大型立式泵站三維檢修系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李 頻，徐晶珺，趙林章

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州225321；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100）

1 引言

隨著泵站機(jī)組檢修模式由過去的“計劃檢修”模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”模式，對機(jī)組進(jìn)行全面解體檢查和檢修間隔周期將會進(jìn)一步延長，使得很多員工根本沒有機(jī)會參與現(xiàn)場培訓(xùn)。因此，迫切需要提出一種對安裝檢修人員進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和技能培訓(xùn)的全新模式。將三維動畫技術(shù)、智能交互技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到泵站機(jī)組的安裝檢修中，可創(chuàng)建機(jī)組安裝檢修的三維仿真系統(tǒng)，打造機(jī)組安裝檢修操作的全新仿真演練平臺。

目前對于水力機(jī)組三維檢修系統(tǒng)的研究方面，岳志偉等[1]結(jié)合廣西沿灘水電站，基于3DS MAX、Virtools、虛擬仿真技術(shù)等平臺，開發(fā)了混流式水輪發(fā)電機(jī)組檢修安裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)組實際安裝及檢修的動畫演示、虛擬裝配和虛擬漫游的功能；李子萌等[2]開發(fā)了一套面向典型水輪發(fā)電機(jī)組檢修實操的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，并按機(jī)組類型分類；闞闞等[3]研究了吉林豐滿水電站的三維仿真與信息管理系統(tǒng)，不但模擬了混流式水輪發(fā)電機(jī)組檢修全過程，還提供了機(jī)組檢修的信息管理和查詢功能；魏佳芳等[4]研究了軸流式水輪發(fā)電機(jī)組的檢修仿真，完成了軸流式機(jī)組的檢修安裝仿真，促進(jìn)了水電機(jī)組仿真工作的進(jìn)步。這些研究極大地方便和簡化了水電站的安裝檢修培訓(xùn)工作，但這些研究主要集中在水輪發(fā)電機(jī)組的三維檢修系統(tǒng)，對大型立式泵站的檢修及安裝的仿真研究較少。因此，本文以江蘇某立式泵站的機(jī)組為依托，按照安裝檢修現(xiàn)場的實際環(huán)境，構(gòu)建真實感強(qiáng)的機(jī)組虛擬安裝檢修環(huán)境。根據(jù)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)的安裝檢修流程，以互動的方式實現(xiàn)機(jī)組零部件的安裝檢修，實現(xiàn)在計算機(jī)上對用戶進(jìn)行考核并給出考核結(jié)果等技能鑒定功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)技術(shù)

2.1 面向裝配任務(wù)的情境模型

虛擬裝配模型通常規(guī)定了零件、組件的表示方式，以及它們之間的組織關(guān)系。裝配情境模型以層次模型為基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 裝配情境模型的層次結(jié)構(gòu)及其裝配過程

從圖1可以看出，組件、零件和特征是逐層包含的關(guān)系，虛擬裝配場景可以劃分為裝配知識層，裝配決策層和用戶控制層3個層次，并令3個裝配層次分別對應(yīng)特征對象、零件對象和組件對象，以使上下文信息可以分而治之地保存在各個層次中。裝配知識層容納裝配操作所需的知識信息，裝配知識來源于裝配信息文件，是場景中所有裝配活動的推理依據(jù)。裝配決策層控制著裝配任務(wù)的進(jìn)行順序，連通用戶控制層和裝配知識層，起到將特定情境與裝配知識相結(jié)合并反饋到用戶控制層的作用。用戶控制層是用戶對虛擬裝配系統(tǒng)進(jìn)行控制的接口，用戶通過在虛擬場景中對組件對象進(jìn)行控制完成裝配任務(wù)。通過由裝配知識層、裝配決策層和用戶控制層構(gòu)成的虛擬裝配模型框架，實現(xiàn)了裝配情境模型對裝配知識、零件Agent行為決策和用戶交互3個重要方面的分離和抽象。裝配知識層可以專注于通過定義特征對象完成裝配知識的表示和保存，使裝配決策層可以通過定義零件Agent的推理規(guī)則完成虛擬場景決策能力的構(gòu)建，使用戶控制層可以專注于對用戶的控制行為進(jìn)行響應(yīng)和引導(dǎo)。通過令這3個層次分別對應(yīng)于組件對象、零件對象和特征對象3個不同粒度的裝配對象上，使虛擬裝配系統(tǒng)的開發(fā)可以劃分為裝配知識表達(dá)，裝配決策規(guī)則制定和用戶行為引導(dǎo)等3個相對獨立的方面，提高了開發(fā)效率和可維護(hù)性。

