9FA重型燃機本體虛擬檢修系統的應用與研究

廣州發展電力集團有限公司 甄家麟

9FA 重型燃機本體體積龐大且結構復雜，其安全性與穩定性是保障企業發電運行的重要因素。在實際的檢修過程中，若缺乏對于燃機結構和故障原因的了解，盲目地對設備進行拆卸，會極大地降低檢修質量和效率；另一方面，9FA 重型燃機在長期運轉的狀態下，拆解設備的機會不多，檢修獲得實際、有效的鍛煉機會也不多。

9FA 重型燃機本體虛擬檢修系統（以下簡稱：虛擬檢修系統）是使用計算機數字化模擬出真實存在的物理設備，利用虛擬仿真技術展現9FA 重型燃機本體的每個三維零部件模型，以及其內部部件的動態裝配，模擬9FA 重型燃機本體的檢修過程，模擬對故障點進行清除，鍛煉技術人員操作精度和效率，減少實物拆除及排障過程中的損耗和對設備性能的損害。

1 虛擬檢修系統的構成與功能

1.1 虛擬檢修的構成標準

虛擬檢修系統的使用構成有以下幾點標準：可用性：燃機機組因其具備占地面積小、電力工程應用靈活等特點，在電力能源領域中具有重要的地位，基于虛擬仿真技術的虛擬檢修系統在模擬設備本體零部件及設備檢修過程時，還可與電廠多個系統進行集成，具有很高的可用性；沉浸性：9FA 重型燃機本體結構精密、復雜，為檢修作業帶來不小的難度，虛擬檢修系統可生成高可信度的場景使用戶沉浸其中，以沉浸式體驗提高使用人員對設備結構和檢修作業的認知水平；交互性：系統圍繞9FA 重型燃機本體的檢修周期和維修次數進行，提供人機交互的輸入輸出接口；物理性：虛擬檢修系統仿真9FA 重型燃機本體的運行過程，啟停機按照標準曲線進行，避免滿負荷工作、跳閘和當量啟停機，實時檢測碰撞和干涉；啟發性：提供檢修障礙分析工作預設零部件、維修工種和拆卸順序，預計維修時間、作業空間甚至維修費用。以上述標準為基礎，搭建虛擬檢修系統的整體框架。

1.2 虛擬檢修系統的框架設計

虛擬檢修系統主要由三維引擎、輸入設備和輸出設備三部分組成。三維引擎搭載的模塊提供計算和處理輸入信息、繪制三維仿真場景的功能。結合虛擬現實技術，輸入設備抓取手部和肢體動作并將信息遞交給三維引擎計算，以此可以確定裝配對象的運動軌跡。常用的輸出設備有PC 顯示器和虛擬現實頭盔，前者提供非沉浸式虛擬仿真檢修體驗，通過鍵鼠輸入控制，適用于班組人員同時進行培訓交流或考核的場合；后者可以提供全沉浸式的虛擬體驗，更具有代入感和實操性。

1.3 虛擬檢修系統的主要模塊與功能

虛擬檢修系統的主要模塊介紹如下：

三維場景建模：搭建三維檢修場景往往包括虛擬樣機建模、維修環境的建模和虛擬人物建模三部分。其中樣機的建模還包括9FA 重型燃機本體建模、檢修工具建模，虛擬人物建模需結合軟硬件設備。

虛擬檢修仿真：主要包括動作捕捉和維修過程仿真，三維引擎以輸入的動作信息與虛擬人物的運動映射關系為依據，跟蹤使用人員的運動軌跡。檢修仿真的關鍵技術是碰撞檢測技術和人機交互技術，對9FA 重型燃機本體模型和虛擬人物設定碰撞屬性會在場景較大時因計算量的倍增加大引擎壓力，造成場景卡頓，本文敘述采用路徑烘焙，降低碰撞檢測計算量提高渲染效率。

虛擬維修數據分析：系統通過分析真實用戶的檢修操作數據來判斷操作的合理性，提供指導建議和培訓教學。數據庫處理并保存使用人員行為數據，通過引擎把將輸出數據傳輸到相應的功能模塊。

虛擬檢修系統在虛擬環境下進行維修仿真模擬，使用人員可以直觀地看到操作和排障過程；虛擬檢修系統的使用價值還在于，使用人員在檢修的操作環節產生問題時，系統能給出清晰的三維可視化展示環境和數據，使用人員在仿真環境下通過推演評價檢修結果，為9FA 重型燃機本體的運檢提供效果參考。

