強大的遠程網(wǎng)絡(luò)培訓等多種方式，天荒坪抽水蓄能電站培訓中心將更加有效地避免培訓力量薄弱的影響，彌補培訓工作受時間地點的限制，充分發(fā)揮天荒坪抽水蓄能電站自身特長和豐富經(jīng)驗，更加高效地承擔發(fā)電機檢修工藝相關(guān)培訓工作，提高國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站機組檢修技術(shù)水平，保障抽水蓄能電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

2 國內(nèi)外研究水平綜述

可視化系統(tǒng)開發(fā)將以數(shù)字三維虛擬仿真為主，結(jié)合各系統(tǒng)的原理、信息技術(shù)以及仿真應用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，將計算機圖形學（CG）、計算機圖象學（CP）、仿真學等多種科學技術(shù)融合起來，以計算機系統(tǒng)、與應用有關(guān)的物理效應設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)進行研究的一門多學科的綜合性的技術(shù)。三維動畫軟件在計算機中首先建立一個虛擬的世界，設(shè)計師在這個虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)的對象的形狀、尺寸建立模型以及場景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其他動畫參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)，并打上燈光。當這一切完成后就可以讓計算機自動運算，生成最后的畫面。由于其精確性、真實性和無限的可操作性，三維動畫技術(shù)模擬真實物體的方式使其成為一個有用的工具。

20世紀90年代初出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱VR技術(shù)，代表了多媒體技術(shù)發(fā)展的更高水平。VR技術(shù)是把計算機從善于處理數(shù)字化的單維信息改變?yōu)樯朴谔幚砣怂芨惺艿降?、在思維過程中所接觸到的、除了數(shù)字化信息之外的其他各種表現(xiàn)形式的多維化的信息空間，在定性和定量相結(jié)合、感性認識和理性認識相結(jié)合的綜合集成環(huán)境，給人們逼真的體驗；為人們探索宏觀世界和微觀世界中不便于直接觀察的事物提供了極大的便利。

三維實景系統(tǒng)具有以下典型特征：

（1）經(jīng)過透視處理模擬三維實景，沉浸感強，給操作者帶來身臨其境的感覺。

（2）數(shù)字全景圖像，立方體全景顯示，與球型全景相同，可以看到場景的任意角度。

（3）可以從各方向移動觀看場景，以達到模擬和再現(xiàn)場景的真實環(huán)境效果。

（4）系統(tǒng)提供各種操縱功能，通過鼠標或鍵盤進行人機互動，交互性強。

（5）可與培訓知識內(nèi)容相交替，達到學習和實踐相結(jié)合的目的。

基于三維仿真技術(shù)上述典型特點，近年來，被廣泛應用于醫(yī)學、教育、軍事、娛樂等諸多領(lǐng)域。在影視廣告制作方面，這項新技術(shù)能夠給人耳目一新的感覺，因此受到了眾多客戶的歡迎。三維動畫可以用于廣告和電影電視劇的特效制作（如爆炸、煙霧、下雨、光效等）、特技（撞車、變形、虛幻場景或角色等）、廣告產(chǎn)品展示、片頭飛字等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為體驗感強烈的新技術(shù)，主要用于三維游戲開發(fā)等對人機互動有較高要求的行業(yè)領(lǐng)域中。在航空飛行行業(yè)，法國達索公司開發(fā)了一系列三維仿真虛擬互動平臺，用于航空領(lǐng)域的系統(tǒng)開發(fā)與培訓；在設(shè)計制造行業(yè)，三維仿真技術(shù)被廣泛應用于機械制造、設(shè)備加工、模具設(shè)計等方面，并用于復雜的機械結(jié)構(gòu)及工藝開發(fā)相關(guān)培訓系統(tǒng)；在城市規(guī)劃與建筑行業(yè)，結(jié)合三維仿真與虛擬互動技術(shù)開發(fā)完成的用于三維城市地圖、三維建筑實體漫游、三維互動體驗等應用系統(tǒng)也非常多；此外，在文化、游戲等產(chǎn)業(yè)內(nèi)，三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了多方面的應用。