2.2 面向用戶的情境模型

用戶在進(jìn)行虛擬裝配任務(wù)的過程中，會不斷改變零件的特征狀態(tài)。在零件特征狀態(tài)的兩次改變之間，用戶需要移動位置，拾取零件并調(diào)整位置進(jìn)行下一步操作，因此用戶情境可以定義為如下形式：

UserContext={FeatureStateSet，Eye，Center，Up}

FeatureStateSet={f1，f2…fn|n=||Features||，

fi=feautrei.state，featurei∈Features}

其中特征狀態(tài)集合FeatureStateSet是由每個特征的狀態(tài)屬性拼接而成的狀態(tài)值序列，F(xiàn)eatureStateSet的位數(shù)和場景中特征的個數(shù)相同。Eye、Center和Up是3個三維向量，它們共同描述了攝像機(jī)的狀態(tài)，Eye表示了攝像機(jī)的位置中心點，Center表示攝像機(jī)的視線中心點，Up表示攝像機(jī)的頭頂方向。通過特征狀態(tài)集合，可以將用戶情境與裝配情境聯(lián)系起來，不同的裝配情境對應(yīng)不同的特征狀態(tài)集合，可以根據(jù)不同的任務(wù)階段對用戶的移動數(shù)據(jù)進(jìn)行分段。通過Eye參數(shù)，可以形成用戶攝像機(jī)在空間中的移動路徑。在用戶執(zhí)行裝配任務(wù)的過程中按照此定義格式不斷記錄攝像機(jī)的狀態(tài)信息，可以形成用戶的操作歷史路徑數(shù)據(jù)集，供后續(xù)的關(guān)鍵點提取步驟。我們認(rèn)為對同一次裝配訓(xùn)練收集到的數(shù)據(jù)點使用基于密度的聚類方法可以更有效的進(jìn)行聚類，抽取出關(guān)鍵位置。而如果將同一裝配任務(wù)的多次訓(xùn)練所收集到的關(guān)鍵位置進(jìn)行融合，則可以使關(guān)鍵位置點變得更加有代表性。由于層次聚類方法對于預(yù)先不知道分類數(shù)量的無序樣本點有良好的聚類效果，所以對于多次訓(xùn)練操作的關(guān)鍵點的融合，我們采用了層次聚類的方法來提取最終的關(guān)鍵位置點。

對收集到的裝配操作歷史數(shù)據(jù)，先利用基于密度的聚類方法從用戶軌跡中找到樣本點的聚集區(qū)域，之后去除相鄰的重復(fù)點并找到局部極值，將這些極值點作為備選關(guān)鍵點。然后通過層次聚類算法對多條訓(xùn)練路徑中的備選關(guān)鍵點進(jìn)行聚類，最終對每個特征狀態(tài)值形成一個關(guān)鍵點集，操作過程可以表示成如圖2所示的形式。

