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★南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司孔吉宏

★四川省武都引水工程運(yùn)管中心黃昆

★南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司丘恩華，呂毅松

★中冶武勘智誠(chéng)（武漢）工程技術(shù)有限公司王宇軒

關(guān)鍵詞：水電站檢修；輔助決策；沉浸式；虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

因?yàn)樗娬镜奶厥庑裕娬镜慕ㄔO(shè)受到環(huán)境的限制較大，不能像火電、核電等可以按照現(xiàn)代化工業(yè)流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，導(dǎo)致各個(gè)電站的設(shè)備、設(shè)施差別較大。同時(shí)因?yàn)樗娬镜奶厥庑裕O(shè)備不能隨意拆卸了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，二維圖紙苦澀難懂需要較高識(shí)圖基礎(chǔ)。過去在水電站內(nèi)必須依靠相當(dāng)熟悉現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的工作人員參與才能制定一套相對(duì)可執(zhí)行的檢修方案，然后隨著檢修次數(shù)增加來不斷對(duì)原檢修方案進(jìn)行修正，一旦重要零部件需要臨時(shí)性檢修時(shí)，則需要較大精力去制定一套與之對(duì)應(yīng)的檢修方案，為確保檢修質(zhì)量，往往會(huì)延長(zhǎng)檢修周期，擴(kuò)大檢修范圍。本文提出基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)搭建一個(gè)與真實(shí)水電站設(shè)備、設(shè)施完全一致的虛擬環(huán)境，不限時(shí)間、不限空間地進(jìn)行檢修預(yù)演，快速地為真實(shí)水輪發(fā)電機(jī)組檢修提供輔助決策依據(jù)，以達(dá)到縮短檢修周期、提高檢修質(zhì)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(fù)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的性能而進(jìn)行的檢查和修理。它一般包括水輪發(fā)電機(jī)組擴(kuò)大性大修、大修、小修、搶修和小型技術(shù)改造。

1.1　水電站檢修等級(jí)

現(xiàn)行水電站檢修等級(jí)規(guī)定是以檢修規(guī)模和停機(jī)時(shí)間為指標(biāo)，共分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。A修：對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全面的拆卸、維修；B修：針對(duì)機(jī)組某個(gè)部件存在的問題，進(jìn)行機(jī)組部分解體檢查、維修；C修：根據(jù)設(shè)備實(shí)際磨損及規(guī)律，重點(diǎn)地檢查、修理、清掃；D修：對(duì)機(jī)組及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行缺陷處理。

1.2　檢修等級(jí)組合方式

常規(guī)水電站水輪發(fā)電機(jī)組根據(jù)實(shí)際運(yùn)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(jí)檢修之間，安排1次機(jī)組B級(jí)檢修，除有A、B級(jí)檢修年外，每年安排1次C級(jí)檢修，并可視情況，每年增加1次D級(jí)檢修。

2　沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)介紹

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

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)其明顯的特點(diǎn)是：利用頭盔顯示器或完全沉浸多通道單面顯示系統(tǒng)把使用人員的視覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬視覺，完全對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行再現(xiàn)。

2.1　沉浸式虛擬環(huán)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(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)由四部分組成：LED顯示系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、虛擬外設(shè)裝置。其中LED顯示系統(tǒng)是由頂幕、正幕、地幕、左幕、右幕共計(jì)5個(gè)平面組成的立體環(huán)境，給使用者呈現(xiàn)一個(gè)可同時(shí)觀看的由5個(gè)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(nèi)。

圖1 多通道單面沉浸式系統(tǒng)

2.2　沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)功能

沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)核心功能實(shí)現(xiàn)的軟件及與支持功能實(shí)現(xiàn)的硬件外設(shè)共同組成的。軟件采用模塊化架構(gòu)，支持多線程技術(shù)，不僅可以驅(qū)動(dòng)高性能圖形卡的多種渲染器，還可以通過自身模型實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入、動(dòng)態(tài)干涉檢查、實(shí)時(shí)分析、動(dòng)畫及渲染等復(fù)雜功能。

3　沉浸式虛擬環(huán)境搭建流程

3.1　采用1:1比例構(gòu)建三維模型

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

圖2 設(shè)備精確三維建模流程圖

首先是辨識(shí)最小物理單位設(shè)備在三維精細(xì)化模型上所表達(dá)出的特征量，例如：一顆螺栓、一個(gè)帶孔的蓋子、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸等。

其次是參照實(shí)物機(jī)電設(shè)備組合狀態(tài)，給相應(yīng)最小物理單位的三維模型添加相應(yīng)約束關(guān)系，例如：兩面重合、兩個(gè)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(jí)零件裝配而成，既可以由單獨(dú)的零件組合而成，也可以由子部件組成。然后按照水電站機(jī)電設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu)，將各部件最終組合裝配成為完整的一套與實(shí)際相同的水電站機(jī)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(jié)合現(xiàn)實(shí)設(shè)備為三維裝配體添加自由度、設(shè)備質(zhì)量特征等物理屬性，并同時(shí)開展干涉檢查，以確保相關(guān)聯(lián)的各個(gè)三維模型間無重疊現(xiàn)象。

