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★南方電網儲能股份有限公司孔吉宏

★四川省武都引水工程運管中心黃昆

★南方電網儲能股份有限公司丘恩華，呂毅松

★中冶武勘智誠（武漢）工程技術有限公司王宇軒

關鍵詞：水電站檢修；輔助決策；沉浸式；虛擬現實系統

因為水電站的特殊性，電站的建設受到環境的限制較大，不能像火電、核電等可以按照現代化工業流程進行標準化建設，導致各個電站的設備、設施差別較大。同時因為水電站的特殊性，設備不能隨意拆卸了解內部結構，二維圖紙苦澀難懂需要較高識圖基礎。過去在水電站內必須依靠相當熟悉現場結構的工作人員參與才能制定一套相對可執行的檢修方案，然后隨著檢修次數增加來不斷對原檢修方案進行修正，一旦重要零部件需要臨時性檢修時，則需要較大精力去制定一套與之對應的檢修方案，為確保檢修質量，往往會延長檢修周期，擴大檢修范圍。本文提出基于沉浸式虛擬現實系統搭建一個與真實水電站設備、設施完全一致的虛擬環境，不限時間、不限空間地進行檢修預演，快速地為真實水輪發電機組檢修提供輔助決策依據，以達到縮短檢修周期、提高檢修質量的目的。

1　水電站檢修概述

水電站檢修^[1]是為保持或恢復水輪發電機組設計的性能而進行的檢查和修理。它一般包括水輪發電機組擴大性大修、大修、小修、搶修和小型技術改造。

1.1　水電站檢修等級

現行水電站檢修等級規定是以檢修規模和停機時間為指標，共分為A、B、C、D四個等級。A修：對水輪發電機組進行全面的拆卸、維修；B修：針對機組某個部件存在的問題，進行機組部分解體檢查、維修；C修：根據設備實際磨損及規律，重點地檢查、修理、清掃；D修：對機組及相關輔助設備進行缺陷處理。

1.2　檢修等級組合方式

常規水電站水輪發電機組根據實際運行中面臨的綜合因素確定A修間隔一般為5～10年。在兩次A級檢修之間，安排1次機組B級檢修，除有A、B級檢修年外，每年安排1次C級檢修，并可視情況，每年增加1次D級檢修。

2　沉浸式虛擬現實系統介紹

常見的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統（VR）、完全沉浸多通道單面顯示系統（CAVE）。

沉浸式虛擬現實其明顯的特點是：利用頭盔顯示器或完全沉浸多通道單面顯示系統把使用人員的視覺封閉起來，產生虛擬視覺，完全對真實場景進行再現。

2.1　沉浸式虛擬環境硬件組成

本文采用的硬件顯示方案為多通道單面沉浸式系統，如圖1所示。系統由四部分組成：LED顯示系統、動作捕捉系統、圖像數據處理系統、虛擬外設裝置。其中LED顯示系統是由頂幕、正幕、地幕、左幕、右幕共計5個平面組成的立體環境，給使用者呈現一個可同時觀看的由5個平面組成的3D圖像，使其完全沉浸在圖像組成的虛擬空間內。

圖1 多通道單面沉浸式系統

2.2　沉浸式虛擬環境系統功能

沉浸式虛擬環境系統是由驅動核心功能實現的軟件及與支持功能實現的硬件外設共同組成的。軟件采用模塊化架構，支持多線程技術，不僅可以驅動高性能圖形卡的多種渲染器，還可以通過自身模型實現模型導入、動態干涉檢查、實時分析、動畫及渲染等復雜功能。

3　沉浸式虛擬環境搭建流程

3.1　采用1:1比例構建三維模型

本文介紹的方案是以實物水電站所有機電設備為最小單位建模單元分塊，然后采用工業三維建模軟件制作開發三維精細化模型^[2]。精確建模流程如圖2所示。

圖2 設備精確三維建模流程圖

首先是辨識最小物理單位設備在三維精細化模型上所表達出的特征量，例如：一顆螺栓、一個帶孔的蓋子、一個旋轉軸等。

其次是參照實物機電設備組合狀態，給相應最小物理單位的三維模型添加相應約束關系，例如：兩面重合、兩個軸同心、孔和軸同心等，裝配組合成最小功能單元的部件。部件是由下級零件裝配而成，既可以由單獨的零件組合而成，也可以由子部件組成。然后按照水電站機電設備實際結構，將各部件最終組合裝配成為完整的一套與實際相同的水電站機電模型，如圖3所示。

圖3 精確三維部件裝配流程

最后是模型管理分析，將結合現實設備為三維裝配體添加自由度、設備質量特征等物理屬性，并同時開展干涉檢查，以確保相關聯的各個三維模型間無重疊現象。

3.2　基于沉浸式虛擬現實系統進行三維精確模型成果應用

模型設備屬性^[3]定義：對載入沉浸式虛擬環境系統的水電廠設備模型進行名稱屬性定義，導入設備模型數據信息（包括：設備/元件名稱、編號、材質、廠家信息等），可實現場景化對設備或設備元件屬性信息的交互呈現。

