軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組三維檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組三維檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

0機(jī)組檢修仿真正在維修水庫是水庫中非常重要的工作之一，維護(hù)人員的培訓(xùn)方法也很特殊。以往的水電站機(jī)組檢修人員的培訓(xùn)方式都是師傅帶徒弟式的現(xiàn)場學(xué)習(xí)方式。在這種培訓(xùn)方式下,通常而言,新入廠的工人,不論是理論基礎(chǔ)較好的畢業(yè)生還是普通入職工人,從接受培訓(xùn)開始到成為一名能夠獨(dú)立熟練的檢修工,至少需要3a時(shí)間,而培訓(xùn)期間如果沒有機(jī)組大修,需要的時(shí)間將會(huì)更長。而因目前的水電站檢修模式已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修模式,該模式最大限度地延長了機(jī)組的檢修間隔時(shí)限,以往的檢修培訓(xùn)方式已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化水電站的要求了。隨著計(jì)算機(jī)水平的飛速發(fā)展,水電站也開始使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。在機(jī)組檢修領(lǐng)域,先是有檢修仿真的管理信息系統(tǒng),對(duì)整個(gè)電站的檢修工作展開結(jié)構(gòu)化管理。隨后,有學(xué)者研究了混流式機(jī)組檢修仿真系統(tǒng),今年也有學(xué)者針對(duì)遼寧太平灣電站開發(fā)研究了三維仿真機(jī)組檢修培訓(xùn)系統(tǒng)。相對(duì)而言,混流式機(jī)組研究已較為成熟,但軸流式機(jī)組還研究較少,且目前開發(fā)的系統(tǒng)都較多考慮了電站規(guī)劃、工期安排等整體工作,對(duì)實(shí)地檢修流程的仿真動(dòng)畫研制較少,并沒有對(duì)現(xiàn)場檢修操作人員起到直接有效的檢修培訓(xùn)效果。鑒此,本文針對(duì)福建某軸流轉(zhuǎn)槳式電站機(jī)組,開發(fā)了軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng),通過跟蹤電站檢修的整體過程,對(duì)檢修的全部流程都進(jìn)行了三維動(dòng)畫仿真;并提出三維人機(jī)互動(dòng)的訓(xùn)練環(huán)節(jié),增強(qiáng)檢修培訓(xùn)的操作性。這種檢修仿真培訓(xùn)模式縮短了培訓(xùn)周期,并可隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)而不需現(xiàn)場檢修的限制,滿足了現(xiàn)代化狀態(tài)檢修下的員工培訓(xùn)。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理1.1多媒體軟件系統(tǒng)多媒體仿真技術(shù)的運(yùn)用,可將本仿真系統(tǒng)中涉及到的、大量的檢修操作規(guī)范及注意事項(xiàng)整合起來,并將文本、圖像、動(dòng)畫、聲音等素材有序地集成起來,且界面友好,排列有序,也更能方便學(xué)習(xí)。本系統(tǒng)采用了Macromedia公司推出的Director多媒體軟件。相比于傳統(tǒng)使用的Authorware軟件,Director更有其強(qiáng)大的多媒體制作功能,具體體現(xiàn)在:1.1.1道1:內(nèi)嵌蘭o語言,因地使用,可控制更多聲音Director本身就有兩個(gè)聲音通道,且通過其內(nèi)嵌Lingo語言還可控制更多聲音;而Authorware在控制多聲音上不易或較為繁瑣。1.1.2動(dòng)畫素材,電影集成能力強(qiáng)Authorware能導(dǎo)入和控制電影和動(dòng)畫素材,電影集成能力很強(qiáng)。而Director不僅具有導(dǎo)入電影的功能,其自身還能制作電影,并將制作的電影導(dǎo)出。1.1.3大的圖片透明功能除一般的圖形圖像處理功能外,Director還具有強(qiáng)大的圖片透明功能,能對(duì)圖片設(shè)置不同的透明度,這是Authorware所沒有的。在本系統(tǒng)中,就使用Director的這一功能,使用虛化透明的圖片作為效果背景。1.2三維建模工具的選擇本系統(tǒng)的建模工具選用了Autodesk公司的3DMax三維建模工具。3DMax功能強(qiáng)大,其基本的技能有:1.2.1選擇和配置界面3DMax包含頂視口、前視口、左視口和透視視口,其中透視視口最接近人的視覺。1.2.2創(chuàng)建對(duì)象3DMax中有很多的基本幾何體,可通過組合得到復(fù)雜的對(duì)象。