然而，在水電站及抽水蓄能電站工程領(lǐng)域內(nèi)，由于專業(yè)性強、專業(yè)知識要求較廣、設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜等特點，仿真技術(shù)與抽水蓄能機組檢修技術(shù)培訓一直沒有得到成功有效的結(jié)合應用，目前水電站及抽水蓄能電站相關(guān)發(fā)電領(lǐng)域中，已開發(fā)完成的三維仿真展示培訓系統(tǒng)相對較少，尚處于初步階段，對于抽水蓄能發(fā)電機工藝流程，具有三維仿真與互動操作培訓功能的應用系統(tǒng)還未見。

國外發(fā)達國家水電及抽水蓄能開發(fā)熱潮多集中在20世紀中后期，計算機及仿真技術(shù)尚未發(fā)展成熟。目前，隨著計算機及仿真技術(shù)的日益成熟，國外發(fā)達國家水電及抽水蓄能的開發(fā)已基本進入尾聲，其行業(yè)技術(shù)水平相對較落后，仿真技術(shù)未得到有效的應用。國外其他國家抽水蓄能電站建設(shè)管理水平相對國內(nèi)較為滯后，大型抽水蓄能電站建設(shè)較少，將三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)與行業(yè)技術(shù)相結(jié)合的抽水蓄能電站機組檢修仿真系統(tǒng)極少。國內(nèi)將三維動畫仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)與抽水蓄能電站機組檢修知識技術(shù)相結(jié)合形成的發(fā)電機工藝流程仿真系統(tǒng)尚無公開報道。

3 項目的理論和實踐依據(jù)

發(fā)電機檢修工藝流程可視化系統(tǒng)是利用計算機圖形圖像學，在三維數(shù)值算法的基礎(chǔ)上，采用點、線、面組合構(gòu)成空間實體的基本形狀，同時采用RGB等圖形算法模擬顏色，形成具有色彩視覺的實體造型。此外，考慮光線明暗度等因素，綜合發(fā)展而成的采用多項先進計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)、圖形圖像原理的專門技術(shù)。此外，利用實體的三維坐標實時轉(zhuǎn)換、實時渲染、物理特性模擬等方法與技術(shù)，允許用戶在計算機上進行實時互動操作，得到與現(xiàn)實情況幾乎一致的互動操作體驗。

本項目研究內(nèi)容是將抽水蓄能電站發(fā)電機檢修工藝相關(guān)專業(yè)知識技術(shù)，與上述先進的三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合，綜合開發(fā)完成的具有直觀、高效、趣味性強的發(fā)電機工藝技術(shù)培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實際機組檢修過程、要點、工藝等通過計算機技術(shù)等進行真實的三維仿真動畫方式再現(xiàn)，并開發(fā)三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境，開發(fā)機組檢修工藝流程互動操作實訓，實現(xiàn)學員與計算機的交互，并在交互操作中對各設(shè)備的檢修工藝進行實時演示講解。同時，針對機組檢修工藝培訓工作，開發(fā)輔助培訓與管理功能，使學員能夠直觀、清晰、全面地掌握機組檢修相關(guān)知識與技術(shù)。

項目研究的關(guān)鍵技術(shù)及難點在于以下幾個方面：

（1）發(fā)電機檢修工藝流程的三維仿真動畫開發(fā)中：建模與精模的動態(tài)轉(zhuǎn)換、三維實體模型比例尺控制、模型光影烘焙貼圖技術(shù)、三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、三維復雜曲面構(gòu)造方法等，需要在項目制作前，根據(jù)實際特點進行研究與制作控制。