3.2　基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行三維精確模型成果應(yīng)用

模型設(shè)備屬性^[3]定義：對(duì)載入沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)的水電廠設(shè)備模型進(jìn)行名稱屬性定義，導(dǎo)入設(shè)備模型數(shù)據(jù)信息（包括：設(shè)備/元件名稱、編號(hào)、材質(zhì)、廠家信息等），可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化對(duì)設(shè)備或設(shè)備元件屬性信息的交互呈現(xiàn)。

通過操作人員在沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)^[4]裝配建模模式下對(duì)載入的三維模型場(chǎng)景引導(dǎo)拆裝，可在裝配體中動(dòng)態(tài)、直觀地將零部件進(jìn)行移動(dòng)和碰撞檢測(cè)。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(shè)備檢修的裝配順序和路徑。

4　檢修輔助決策中的應(yīng)用

4.1　電站待檢修設(shè)備故障情況

某水電站在正常發(fā)電中，巡檢人員發(fā)現(xiàn)在水輪機(jī)室內(nèi)，其用于控制進(jìn)入水輪機(jī)水流大小的動(dòng)力設(shè)備主接力器后缸蓋漏油。該接力器重量為6.2噸，內(nèi)部壓力油工作壓力4.0Mpa，長(zhǎng)此以往繼續(xù)漏油，將可能造成：工作壓力降低，接力動(dòng)作不靈活，甚至在整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，不能及時(shí)停機(jī)等后果；長(zhǎng)此以往將油液漏至下游河道，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。

此機(jī)組故障屬于不能長(zhǎng)期帶病運(yùn)行故障，需安排適當(dāng)?shù)臋z修周期進(jìn)行徹底處理。

4.2　傳統(tǒng)檢修方案

由于水車室內(nèi)空間狹小，接力器后缸蓋又處于一個(gè)混凝土孔洞內(nèi)，在重量大、外部接線管路復(fù)雜、其裝配體本身對(duì)安裝工藝要求很高的情況下，以往類似缺陷處理經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)人員都是制定擴(kuò)大范圍的檢修方案：將整臺(tái)套水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)入A修狀態(tài)，拆吊出水輪機(jī)室上方所有零部件（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承等），然后采用起吊設(shè)備將待維修接力器吊出機(jī)坑，完成相應(yīng)檢修后，再對(duì)所有拆卸的零部件進(jìn)行回裝。

因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)工程信息做支持，即使耗費(fèi)大量人力、財(cái)力編制出在水車室內(nèi)的檢修方案，也沒有一個(gè)切實(shí)可行的驗(yàn)證手段來驗(yàn)證檢修方案，盲目采用新方案將可能造成不可控的設(shè)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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中已載入該電站三維精確模型，技術(shù)人員通過在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行反復(fù)拆裝、維修演練等操作，可以讓使用者體驗(yàn)到虛擬檢修所帶來的便捷性，也可以即時(shí)驗(yàn)證以往只能停留在想法中的檢修方案。經(jīng)多方案驗(yàn)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(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30度（控制環(huán)為接力器前部操作動(dòng)作傳動(dòng)設(shè)備），第三步是選擇合理吊點(diǎn)及吊具將接力器在水機(jī)室內(nèi)吊出接力器座，第四步是將接力器整理逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(shí)際檢修效果

該電站最終采用通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模擬出的新檢修方案，將檢修工作縮短在4天內(nèi)就完成原計(jì)劃50天的檢修任務(wù)，極大縮短了檢修工期，為電站節(jié)約了檢修費(fèi)用，增加了發(fā)電收益。實(shí)施新方案達(dá)到了原預(yù)期所有檢修目的。

作者簡(jiǎn)介：

孔吉宏（1987-），男，廣東梅州人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司，研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

黃　昆（1982-），男，四川綿陽人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于四川省武都引水工程運(yùn)管中心，研究方向?yàn)樗娬緳z修、運(yùn)行與控制。

丘恩華（1980-），男，廣西玉林人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司，研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

呂毅松（1986-），男，河南三門峽人，高級(jí)工程師，本科，現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司，研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

王宇軒（1990-），男，湖北仙桃人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中冶武勘智誠(chéng)（武漢）工程技術(shù)有限公司，研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳濤, 郭海峰, 孫廷昌. 基于SolidWorks開發(fā)常規(guī)水電站虛擬樣機(jī)及其應(yīng)用[J]. 科技風(fēng), 2019 : (3).

[2] 丘恩華, 郭海峰, 呂毅松. 基于eDrawings的三維虛擬可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技與創(chuàng)新, 2019 : (1).

[3] 盛國(guó)林. 水電站機(jī)組設(shè)備及運(yùn)行[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[4] 二代龍震工作室. SolidWorks+Motion+Simulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程 (第二版) [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