通過操作人員在沉浸式虛擬環境系統^[4]裝配建模模式下對載入的三維模型場景引導拆裝，可在裝配體中動態、直觀地將零部件進行移動和碰撞檢測。最后，基于“可拆即可裝”的假定，將拆卸順序和路徑予以“反演”，即可得到電廠設備檢修的裝配順序和路徑。

4　檢修輔助決策中的應用

4.1　電站待檢修設備故障情況

某水電站在正常發電中，巡檢人員發現在水輪機室內，其用于控制進入水輪機水流大小的動力設備主接力器后缸蓋漏油。該接力器重量為6.2噸，內部壓力油工作壓力4.0Mpa，長此以往繼續漏油，將可能造成：工作壓力降低，接力動作不靈活，甚至在整個水輪發電機組出現故障時，不能及時停機等后果；長此以往將油液漏至下游河道，將對生態環境造成污染。

此機組故障屬于不能長期帶病運行故障，需安排適當的檢修周期進行徹底處理。

4.2　傳統檢修方案

由于水車室內空間狹小，接力器后缸蓋又處于一個混凝土孔洞內，在重量大、外部接線管路復雜、其裝配體本身對安裝工藝要求很高的情況下，以往類似缺陷處理經驗，相關技術人員都是制定擴大范圍的檢修方案：將整臺套水輪發電機組轉入A修狀態，拆吊出水輪機室上方所有零部件（發電機轉子、上機架、下機架、推力軸承等），然后采用起吊設備將待維修接力器吊出機坑，完成相應檢修后，再對所有拆卸的零部件進行回裝。

因為缺乏相應工程信息做支持，即使耗費大量人力、財力編制出在水車室內的檢修方案，也沒有一個切實可行的驗證手段來驗證檢修方案，盲目采用新方案將可能造成不可控的設備損傷、人員傷亡等。

4.3　輔助決策制定檢修方案

基于本文所介紹的沉浸式虛擬現實系統中已載入該電站三維精確模型，技術人員通過在沉浸式虛擬現實系統內對故障設備進行反復拆裝、維修演練等操作，可以讓使用者體驗到虛擬檢修所帶來的便捷性，也可以即時驗證以往只能停留在想法中的檢修方案。經多方案驗證，最終形成新的檢修方案：

首先拆開接力器外部連接管路，然后將控制環順時針旋轉30度（控制環為接力器前部操作動作傳動設備），第三步是選擇合理吊點及吊具將接力器在水機室內吊出接力器座，第四步是將接力器整理逆時針旋轉獲得最大操作空間，如圖4所示。

圖4 主接力器檢修方案示意

4.4　實際檢修效果

該電站最終采用通過沉浸式虛擬現實系統模擬出的新檢修方案，將檢修工作縮短在4天內就完成原計劃50天的檢修任務，極大縮短了檢修工期，為電站節約了檢修費用，增加了發電收益。實施新方案達到了原預期所有檢修目的。

作者簡介：

孔吉宏（1987-），男，廣東梅州人，高級工程師，學士，現就職于南方電網儲能股份有限公司，研究方向為水電站檢修運行虛擬現實仿真。

黃　昆（1982-），男，四川綿陽人，高級工程師，碩士，現就職于四川省武都引水工程運管中心，研究方向為水電站檢修、運行與控制。

丘恩華（1980-），男，廣西玉林人，高級工程師，碩士，現就職于南方電網儲能股份有限公司，研究方向為水電站檢修運行虛擬現實仿真。

呂毅松（1986-），男，河南三門峽人，高級工程師，本科，現就職于南方電網儲能股份有限公司，研究方向為水電站檢修運行虛擬現實仿真。

王宇軒（1990-），男，湖北仙桃人，工程師，本科，現就職于中冶武勘智誠（武漢）工程技術有限公司，研究方向為水電站檢修運行虛擬現實仿真。

參考文獻：

[1] 陳濤, 郭海峰, 孫廷昌. 基于SolidWorks開發常規水電站虛擬樣機及其應用[J]. 科技風, 2019 : (3).

[2] 丘恩華, 郭海峰, 呂毅松. 基于eDrawings的三維虛擬可移動實驗室研究與實現[J]. 科技與創新, 2019 : (1).

[3] 盛國林. 水電站機組設備及運行[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.

[4] 二代龍震工作室. SolidWorks+Motion+Simulation建模/機構/結構綜合實訓教程 (第二版) [M]. 北京: 清華大學出版社, 2009.

摘自《自動化博覽》2024年5月刊