王小坡 ，董 澤 ，白國梁 ，張 悅 ，騰 聰

（1.河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003；2.國家電投東北電力有限公司撫順熱電分廠，遼寧 撫順 113006）

0 引言

目前，我國風(fēng)力發(fā)電盛風(fēng)期大概有半年時間，期間所產(chǎn)生的電能大概占全年的75%，風(fēng)的有無受自然條件的限制，因此，在盛風(fēng)期降低風(fēng)力發(fā)電機組故障率十分重要，降低風(fēng)力發(fā)電機組故障率將帶來十分可觀的經(jīng)濟效益。一般情況，由于設(shè)計零件之間的協(xié)調(diào)性、嚴厲的自然環(huán)境等因素的影響，會使得風(fēng)力發(fā)電機組運行故障率提高。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備檢修中，一般檢修人員都是去實際的現(xiàn)場分析故障原因，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所處的自然環(huán)境比較偏僻，檢修訓(xùn)練效率低、過程繁雜、質(zhì)量不高，并且不容易掌握整個風(fēng)力發(fā)電機組的整體結(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)電機組檢修培訓(xùn)質(zhì)量會下降，虛擬檢修技術(shù)能夠很好地解決上述問題。虛擬檢修技術(shù)能夠模擬實物拆卸和裝配過程的行為，并且可按照實際現(xiàn)場繪出零件模型。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電檢修人員能夠在虛擬環(huán)境中觀察風(fēng)力發(fā)電機組零部件的拆卸和裝配過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機組檢修中的應(yīng)用可以真實、直觀、深層次、多角度再現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組檢修工藝，從而使訓(xùn)練人員能夠快速掌握風(fēng)力發(fā)電機組檢修的工藝。

三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)將風(fēng)力發(fā)電機組檢修環(huán)節(jié)可視化，即將現(xiàn)實中的風(fēng)力發(fā)電機組零件進行動畫拆裝和文字提示相結(jié)合，采用計算機技術(shù)對真實現(xiàn)場檢修環(huán)節(jié)和現(xiàn)場環(huán)境進行虛擬展現(xiàn)，給受訓(xùn)人員創(chuàng)造出三維立體的環(huán)境，使受訓(xùn)人員能夠在虛擬世界中更加真實地進行風(fēng)機檢修，使得檢修的流程更加形象生動。使得受訓(xùn)人員能夠更加清晰地了解風(fēng)力發(fā)電機組零件結(jié)構(gòu)、拆裝順序和拆裝工藝。有助于受訓(xùn)人員更好更快地掌握風(fēng)力發(fā)電機組檢修知識和操作工藝，提高了檢修工作效率。

虛擬檢修技術(shù)主要功能特點：1）滿足檢修教學(xué)要求，擁有轉(zhuǎn)向架三級修相關(guān)的風(fēng)機故障情況和檢修工藝；2）風(fēng)機模型、模型動畫、文字標識等信息對風(fēng)機檢修工藝做出全面直觀的演示；3）風(fēng)機檢修模塊除了自動播放檢修整個過程，還能夠在虛擬環(huán)境中更加真實地演示風(fēng)機零件的檢修順序以及文字說明，使用鍵盤鼠標完成風(fēng)機零件的拆裝、旋轉(zhuǎn)等操作；4）通過檢修培訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)員操作檢修過程的監(jiān)控，能夠記錄檢修的操作過程，實現(xiàn)對受訓(xùn)人員的檢修結(jié)果評價。

1 系統(tǒng)框架

軟件功能框如圖1所示。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機組檢修中應(yīng)用主要包含3個模塊：虛擬拆裝仿真環(huán)境模塊、仿真培訓(xùn)模塊和在線考試模塊。

虛擬拆裝仿真環(huán)境模塊。運用3Ds Max軟件精細地創(chuàng)建風(fēng)力發(fā)電機組場景和風(fēng)機零件模型。3Ds Max能夠在Windows系統(tǒng)中運行，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組動畫的制作，通過該軟件能夠進行風(fēng)力發(fā)電機組場景構(gòu)建、風(fēng)機模型構(gòu)建、拆裝工藝制作。運用反距離權(quán)重差值算法將三維實體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成三維空間虛擬場景的數(shù)據(jù)。