（2）發(fā)電機檢修工藝流程的三維虛擬互動實訓開發(fā)中：基于設(shè)備連接關(guān)系的虛擬場景組織、實時LOD動態(tài)加載算法、碰撞檢測加速優(yōu)化算法、不同視距的透視化算法、實時路徑的自動分析演算算法等技術(shù)關(guān)鍵，均需要本項目中針對系統(tǒng)特點進行研究及應用。

（3）系統(tǒng)集成開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)：三維虛擬互動環(huán)境與數(shù)據(jù)庫管理的通用數(shù)據(jù)交換接口標準制定與開發(fā)、發(fā)電機檢修工藝資料文檔集成環(huán)境與管理、系統(tǒng)整體性能優(yōu)化算法與控制等。

（4）此外，發(fā)電機檢修工藝與三維仿真技術(shù)的展現(xiàn)策劃也是決定項目研發(fā)的重要因素。

4 項目研究內(nèi)容和實施方案

項目的研究內(nèi)容主要包括發(fā)電機檢修工藝流程三維仿真動畫演示、發(fā)電機檢修工藝流程三維仿真互動操作實訓、發(fā)電機工藝流程資料學習模塊開發(fā)以及具有強大網(wǎng)絡(luò)支持功能的發(fā)電機檢修工藝流程集成系統(tǒng)。

4.1 發(fā)電機檢修工藝流程三維仿真動畫演示

運用三維動畫等計算機技術(shù)，依據(jù)天荒坪抽水蓄能電站檢修工藝卡、現(xiàn)場檢修實際情況以及相關(guān)專業(yè)知識，結(jié)合設(shè)計圖紙和照片，建立檢修仿真演示培訓平臺，采用直觀、生動、趣味的三維仿真動畫演示方式，全面、完整地展示檢修設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、檢修工藝以及檢修工具結(jié)構(gòu)及使用方法等培訓內(nèi)容。

依據(jù)檢修作業(yè)指導書整體工作流程，采用三維動畫等表現(xiàn)方式，直觀展示設(shè)備檢修作業(yè)（包括修前準備、安全措施檢查、工作交底、檢修工藝等）全過程，讓學員更好地了解和掌握設(shè)備檢修作業(yè)整體工序工藝。通常，工藝卡為表格形式，采用文字描述工作步驟、操作內(nèi)容及注意事項，這些工藝流程的文字描述很繁瑣，不直觀，若沒有一定維修經(jīng)驗很難理解。本項目就是要把這種抽象、不具體的工作流程數(shù)字化，使每個工序步驟的教學內(nèi)容更形象化，便于學員吸收掌握所學內(nèi)容，項目具體實施方案如圖1、圖2所示。

圖1 檢修流程圖

圖2 檢修工藝流程圖

以天荒坪電廠的球閥樞軸密封更換工藝卡為例，由修前準備、檢修工具、安全措施檢查、工作交底、工藝流程五大部分80多個步驟組成，修前準備主要是說明本次維修工作的備品備件、檢修材料及檢修工具的準備工作，由于這些工具材料均有實物，考慮采用實物拍攝方法，用網(wǎng)頁頁面交互展示，材料、工具條目與實物照片一一對應，學員通過點擊菜單條目獲得實物照片來認識材料及工具，效果如圖3所示。

圖3 設(shè)備對照圖

安全措施檢查是檢修前的開關(guān)設(shè)備啟停準備工作，是為維修工作做準備的，每個開關(guān)的編號、操作均不能有誤。目前的安全檢查工序全是文字及編號說明的設(shè)備開閉流程有30條,不便于識別和找尋，即便是比較熟悉維修工作的員工也未必能憑借文字標注快速找到設(shè)備開關(guān)，應考慮采用實物照片結(jié)合字幕來描述開關(guān)設(shè)備，并結(jié)合導航圖標示設(shè)備開關(guān)的位置，這種圖文對照的方式便于維修人員快速認識、找到相應的設(shè)備開關(guān)，如圖4所示。