圖2 用戶操作歷史關(guān)鍵點的聚類過程

對關(guān)鍵點完成聚類之后，依次查看各個聚類中心的visited參數(shù)，如果該參數(shù)為零或者非常小，則表示這個關(guān)鍵點距離其他關(guān)鍵點都非常遙遠(yuǎn)，從來沒有被合并過，那么就可以視為噪聲進(jìn)行刪除。關(guān)鍵點提取完畢后，可以加入到虛擬裝配系統(tǒng)中供用戶進(jìn)行切換，節(jié)省用戶在關(guān)鍵點之間移動花費的時間，提高裝配效率。

3 機(jī)組三維檢修系統(tǒng)應(yīng)用實例

以江蘇泰興引江河泵站為例，三維檢修系統(tǒng)是以泵站的機(jī)組為依托，按照安裝檢修現(xiàn)場的實際環(huán)境，構(gòu)建真實感強(qiáng)的機(jī)組虛擬安裝檢修環(huán)境。根據(jù)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)的安裝檢修流程，以互動的方式實現(xiàn)機(jī)組零部件的安裝檢修，實現(xiàn)在計算機(jī)上對用戶進(jìn)行考核并給出考核結(jié)果等技能鑒定功能。機(jī)組三維檢修系統(tǒng)包括機(jī)組檢修數(shù)據(jù)庫，機(jī)組檢修多媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)、機(jī)組檢修三維模擬訓(xùn)練和技能鑒定系統(tǒng)。

3.1 機(jī)組檢修數(shù)據(jù)庫的建立

整個機(jī)組檢修數(shù)據(jù)庫由兩類數(shù)據(jù)庫構(gòu)成：①圖形數(shù)據(jù)庫：主要存放機(jī)組零部件三維信息、零部件裝配信息、攝像機(jī)位置信息、吊裝工具信息、裝配任務(wù)信息和場景樹等。這些數(shù)據(jù)由機(jī)組零部件裝配關(guān)系和裝配任務(wù)得到，保存在圖形數(shù)據(jù)庫中。②動態(tài)影像庫：主要存放不同種類的靜態(tài)圖像，如檢修現(xiàn)場拍攝的照片、檢修進(jìn)度圖和數(shù)字化得到的圖像等；各種不同的視頻圖像，如檢修現(xiàn)場拍攝的視頻、三維動畫文件；聲音文件，如動畫的解說等。

3.2 機(jī)組檢修多媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)

機(jī)組檢修多媒體系統(tǒng)提供一些多媒體課件供培訓(xùn)和學(xué)習(xí)之用，課件的內(nèi)容主要包括：

（1）基本結(jié)構(gòu)與檢修：以圖片、文字、視頻方式介紹水力機(jī)組各零部件的結(jié)構(gòu)、作用、具體參數(shù)、檢修規(guī)程。以動畫方式展示該零部件的安裝與拆卸，如圖3、圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)與檢修主界面

根據(jù)水力機(jī)組安裝和拆卸工藝流程，開發(fā)出水力機(jī)組安裝和拆卸的三維動畫，如圖5。

（2）總體裝配流程：以三維動畫方式對水力機(jī)組主要零部件安裝過程進(jìn)行展示。可以設(shè)定從某個零部件開始安裝，以動畫方式展示從該零部件開始以后的安裝流程，如圖6所示。

圖4 零部件結(jié)構(gòu)與檢修

圖5 機(jī)組安裝和拆卸動畫

圖6 總體裝配流程

（3）總體拆卸流程：以三維動畫方式對水輪發(fā)電機(jī)組所有零部件拆卸過程進(jìn)行展示。可以設(shè)定從某個零部件開始拆卸，以動畫方式展示從該零部件開始以后的拆卸流程，如圖7所示。