1.2.3編輯對(duì)象可對(duì)創(chuàng)建的對(duì)象進(jìn)行參數(shù)修改,并可修改器工具庫進(jìn)行復(fù)雜的對(duì)象編輯。1.2.4指定材料3DMax提供強(qiáng)大的表面紋理材質(zhì),且材質(zhì)參數(shù)都可調(diào)整。也可使用貼圖來改善材質(zhì)的外觀和真實(shí)性,如“噪波”貼圖可模擬顆粒紋理。1.2.5所產(chǎn)生的真實(shí)場景即,場景物理場景與物理場景不同?；诩幕A(chǔ)上產(chǎn)生,場景意識(shí)不此設(shè)置可準(zhǔn)確地模仿真實(shí)世界的亮光條件從而產(chǎn)生看似真實(shí)的場景。其攝影機(jī)能如同在現(xiàn)實(shí)中一樣控制平行、推拉鏡頭、圍繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)等,并投射陰影。1.2.6過渡幀來控制動(dòng)畫3DMax的動(dòng)畫是依靠關(guān)鍵幀自動(dòng)計(jì)算過渡幀來控制動(dòng)畫輸出的。它也可輸出相應(yīng)的序列圖,并通過第三方軟件對(duì)序列圖的編輯,從而制作出效果更佳的視頻文件。1.3仿真系統(tǒng)研發(fā)本系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及三維空間人機(jī)交互技術(shù),開發(fā)了仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。目前,三維圖形交互的實(shí)現(xiàn)手段主要有以下兩種方式:1.3.1維交互方式這是利用物理設(shè)備上的三維的輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)的一種交互。這種方式需要配備三維交互硬件,如三維游戲操縱桿數(shù)字球、三維跟蹤球等。這種交互方式成本較高,設(shè)備價(jià)格比較昂貴,國內(nèi)應(yīng)用較少。1.3.2虛擬場景的生成這是利用現(xiàn)有的二維交互設(shè)備進(jìn)行三維交互設(shè)備的方式,這種軟件交互的實(shí)現(xiàn)方法,成本較低,且可直接利用鼠標(biāo)、數(shù)字化儀等現(xiàn)有的二維交互設(shè)備實(shí)時(shí)地輸入三維平移、旋轉(zhuǎn)、變換等參數(shù),在國內(nèi)應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)采用第二種方式,在利用二維交互設(shè)備完成本系統(tǒng)的三維人機(jī)交互時(shí),是將3DMax中建好的模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)場景中,再利用C++程序編程控制,借助鼠標(biāo)、鍵盤的操作,實(shí)時(shí)反映生成虛擬場景。為使虛擬場景生成更快,系統(tǒng)采用了一系列的加速技術(shù)來促進(jìn)場景的生成,如物體LOD模型簡化、燈光的簡化處理等。這些處理使得本仿真系統(tǒng)中的交互環(huán)境更為流暢,更好地模擬了人在真實(shí)環(huán)境中的感受。2系統(tǒng)功能系統(tǒng)采用分級(jí)管理的方式,用戶按不同的權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)后,可以對(duì)檢修的相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí),并參與部分的信息管理。系統(tǒng)的功能模塊主要有:2.1基本組成該環(huán)節(jié)主要是通過圖表、參數(shù)、文本等文件對(duì)電站機(jī)組的概況進(jìn)行說明。2.2檢修準(zhǔn)備的準(zhǔn)備該模塊主要是對(duì)機(jī)組檢修前的基本信息、項(xiàng)目計(jì)劃、工作安排、技改項(xiàng)目、安全措施、檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)定制、材料及相關(guān)器械的準(zhǔn)備、組織修改檢修方案、必要的測繪數(shù)據(jù)、檢修的主要數(shù)據(jù)指標(biāo)等列出必要的安排,方便檢修工作開始前,檢修人員做好各樣準(zhǔn)備。2.3受油器的特性該模塊是以6個(gè)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件和17個(gè)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件為基礎(chǔ),對(duì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)形式、作用、具體參數(shù)、檢修標(biāo)準(zhǔn)、拆卸動(dòng)畫、安裝動(dòng)畫等過程進(jìn)行了詳細(xì)研究。