工作交底主要為表格，內(nèi)容有工作要求、工作內(nèi)容、危險點、防范措施及人員分工等一類注意事項（見圖5）。

工藝流程是本教學內(nèi)容的重點，是檢修工作的具體實施步驟。這部分內(nèi)容應考慮采用動畫技術(shù)來模擬設(shè)備的每步拆裝工序，用三維技術(shù)來展示設(shè)備構(gòu)造。

圖4 設(shè)備對照圖

圖5 工作交底圖

在檢修工藝卡中，有相當多的注意事項，這些注意事項有些僅是一些口頭性的操作描述，如球閥樞軸密封更換流程中提到的“涂抹黃油，觀察縫隙，擦出灰層、注意軸頸碰撞卡死”等注釋性文字，教學系統(tǒng)中對于一些難于表現(xiàn)的注釋畫面可采用語音解說，合成特效、位置標示、字幕等后期方法來實現(xiàn)。

4.2 發(fā)電機檢修工藝流程三維仿真互動操作實訓

依據(jù)天荒坪抽水蓄能電站檢修作業(yè)要求，運用三維虛擬互動技術(shù)，建立三維虛擬互動模擬演練檢修培訓平臺，提供可交互的操作方式。操作人員可以在虛擬環(huán)境中手動拆卸、安裝檢修設(shè)備各部件，達到對電站檢修作業(yè)的仿真練習目的，加深操作人員對檢修流程及工藝的詳細了解和掌握。同時，操作人員可以手動操作查看檢修設(shè)備的詳細結(jié)構(gòu)，了解和掌握設(shè)備部件名稱、屬性參數(shù)等信息。

在對水泵水輪機組中某一具體設(shè)備進行檢修時，需對當前檢修設(shè)備的部件進行拆卸和安裝操作。為讓學員更好地了解、掌握設(shè)備檢修時，其具體部件的詳細拆卸、安裝工藝流程，在三維虛擬仿真檢修環(huán)境中，通過人機互動操作，實現(xiàn)當前檢修設(shè)備部件拆卸、安裝過程的模擬演練。

5 預期目標和成果形式

通過本系統(tǒng)的學習，學員可以了解抽水蓄能電站機組檢修的基本知識，理解和掌握抽水蓄能電站檢修設(shè)備的結(jié)構(gòu)布置、組成和工作原理，同時深入了解和掌握抽水蓄能電站中機組設(shè)備檢修的詳細工序工藝及相關(guān)注意事項，在最短周期內(nèi)、最大程度地掌握抽水蓄能電站機組的檢修相關(guān)知識技能。

針對天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電機各設(shè)備的檢修技術(shù)，開發(fā)完成直觀、全面、功能強大的“發(fā)電機工藝流程可視化系統(tǒng)”，在抽水蓄能電站機組檢修三維仿真培訓方面填補空白,以使本項目成果能夠有效的擴展與轉(zhuǎn)移。

[1] 楊仕平.嵌入式實時軟件可視化開發(fā)方法.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，（1）.

[2] 李效旭.水輪發(fā)電機組檢修三維仿真研究.中國水電設(shè)備技術(shù)討論會論文集，2011.

[3] 陳紅專.水輪發(fā)電機運行故障分析及維護.中國科技博覽，2013，（27）.

沈 斌（1977—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能技術(shù)管理。E-mail:thp7@sohu.com

黃賢榮（1981—）男，研究生，高級工程師，主要研究方向：三維技術(shù)研究和開發(fā)。

The Realization of Visualization System for Generator Maintenance Technology Process of Pumped Storage Power Plant

SHEN Bin, HUANG Xuanrong
(Tianhuangping Pumped Storage Limited Liability Company training department, Anji 310012,China;2.Nanjing Jurui science and technology Ltd.,Nanjing 210061,China)

This essay describes the strategy of the application of the virtual simulation technology in maintenance technology process of pumped storage power plant, hopefully this can be a role model in the maintenance training of pumped storage power plant.

pumped storage power plant, maintenance,technology, process, visualization