2 虛擬檢修相關技術

2.1 9FA重型燃機本體的虛擬構造

9FA 重型燃機本體檢修環節的第一步，需要將三維模型數據結構信息進行記錄和設定，包括其裝配結構和臺賬信息。確切地說，需要對9FA 重型燃機本體各零部件的型號參數以及運行數據、檢修位置進行數據采集，包括設備運行環境的信息。利用三維動畫演示的可視原理，確保復雜的9FA 重型燃機本體細節變得直觀化，使用人員更全面地掌握各零部件的位置和具體拆裝方式。

對于虛擬檢修系統采用模塊化管理，將9FA重型燃機本體數據集成封裝成各自獨立的部分，使用統一的標準接口實現各模塊間的聯動，及時確定三維系統的接口標準，加強對數據的運用和管理。

2.2 9FA重型燃機本體檢修操作環境的模擬

通過虛擬檢修系統涉及的虛擬物構建，設計虛擬人物的動作和姿態，針對零部件建立專門的維修部件庫提供修理部件，三維模型與現實部件1:1建模，形式豐富構建的精細模型才可以滿足維修需求，預置的常用維修工具庫也能滿足使用人員的常規檢修作業需求。

2.3 9FA重型燃機本體的三維動畫展示

利用三維動畫構建的9FA 重型燃機本體模型具有更加清晰且色彩豐富的特征，主流的三維模型制作軟件是Maya 和3ds Max，可以為工業模型提供動畫建模效果和渲染效果，當前三維軟件的渲染效果較好，對軟件的運行環境要求比較低，其自身攜帶的插件功能表現也很優秀。在制作維修動畫時需要根據9FA 重型燃機本體說明書的操作規程設計展示腳本，注重對三維場景鏡頭和燈光的使用，保證每一個步驟能還原真實維修過程的同時，使模型運行得更加流暢。

2.4 檢修模型場景的控制及封裝

在虛擬檢修過程中，主要的交互任務包括運動、選擇、操縱和系統控制。通過渲染烘焙、三維文件無損壓縮和成熟的交互動作組合封裝技術可以提供交互動作設計，更高的FPS 幀率使畫面流暢，提升用戶體驗，結合LOD 等優化技術對場景預加載、預渲染，亦可提高用戶的沉浸感。

通過對零部件進行拆解、裝配路徑的規劃，避免操作過程中的相互碰撞和干擾，可以提高虛擬過程的真實感，除了系統預置的交互方式，交互任務還可以由交互硬件完成，包括且不限于數據傳輸手套、位置跟蹤器、軌跡球甚至鍵盤鼠標等，使用人員借助交互設備可以進行更加豐富多樣的操作和演示。

3 虛擬檢修技術在9FA 重型燃機本體檢修作業中的應用特點與價值

虛擬檢修技術應用于9FA 重型燃機本體這類大型精密復雜設備時具有顯著的意義和價值。在拆裝畫面和提示文字相互結合的虛擬場景中進行維修過程的演示和數據可視化呈現，使用人員突破9FA 重型燃機本體傳統檢修在時間、場地和經濟上的限制，用虛擬樣機代替物理樣機來減少設備和生產時間損耗，降低培訓學習成本，同時提升9FA 重型燃機本體檢修作業的效率和運維品質。

虛擬檢修技術的主要應用特點有：

隨看隨用的虛擬檢修系統內置作業規程和內容，方便使用人員在操作時進行查看和自檢，避免遺漏步驟，維修培訓中可邊看邊學，加深操作印象；

9FA 重型燃機本體的實際結構、臺賬和檢修信息通過虛擬仿真技術結合視覺、聽覺和觸覺，將設備內部情況和零部件以三維可視化形式展現出來，排障過程用動畫模擬來傳達檢修信息，使用人員可快速掌握檢修技巧；

虛擬拆裝可以真實地還原9FA 重型燃機本體的解體和復裝順序，附帶文字描述，維修過程往往基于多個步驟和多個階段動態進行，將交互內容通過虛擬腳本表達，用以實際操作的模擬，可以在實物設備尚未就位時，培養出可以進行專業維護運營的人員；

系統可以記錄檢修過程并提供反饋評價機制，采用適宜的指標可以評價檢修工作和計算成績。系統對其可維修性的評價提出建議，針對操作的重點和難點，技術人員可以進行反復練習而不受空間和場地的限制。

4 結語

本文通過闡述虛擬檢修系統實際用于9FA 重型燃機本體的構建標準、組建框架、應用特點、實際應用的意義和價值，為9FA 重型燃機本體檢修工作提供具有創新性的參考。虛擬檢修技術如今仍處于不斷探索與實踐的階段，在電力行業具有廣泛的應用前景。