仿真培訓(xùn)模塊?；赨nity 3D引擎使得風(fēng)力發(fā)電機組模型動畫和文字相匹配，該引擎會生成文件*.vrch。能夠?qū)崿F(xiàn)動畫過程演示、拆裝文字演示和拆裝動作操作，能夠很好地實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備虛擬檢修培訓(xùn)任務(wù)。檢修人員通過該平臺，無需進入現(xiàn)場就能實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組虛擬檢修。

圖1 軟件功能框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)

2.1 三維模型數(shù)據(jù)及差值算法

圖2 三維空間模型元素

三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將現(xiàn)場風(fēng)力發(fā)電機組零件進行抽象虛擬模型化的同時，還要保證虛擬模型數(shù)據(jù)相對準確。虛擬模型可以由4類基本元素表示：點、線、面、體，如圖2所示。點結(jié)構(gòu)是作為三維空間最基本的表示形式，點可以表示多種三維場景的事物，例如，可以表示出風(fēng)機某軸承的旋轉(zhuǎn)中心點位置、接觸傳動軸之間中心位置偏差等；線結(jié)構(gòu)可以表達出風(fēng)機模型的邊界特征，三維場景中線的長度、方向、傾斜角都是它的特性，可以表現(xiàn)出風(fēng)機模型的邊緣、運動的軌跡等；面結(jié)構(gòu)可以很好地表達出風(fēng)機模型的面特征，三維模型零件的面距離地面的高低、平面的傾斜程度、相鄰兩個面的距離等，面結(jié)構(gòu)也能夠表示出三維模型的規(guī)則物體和不規(guī)則的物體，也可以表示出復(fù)雜的三維場景；體作為三維場景中最根本的元素，模型的點、線、面都是組成體的元素，它包含三維模型的所有屬性。

反距離權(quán)重差值算法。運用3Ds Max軟件針對風(fēng)力發(fā)電機組進行空間三維建模，再通過虛擬格式轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)變成三維虛擬模型的各個數(shù)據(jù)，就可以獲得三維模型的點、線、面、軸心位置以及各三維零件之間的相對位置等信息。此時必須使用合適的空間差值方法，將三維實體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成三維空間虛擬場景的數(shù)據(jù)。選擇反距離權(quán)重差值算法，該差值算法易于理解，原理是計算待求點周圍的各個樣品點的測量值進行加權(quán)平均來求值，具體關(guān)系：

式中：Mi為控制點i的加權(quán)平均測量值；Mz為點z的估計值；di為控制點i與點z的間距大?。籒為估算中用的控制點數(shù)目；r為指定點的冪數(shù)，r取值2。

圖3定義了6個頂點，m1～m6分別代表了三維實體零件6個數(shù)據(jù)，風(fēng)機模型復(fù)雜程度低一些，最常用的r=2的距離的平方反比算法，確定出平面上的定點z，對應(yīng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的部件模型。

圖3 反距離權(quán)重差值算法實例

2.2 三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)就是創(chuàng)造一個虛擬風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境，要對風(fēng)電設(shè)備實際現(xiàn)場的環(huán)境了解，采集現(xiàn)場外圍環(huán)境、內(nèi)部零件的參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、型號、運行時的數(shù)據(jù)和裝配位置。三維建模的軟件有很多，本系統(tǒng)使用的軟件是3Ds Max，能夠更加輕松地實現(xiàn)對風(fēng)機設(shè)備零件建模，虛擬世界中每個零件盡可能真實地還原現(xiàn)場的設(shè)備信息，零件建模質(zhì)量的高低最能決定受訓(xùn)人員在虛擬環(huán)境下真實度，從而創(chuàng)造出更加真實的檢修環(huán)境，使受訓(xùn)人員能夠有身臨其境的感覺，圖4所示為風(fēng)機的主軸部分。目前，系統(tǒng)的建模技術(shù)部分采用的是三維掃描技術(shù)，通過該技術(shù)能夠得到粗略的構(gòu)建風(fēng)機零件模型，再通過后期處理加工完善風(fēng)機模型。

