水輪發(fā)電機(jī)組虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究

摘要：以三維仿真模型為基礎(chǔ)，開展水輪發(fā)電機(jī)組智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究。利用Solidworks、數(shù)據(jù)庫(kù)、ASP.NET與服務(wù)器技術(shù)構(gòu)建基于B/S結(jié)構(gòu)的三維仿真培訓(xùn)信息系統(tǒng)。利用C#構(gòu)建信息系統(tǒng)的后臺(tái)，HTML、Javascript、Css實(shí)現(xiàn)前臺(tái)Web頁面顯示，將前臺(tái)與后臺(tái)聯(lián)系，借助Javascript二次開發(fā)Actify技術(shù)和智能語音合成技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)、開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)組由實(shí)際三維空間向虛擬現(xiàn)實(shí)空間的轉(zhuǎn)化，提高學(xué)員的感性認(rèn)知，深化了培訓(xùn)效果。該系統(tǒng)已投入生產(chǎn)使用，用戶評(píng)價(jià)好。

關(guān)鍵詞：B/S構(gòu)架；虛擬現(xiàn)實(shí)；水能發(fā)電機(jī)組；智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）27-0093-03

隨著各種大型、特大型水輪發(fā)電機(jī)組的陸續(xù)投產(chǎn)，大量訓(xùn)練有素而且專業(yè)技術(shù)過硬的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和檢修人員越顯稀缺。同時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性具有重大的影響力[1]，也對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和維護(hù)等相關(guān)技術(shù)人員提出了更高的要求。由于水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)規(guī)模的增大、機(jī)組的精密性、復(fù)雜性和先進(jìn)性的提高，特別是隨著電廠“無人值班，少人值守”的不斷深入，導(dǎo)致水電廠工作人員數(shù)量在逐漸可控的減少，存在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)和檢修相關(guān)技術(shù)人員因?qū)C(jī)組不熟悉而導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷或操作不當(dāng)而導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生事故，造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失的可能性大大增加。[2]因此水電廠智能化和現(xiàn)代化迫切需要有一種現(xiàn)代化培訓(xùn)方式，讓水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)和檢修人員對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組有一個(gè)全面、有效和系統(tǒng)的認(rèn)知。三維仿真培訓(xùn)是現(xiàn)代化的培訓(xùn)工具的發(fā)展趨勢(shì)，其功能全面、性能優(yōu)異，且具有很好的交互性，能夠完整地將所有被仿真對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，運(yùn)行規(guī)律逼真的展現(xiàn)出來。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)和檢修相關(guān)技術(shù)人員可根據(jù)不同要求和標(biāo)準(zhǔn)通過三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)得到自定義的培訓(xùn)，這樣達(dá)到的效果更好、效率更高。三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)也可在某種程度上作為水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參照系統(tǒng)應(yīng)用，這樣就可進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式的比較，而且還可以做比較常見的一些事故的安全分析，從而對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

一、系統(tǒng)總體框架和功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)來設(shè)計(jì)水輪發(fā)電機(jī)組智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為指導(dǎo)思想，虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)模擬生成一個(gè)與真實(shí)世界一致的三維虛擬世界，提供給用戶視覺、觸覺、聽覺等感官的真實(shí)體驗(yàn)，讓用戶可以實(shí)時(shí)、自由地觀察三維虛擬世界內(nèi)的事物。[3]圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系圖。系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)主要包括三大功能模塊：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器層（數(shù)據(jù)核心層）、WEB服務(wù)器層（業(yè)務(wù)邏輯層）和瀏覽器層（接入層）。

數(shù)據(jù)核心層包括數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和權(quán)限控制，是本系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織、集中管理的平臺(tái)，為WEB服務(wù)器層（業(yè)務(wù)邏輯層）提供規(guī)范、高效的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的充分共享，是這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)核心層中的數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的平臺(tái)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要是水輪發(fā)電機(jī)組的對(duì)象屬性及相關(guān)的三維模型、技術(shù)圖紙和技術(shù)文檔，還有各個(gè)零部件及裝配體的自定義拆裝相關(guān)數(shù)。

