多平臺三維可視化培訓系統(tǒng)開發(fā)研究

華電國際技術服務分公司 宮偉基 杜寧寧 北京必可測科技股份有限公司 張 燈 邵 帥

設備檢修作業(yè)的好壞直接關系著電廠安全和經濟生產，目前火電廠的設備作業(yè)指導檢修培訓一般通過文檔、圖片、視頻為載體來實現(xiàn)，通常有三維沉浸感比較差、操作界面不夠人性化、培訓功能不夠完整等問題，由于受訓人員現(xiàn)場實操的時間不多，這些問題會造成設備檢修培訓工作的效率和質量難以提高。為了提高檢修培訓的質量和效率，本項目選取火電站機組汽機、鍋爐、電氣專業(yè)的主要設備進行零部件級別精度的三維建模，基于產品說明書、檢修作業(yè)指導書、運行規(guī)程等文件，建立包含設備結構原理、檢修過程和典型故障內容的多平臺三維可視化培訓系統(tǒng)。

1 技術路線

隨著技術的發(fā)展，使用三維激光掃描儀通過逆向工程建立出尺寸和外觀都與現(xiàn)實無異的虛擬三維模型，再使用三維引擎的實時渲染和物理模擬技術讓模型動態(tài)化、可交互，輔以穿戴設備進行互動，最終實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行培訓，從而能夠取得比傳統(tǒng)的二維界面下更好的效果。利用激光測距的原理，三維激光掃描技術通過記錄被測物體表面海量密集點的三維坐標、紋理、反射率等信息，能快速復建出被測物體的三維模型及線、面、體等數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，能有效提升三維建模工作的準確度和速度。

由于要完整采集設備各角度的數(shù)據(jù)，需要從不同方位掃描多個站點才能把目標物掃描完整。每一測站掃描數(shù)據(jù)都有自己的坐標系統(tǒng)，在掃描區(qū)域中設置控制點或標靶點，使得相鄰區(qū)域的掃描點云圖上有三個以上的同名控制點或控制標靶，通過控制點的強制附合，將相鄰的掃描數(shù)據(jù)擬合到同一個坐標系下。將擬合后的數(shù)據(jù)進行清洗，剔除無關掃描物的信息，得到可供建模的數(shù)據(jù)。

本項目選取Unity3D 引擎，并針對設備檢修項目的需求進行了二次開發(fā)。三維引擎是開發(fā)交互式實時圖像應用程序的核心組件，能為設計和開發(fā)者提供各種三維交互系統(tǒng)所需的各種工具，其目的在于讓設計者能容易和快速地做出三維交互系統(tǒng)。三維引擎一般包含以下系統(tǒng)：渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測系統(tǒng)、音效、腳本引擎、動畫、人工智能、網絡引擎以及場景管理等。

本系統(tǒng)的構建采用了三層架構，即基礎數(shù)據(jù)層（用于三維模型生成和原始數(shù)據(jù)的標準化）、三維場景層（構建靜態(tài)和可編輯的三維場景）和三維應用層（在各平臺實現(xiàn)最終的三維應用）。

2 開發(fā)過程

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 三層架構

在機組大修期間對現(xiàn)場設備進行掃描和拍照，由于設備處于解體狀態(tài)，可采集到設備內部結構的尺寸，為高精度還原三維模型提供可靠的依據(jù)。收集設備的圖紙和文檔，作為建模的輔助材料：圖紙。設備的組裝圖、說明書；文檔。需要在三維平臺中體現(xiàn)的作業(yè)指導書、檢修規(guī)程、檢修記錄、運行規(guī)程等文檔資料；圖片。根據(jù)現(xiàn)場真實作業(yè)過程或者擺拍方式采集三維作業(yè)指導需要的照片，主要包括現(xiàn)場景觀、環(huán)境布置、設備外觀、工器具、備品備件等；視頻。根據(jù)現(xiàn)場真實作業(yè)過程或者擺拍方式，錄制三維作業(yè)指導需要的視頻；模型。設備廠家、設計院提供的三維設計模型。