圖4 風(fēng)機主軸

三維建模技術(shù)能夠精確地實現(xiàn)風(fēng)機發(fā)電設(shè)備的虛擬再現(xiàn)，在虛擬世界中，能夠非常逼真地營造出虛擬檢修環(huán)境，使人身臨其境，隨著近些年三維建模技術(shù)的日益成熟，在虛擬世界中能夠更加真實地反應(yīng)出模型的光線、色彩、形狀、坐標等信息。

2.3 虛擬裝配動畫制作方案

三維動畫制作常用軟件有Maya和3Ds Max。Maya能夠?qū)崿F(xiàn)動畫、建模、渲染等功能，受到了很多人的喜愛。3Ds Max軟件能夠基于Widows系統(tǒng)專門針對制作動畫的軟件，在虛擬的三維場景中制作出逼真的3D動畫，電腦圖像與動畫制作多采用3Ds Max軟件，在發(fā)電、影視等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。3Ds Max作為該系統(tǒng)的設(shè)計軟件，主要由于3Ds Max入手相對容易，操作者不用掌握復(fù)雜的計算機繪圖能力。該軟件操作起來十分方便，能夠使操作人員盡快投入到系統(tǒng)開發(fā)，同時3Ds Max的渲染效果好、渲染速度快、軟件運行環(huán)境要求低，同時自帶的插件也表現(xiàn)很好。

風(fēng)力發(fā)電機組由于地處位置比較偏僻，一般檢修培訓(xùn)需要去現(xiàn)場進行，成本較大。虛擬現(xiàn)實風(fēng)機設(shè)備檢修很好地解決了這個問題。完成整個虛擬檢修的過程，首先要制作風(fēng)力發(fā)電機組零件動畫，根據(jù)實際現(xiàn)場需求，制作了拆裝的動畫，很好地實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實設(shè)備檢修。

從而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的拆裝檢修，拆裝檢修動畫如圖5所示。

圖5 拆裝動畫

2.4 Unity 3D引擎動畫封裝

Unity 3D是非常受歡迎的虛擬平臺，Unity3D主要包括編輯器和游戲引擎。該引擎在游戲制作中經(jīng)常使用。例如手槍包括形狀、威力參數(shù)、聲音等都可以通過這個平臺得以表現(xiàn)。該引擎支持C#，和JavaScript腳本編程。另一個部分是Unity 3D編輯器，配置了多種語言腳本編輯器。

基于Unity3D開發(fā)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對拆解步驟文字的添加，風(fēng)力發(fā)電機組虛擬檢修拆裝需要文字說明，文字說明使受訓(xùn)人員能夠根據(jù)正確的檢修步驟，完成風(fēng)力發(fā)電機組的檢修過程。平臺實現(xiàn)對動畫和文字的整合，平臺如圖6所示，將3Ds Max中創(chuàng)建的風(fēng)力發(fā)電機組模型及動畫導(dǎo)出為對應(yīng)FBX文件，然后導(dǎo)入到創(chuàng)建的平臺中，首先新建場景，載入風(fēng)力發(fā)電機組的FBX文件，然后載入場景，風(fēng)力發(fā)電機組的模型就導(dǎo)入了平臺中，如圖7所示，此時，可以通過該平臺實現(xiàn)對動畫和文字的匹配。最后實現(xiàn)對于動畫和文字的組合，選擇對應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機組零件，會彈出對應(yīng)的文字提示，如圖8所示。

圖6 檢修平臺

圖7 模型導(dǎo)入平臺

圖8 動畫文字結(jié)合

3 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到風(fēng)力發(fā)電機組檢修中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將風(fēng)力發(fā)電機組進行在線模擬，構(gòu)建逼真的風(fēng)機檢修培訓(xùn)環(huán)境，使得受訓(xùn)人員在不進入現(xiàn)場的情況下，依然能夠了解風(fēng)力發(fā)電機組的所有零件結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r地進行風(fēng)機的拆裝檢修操作，同時能夠在線學(xué)習(xí)各個零件自動拆裝，從而實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組虛擬檢修的在線實操培訓(xùn)。使得受訓(xùn)人員能夠更好地掌握風(fēng)機檢修知識，達到很好的風(fēng)機檢修培訓(xùn)效果。