WEB服務(wù)器層（業(yè)務(wù)邏輯層）包括WEB服務(wù)器數(shù)據(jù)管理模塊和WEB服務(wù)器數(shù)據(jù)查詢模塊，是系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和查詢的平臺(tái)。它通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器層（數(shù)據(jù)核心層）服務(wù)的調(diào)用訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同的功能模塊，滿足不同的業(yè)務(wù)需求。WEB服務(wù)器層還提供接口服務(wù)來完成本系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。整體系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

水輪發(fā)電機(jī)組智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示，其主要實(shí)現(xiàn)的功能為：機(jī)組設(shè)備及其零部件技術(shù)資料的整理，主要包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、大軸和過水系統(tǒng)；建立機(jī)組、設(shè)備總裝備及零部件分解的結(jié)構(gòu)可視化模型，繼而建立機(jī)組拆裝流程仿真培訓(xùn)；分類組織和整理機(jī)組的二維模型，為電子化查詢提供服務(wù)；提供水輪發(fā)電機(jī)組三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)，便于管理人員進(jìn)行維護(hù)操作。

二、系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

1.水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組物理模型的構(gòu)建

系統(tǒng)主要利用Solidworks和Actify SpinFire構(gòu)建發(fā)電機(jī)組物理模型。Solidworks 強(qiáng)大的功能體現(xiàn)在通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等操作生成各種模型；支持多實(shí)體零件設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)了零件建模的靈活性；同時(shí)利用EXCEL軟件生成配置，從而自動(dòng)地生成零件或裝配體；按照同心、重合、距離、角度、相切等約束關(guān)系形成裝配體等。[4-6，9]而Actify SpinFire為設(shè)備使用客戶及設(shè)備制造商提供了世界領(lǐng)先的2D/3D CAD設(shè)計(jì)交流協(xié)同解決方案，其主要特點(diǎn)為：

（1）無縫交流，即面向所有需要查看、評(píng)審設(shè)備模型的人員，使用者不需要安裝任何 CAD 系統(tǒng)即可擁有強(qiáng)大的3D 和 2D 可視化閱讀能力，快速打開并處理上百種CAD軟件生成的圖紙，大幅節(jié)省CAD軟件及客戶端硬件費(fèi)用 。

（2）安全高效交流，即能將原始CAD文檔壓縮，使其大小減少90%后形成.3D標(biāo)準(zhǔn)格式文件，使CAD文件占用磁盤空間達(dá)到最小化，也方便了文檔的存儲(chǔ)和傳輸。

Actify SpinFire可直接讀取PMI（3D Annotation）信息，具有多種尺寸測(cè)量和批注功能（包含體積、表面積計(jì)算），可直接在2D/3D圖面上進(jìn)行批注、尺寸標(biāo)注、剖面分析、裝配分析、模型檢查等，無須設(shè)計(jì)修改原圖。它可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)剖面切割狀態(tài)檢視并且可以規(guī)定坐標(biāo)系統(tǒng)。可導(dǎo)出3D、JPG、BMP、EMF等檔案格式。

2.仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

仿真系統(tǒng)是在.NET平臺(tái)下應(yīng)用Javascript二次開發(fā)Actify。.NET平臺(tái)是Microsoft公司用來實(shí)現(xiàn)XML、Web Services和敏捷性的技術(shù)。從應(yīng)用的角度來講，.NET平臺(tái)是Microsoft提供的一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，為敏捷商務(wù)搭建互聯(lián)互通的平臺(tái)。從技術(shù)的角度來講，.NET應(yīng)用軟件是一個(gè)使用.NET Framework類庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)行于Microsoft基于.NET平臺(tái)的公共語言運(yùn)行時(shí) Common Language Runtime之上的應(yīng)用程序。