2.2 場景構建

場景構建主要包括模型狀態(tài)預制和交互功能實現(xiàn)兩項工作：模型狀態(tài)預制是為了方便后續(xù)的培訓內容制作，將設備零部件的連接關系、物理屬性、預制動作進行配置；交互功能通過用戶界面來實現(xiàn)，其設計思路遵循簡潔和明了、合理利用空間、最大化整合業(yè)務功能。

2.3 培訓內容配置

基于零部件級靜態(tài)模型構建場景，由專工編寫或審核檢修腳本,綜合利用特效、動畫、語音,以三維方式展示設備原理和檢修過程。檢修過程需要配置的主要內容有：檢修階段劃分、步驟序號和結構、步驟標題、步驟描述、質監(jiān)點位置、關聯(lián)文件等內容。典型故障需要先對表現(xiàn)的內容進行案例設計，必要時先補充案例所需的模型，然后進行標準配置，其主要內容有故障現(xiàn)象、故障原因、預防及處理、關聯(lián)動作等。題庫的配置分為排序題和選擇題兩類，排序題直接繼承檢修過程的內容無需額外配置，選擇題的配置內容包括題干、選項、正確答案、關聯(lián)動作等。

2.4 多版本開發(fā)

虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，VR)：用計算機創(chuàng)造以假亂真的世界。結合多領域前沿技術（計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術、人機接口技術、人工智能技術等），借助適當裝備，通過模擬人體感官的方式（三維視覺、聽覺、觸覺等），創(chuàng)造出完全脫離現(xiàn)實的世界并與其進行體驗和交互。本項目選取HTC VIVE 作為虛擬現(xiàn)實硬件設備。移動APP 版可在手機上運行本系統(tǒng)，通過觸屏完成各項三維操作，通過手機版查詢設備結構、檢修流程以及相關聯(lián)的文檔，可不受辦公環(huán)境的限制，方便在現(xiàn)場使用和查詢。

本系統(tǒng)總共發(fā)布了四個版本，用戶可根據(jù)自身需求選擇最合適的版本使用。不同版本之間共享模型和場景數(shù)據(jù)，當有新內容需要更新時只需進行一些用戶界面適配、發(fā)布參數(shù)配置等修改工作，降低了維護成本：客戶端版。系統(tǒng)兼容和穩(wěn)定性較好，畫質最佳、運行速度最佳；網頁版。使用前無需安裝，無需手動進行版本更新；移動APP 版。啟動和使用方便，可在生產現(xiàn)場使用，不受場地限制；VR 版。沉浸感好，操作擬真性強。

2.5 系統(tǒng)擴展性

本系統(tǒng)在建設時考慮了輸出三維數(shù)字資產的需求，因此在模型格式、腳本化配置、多平臺發(fā)布等方面均考慮了二次開發(fā)功能，可為以后智能電廠（數(shù)字電廠）打下基礎，后期可擴展的三維高級應用功能包括三維+故障診斷、三維+零部件采購、三維+臺賬管理、三維+模擬檢修、三維+狀態(tài)監(jiān)測等。

3 結語

通過多平臺三維可視化培訓系統(tǒng)，檢修人員的檢修技能提升后可以對檢修質量和日常維護起到促進和提升作用，在機組正常運行時定期開展檢修培訓，在機組檢修時提升工作效率和檢修質量，機組檢修質量得到了保證，設備安全有了保證，實現(xiàn)機組安全滿發(fā)穩(wěn)發(fā)，從而獲得最大的經濟效益。多平臺版本的開發(fā)，使用同一套三維模型作為基礎數(shù)據(jù)，可有效節(jié)約開發(fā)成本，同時發(fā)揮各平臺在培訓中的優(yōu)勢。