以受油器為例,圖1是受油器的主界面,其右側(cè)按鈕可分別鏈接進(jìn)入學(xué)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容。其中,結(jié)構(gòu)型式、作用、具體參數(shù)和檢修標(biāo)準(zhǔn)主要是通過文本、圖片、現(xiàn)場照片及規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)等型式來介紹的。而拆卸動(dòng)畫和安裝動(dòng)畫則是通過3DMax建模輸出序列圖,并輔助配音、文字字幕及關(guān)鍵位置標(biāo)記等制作成三維檢修動(dòng)畫。2.4水輪機(jī)的裝卸或使其安裝該部分將水輪發(fā)電機(jī)組分為發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)部件,分別給出發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)的拆卸動(dòng)畫流程和安裝動(dòng)畫流程。發(fā)電機(jī)的拆卸流程為:受油器→上導(dǎo)軸承→上機(jī)架→推力軸承→轉(zhuǎn)子→下機(jī)架;水輪機(jī)的拆卸流程為:水導(dǎo)軸承→主軸密封→主軸法蘭分解→控制環(huán)→接力器→拐臂→套筒→支持蓋主軸轉(zhuǎn)輪→支持蓋→主軸→頂蓋→活動(dòng)導(dǎo)葉→漿葉→上泄水錐→操作架及活塞→樞軸→轉(zhuǎn)臂。安裝流程則正好相反。該部分提供了軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的整體拆卸安裝流程,結(jié)合“機(jī)組結(jié)構(gòu)檢修部件”模塊中對(duì)每個(gè)部件單獨(dú)的詳細(xì)論述,可方便培訓(xùn)人員按個(gè)人所需學(xué)習(xí)相應(yīng)的內(nèi)容,使他們對(duì)單個(gè)部件和整體拆裝都能學(xué)習(xí)掌握。2.5準(zhǔn)備事項(xiàng)方面這一環(huán)節(jié)主要是在機(jī)組初步安裝完成以后,機(jī)組準(zhǔn)備啟動(dòng)之前要做的一些準(zhǔn)備事項(xiàng)。這一部分用文字、圖表的形式論述了機(jī)組啟動(dòng)前應(yīng)做的各項(xiàng)檢查及各類標(biāo)準(zhǔn)尺寸,機(jī)組試運(yùn)行過程中的檢查、測量和缺陷處理,以及異常情況如何處理等。2.6安裝和拆任務(wù)該模塊是以機(jī)組檢修的多媒體演示為基礎(chǔ),利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的三維人機(jī)交互訓(xùn)練系統(tǒng)。圖2為人機(jī)交互初始環(huán)境界面。交互界面的工具欄共設(shè)有“文件”、“視圖”、“任務(wù)”、“工具庫”及“幫助”。該部分設(shè)有多個(gè)結(jié)構(gòu)部件安裝和拆卸任務(wù)?！拔募敝饕强刂颇骋蝗蝿?wù)的取消及交互的退出;“視圖”中設(shè)有對(duì)界面提示框的顯示或消除;“任務(wù)”中分安裝和拆卸任務(wù),分別對(duì)檢修部件進(jìn)行正確的安裝和拆卸。學(xué)員在“任務(wù)”下選擇了某一安裝或拆卸任務(wù)后,人機(jī)交互的虛擬環(huán)境將會(huì)實(shí)時(shí)的發(fā)生變化,以最大限度地展現(xiàn)現(xiàn)場裝配環(huán)境;“工具庫”提供安裝或拆卸部件時(shí)使用到的工具,學(xué)員選擇了某一任務(wù)后,也需相應(yīng)的選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ?才能使裝配過程完成;“幫助”項(xiàng)則提供一些幫助提示。2.7考核受助者的方法本系統(tǒng)作為檢修工作人員的培訓(xùn)學(xué)習(xí),也設(shè)置了相應(yīng)的考核模塊。該考核模塊不同于以往以文字試卷的方式來考核受訓(xùn)人員,而是通過學(xué)習(xí)三維多媒體演示和人際交互的訓(xùn)練,受訓(xùn)人員將以操作的方式來完成這一考核。例如,學(xué)員需要通過在系統(tǒng)上演示如何安裝或拆卸某一部件,若操作完成,系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)自動(dòng)給分;若操作不當(dāng),后臺(tái)則記錄分?jǐn)?shù)并相應(yīng)扣分。另外,考核環(huán)節(jié)也設(shè)置了一兩道主觀問答題來考察學(xué)員的理論裝備。2.8考試時(shí)間的管理該培訓(xùn)系統(tǒng)的考核模塊可由管理員進(jìn)行考核題目選定,系統(tǒng)可隨機(jī)生成考試題目,也可由管理員再次篩選。試題選定后,管理員可設(shè)定該試題的發(fā)布時(shí)間和考試時(shí)間。系統(tǒng)也設(shè)置對(duì)考核