系統(tǒng)應(yīng)用Javascript二次開發(fā)Actify，在Actify中模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)是分層管理的。Actify提供了程序接口對(duì)每一個(gè)分層中的模型進(jìn)行操作，技術(shù)人員通過Javascript調(diào)用Actify提供的函數(shù)接口操作水輪發(fā)電機(jī)組對(duì)象模型，Javascript對(duì)對(duì)象的操作依據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組模型在Actify中的分層關(guān)系來逐級(jí)經(jīng)行。于是便可以直接在Actify中得到水輪發(fā)電機(jī)組三維模型，并可以使獲得的三維模型運(yùn)行在.NET平臺(tái)下的基于B/S架構(gòu)的WEB頁面中，而且還可以使用Actify的程序員手冊(cè)模擬水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的工作過程，這樣實(shí)現(xiàn)的員工仿真培訓(xùn)系統(tǒng)更容易讓學(xué)員接受，Javascript與Actify結(jié)合在三維仿真培訓(xùn)方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。通過Javascript對(duì)Actify的二次開發(fā)可以直接通過網(wǎng)頁完全操作三維仿真模型。

三、智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

智能仿真系統(tǒng)的效果的實(shí)現(xiàn)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，分別是對(duì)電站數(shù)據(jù)的管理、對(duì)水輪機(jī)可自由靈活地按要求定義拆裝步驟以及將定義的拆裝步驟演示出來。

電站數(shù)據(jù)的管理主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)電站系統(tǒng)層次的管理，系統(tǒng)層次是用來組織軟件研究對(duì)象的各層級(jí)關(guān)系，本系統(tǒng)中的層級(jí)關(guān)系按照電站—系統(tǒng)—子系統(tǒng)—子系統(tǒng)—子系統(tǒng)，其中系統(tǒng)和子系統(tǒng)是可以自定義的靈活的對(duì)象劃分機(jī)制。主要包括方便快捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)電站數(shù)據(jù)的添加、刪除和修改以及屬性查看。

拆裝定義主要用于具有相應(yīng)權(quán)限的用戶自定義電站的三維模型的拆卸和安裝過程。當(dāng)進(jìn)入相應(yīng)的查詢視圖選中要進(jìn)行拆裝定義的設(shè)備，頁面會(huì)顯示四個(gè)區(qū)域，分別是設(shè)備樹區(qū)、設(shè)備模型區(qū)、模型樹區(qū)和拆裝定義區(qū)。圖4是以上機(jī)架為例的拆裝定義頁面。設(shè)備樹區(qū)是用來顯示電站的層級(jí)關(guān)系，如電站—機(jī)組—系統(tǒng)—子系統(tǒng)。設(shè)備模型區(qū)用來展示當(dāng)前設(shè)備的三維模型，以及進(jìn)行拆裝的過程中拆裝過程的展示。模型樹區(qū)用來顯示當(dāng)前設(shè)備的內(nèi)部屬性結(jié)構(gòu)，如上機(jī)架的模型樹包括上機(jī)架零件、支撐桿、上機(jī)架蓋板和梯子等。拆裝定義區(qū)用來定義在模型樹區(qū)域中選擇的設(shè)備的子零件相對(duì)設(shè)備的平移、旋轉(zhuǎn)信息，并將定義的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖5為拆裝定義區(qū)的局部放大圖。拆裝定義區(qū)又可細(xì)分為五個(gè)部分，分別是步驟顯示區(qū)、定義子零件相對(duì)當(dāng)前設(shè)備沿x、y、z軸位移的模型平移定義區(qū)、定義子零件相對(duì)當(dāng)前設(shè)備的X、Y和Z方向上的法向量旋轉(zhuǎn)的角度的模型旋轉(zhuǎn)定義區(qū)、記錄當(dāng)前步驟作用與目的的詳細(xì)信息區(qū)和包括播放、執(zhí)行、后退、保存四個(gè)按鈕的執(zhí)行區(qū)。拆裝演示用來展示已經(jīng)定義好的步驟，通過點(diǎn)擊查詢視圖功能選擇區(qū)的“拆裝演示”即可進(jìn)入拆裝演示查詢頁面。圖6為上機(jī)架拆裝演示頁面，包括設(shè)備樹區(qū)、設(shè)備模型區(qū)、信息顯示區(qū)和播放控制區(qū)。信息顯示區(qū)用來顯示當(dāng)前步驟中的以下詳細(xì)信息，比如平移量、旋轉(zhuǎn)量和當(dāng)前步驟拆裝描述。播放控制區(qū)包含單步播放和連續(xù)播放，單步播放用于一步一步顯示已定義的拆裝過程；連續(xù)播放用來連續(xù)顯示拆裝過程。在連續(xù)播放過程中，通過點(diǎn)擊連續(xù)播放按鈕可使連續(xù)播放按鈕在播放和暫停之間進(jìn)行切換。在播放的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將拆裝定義中輸入的定義的每一步驟中的文字描述合成為語音流提供給用戶。