3.3 機(jī)組檢修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

機(jī)組檢修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括：

（1）虛擬裝配環(huán)境的建立：建立水力機(jī)組的場景模型，這些模型包括廠房、吊車和機(jī)組各零部件模型，并對這些模型進(jìn)行合理簡化。建立機(jī)組各零部件模型的裝配關(guān)系和特征約束。在所建立的虛擬環(huán)境中，由于用戶的交互和物體的運動，物體間很可能經(jīng)常性的發(fā)生相互碰撞，此時為保持環(huán)境的真實性，需要及時檢測到這些碰撞，并計算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新繪制結(jié)果，以防止物體間發(fā)生穿透現(xiàn)象，破壞虛擬環(huán)境的真實感和用戶的沉浸感。通過交互漫游用戶可以靈活、準(zhǔn)確地對視景進(jìn)行全方位觀察，拾取其中的虛擬物體，查詢信息。交互漫游的過程就是一個根據(jù)交互控制命令連續(xù)不斷改變視點位置或視線方向并渲染視景的過程。機(jī)組虛擬環(huán)境如圖8所示。

圖7 總體拆卸流程

圖8 機(jī)組虛擬環(huán)境

（2）人機(jī)交互裝配：用戶在三維場景中通過交互方式完成機(jī)組零部件的安裝或拆卸，通過答題方式提高學(xué)員的檢修等知識的掌握程度。將機(jī)組檢修拆裝的流程按任務(wù)進(jìn)行劃分，每一個任務(wù)對應(yīng)一個安裝或拆卸工序，檢修工序體現(xiàn)在每個拆卸工序中。虛擬裝配環(huán)境有臨場感強(qiáng)、互動性高的特點，使得學(xué)員在這樣的虛擬環(huán)境中實現(xiàn)對裝配對象的選擇、裝配視角調(diào)整、裝配零部件位置調(diào)整、視圖縮放和虛擬仿真設(shè)置等功能。選取待安裝的零部件、選取安裝工具和安裝位置界面如圖9、圖10、圖11所示。

（3）任務(wù)調(diào)用與跟蹤：規(guī)劃一條無障礙的可行路徑，吊車沿該路徑運動。吊車各部分均要滿足運動約束，沿著各自軌跡聯(lián)動。對每一個任務(wù)中的每一個操作步驟都要進(jìn)行跟蹤，記錄任務(wù)和操作步驟時序和狀態(tài)，對每一個操作步驟進(jìn)行對錯判別。吊車運動約束見圖12。

圖9 選取待安裝的零部件

圖10 選取安裝工具

圖11 安裝位置顯示

圖12 吊車運動約束

3.4 技能鑒定

技能鑒定系統(tǒng)包括學(xué)員機(jī)部分和教員機(jī)部分。學(xué)員通過登錄學(xué)員機(jī)完成身份驗證和選題答題等操作，每做完一個工序，都要進(jìn)行成績記錄，當(dāng)教員機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布結(jié)束指令或?qū)W員機(jī)計時結(jié)束，中斷考試。教員可以通過教員機(jī)進(jìn)行題目管理、試卷管理、成績管理和學(xué)員機(jī)監(jiān)控的功能。

4 小結(jié)

本文從泵站機(jī)組三維檢修系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究展開，建立了基于情境上下文的虛擬裝配模型，構(gòu)建了自底向上的裝配情境感知模型，建立了用戶情境模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)了水力機(jī)組三維檢修系統(tǒng)，按照水力機(jī)組檢修現(xiàn)場的實際環(huán)境，構(gòu)建真實感強(qiáng)的虛擬環(huán)境；根據(jù)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)安裝、拆卸和檢修流程，以互動的方式對虛擬環(huán)境中的機(jī)組零部件進(jìn)行裝卸與檢修，并對學(xué)員的操作過程進(jìn)行分析，如不按照規(guī)定的裝卸與檢修工藝流程進(jìn)行操作，計算機(jī)會提示出錯信息，給出正確操作步驟，并自動記錄得分。該系統(tǒng)進(jìn)一步提升了水利機(jī)組從業(yè)人員對拆裝檢修知識的掌握程度，提高了檢修人員的技術(shù)水平和機(jī)組檢修質(zhì)量，推動了水力機(jī)組安裝檢修技術(shù)的發(fā)展。