四、結(jié)束語

設(shè)計(jì)的智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一個(gè)集成信息管理系統(tǒng)，由四個(gè)重要模塊組成構(gòu)成，它們是：網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、三維仿真模型模塊和智能語音合成模塊。學(xué)員只需要通過IE瀏覽器訪問網(wǎng)站即可獲得各種服務(wù)，系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1.易于安裝

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是基于B/S架構(gòu)構(gòu)建，只需要在水電廠的服務(wù)器部署本系統(tǒng)即可，學(xué)員只需要借助瀏覽器訪問培訓(xùn)系統(tǒng)，就能夠達(dá)到參與水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和檢修培訓(xùn)的目的。[7，8]

2.易于使用

學(xué)員不需要為了接受水輪發(fā)電機(jī)組的培訓(xùn)而先進(jìn)行系統(tǒng)使用方法的培訓(xùn)，只要會(huì)通過IE瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁就可以順利地使用培訓(xùn)系統(tǒng)。簡(jiǎn)潔、明了的用戶操作界面是本水輪發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。

3.高效性

借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打破地域、時(shí)間的限制，使水輪發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)可以在任意時(shí)候任意地點(diǎn)進(jìn)行，避免了因?yàn)榕嘤?xùn)場(chǎng)地、培訓(xùn)時(shí)間等原因造成的水輪發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)的延誤，可以讓參訓(xùn)學(xué)員自由的安排培訓(xùn)時(shí)間，更好地提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率。[10，11]

4.通用性

在本系統(tǒng)中，不同的水輪發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)自身的實(shí)際情況制定水輪發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)流程。避免了將整個(gè)培訓(xùn)流程固化，導(dǎo)致培訓(xùn)系統(tǒng)通用性降低。

5.完整的知識(shí)庫(kù)

隨著科技發(fā)展，大型水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，要求每個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)技術(shù)人員完全掌握水輪發(fā)電機(jī)組的全部知識(shí)，因此需要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的全部知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)整理。查閱和學(xué)習(xí)水輪發(fā)電機(jī)組每個(gè)部分所對(duì)應(yīng)的模型，圖紙和技術(shù)文檔成為學(xué)員培訓(xùn)期間必不可少的內(nèi)容。本系統(tǒng)完整的知識(shí)庫(kù)包含了水輪發(fā)電機(jī)組所有的零部件三維模型、技術(shù)圖紙和技術(shù)文檔，并在內(nèi)部通過一定的邏輯對(duì)整個(gè)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行分類整理。學(xué)員通過查看知識(shí)庫(kù)可以深入觀察水輪發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的空間相對(duì)位置關(guān)系，從而對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組有全面直觀明了的認(rèn)知。

6.智能語音

將每個(gè)用戶自定義的水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)于檢修和認(rèn)知培訓(xùn)的動(dòng)態(tài)過程分類存儲(chǔ)起來，方便學(xué)員進(jìn)行自定義的培訓(xùn)，并能有效運(yùn)用語言或文字將水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和操作的各個(gè)過程表達(dá)出來，即自定義的過程中培訓(xùn)操作的每一個(gè)步驟說明能準(zhǔn)確地用語音朗讀出來，便于學(xué)員理解。

本智能培訓(xùn)系統(tǒng)目前已應(yīng)用于實(shí)際水電廠培訓(xùn)中，用戶反應(yīng)良好，可擴(kuò)大范圍推廣，從而促進(jìn)我國(guó)水電培訓(xùn)領(lǐng)域的發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）