虚拟现实技术在电站汽机辅机设备检维修中开发和应用

张泽雄（华能海门电厂， 广东 汕头）

摘要：通过虚拟现实技术对燃煤电站汽轮机辅机设备的拆装过程、检修工艺、运转原理进行三维展现与仿真，并在将设备三维模型与运行参数、检修维护数据综合有效关联，帮助专业技术人员对设备的检修施工、质量控制、专业技术台帐等进行科学化、标准化、精细化管理； 提高汽机辅机设备事故风险防范能力、降低设备检修成本、加强设备精细化技术管理水平； 系统为设备技术管理、检修方案制定等提供强大的实用工具，培训直观全面、效果优良。

关键词： 汽机辅机设备； 检维修； 虚拟现实技术； 设备技术管理

0 引 言

电站作为资产密集型企业，专业人员优秀的设备技术管理水平是保证电站安全、经济运行的重要因素。汽机辅机设备是电厂系统组成中不可缺少的设备，种类繁多。不同种类设备在系统中所起作用不同，因工作环境、条件及工作原理差别大，结构特点不同，检修工艺方法差异大，难以制定统一的检维修规范标准，增加了辅机设备检维修工作量及难度。

1 电站汽机辅机设备检维修工作现状简介

由于电站百万机组汽机辅机设备图纸资料不够齐全，检修质量控制与检修工艺、技术规范标准等做得不够细致，仍然存在许多问题，严重影响辅机设备检维修效果，导致辅机设备运行效率、安全、可靠性不高。鉴于以上问题，采用虚拟现实技术提高和改进汽机辅机设备检维修工作，适应了大容量机组汽机技术的发展趋势和要求，提高了专业人员技术水平、机组运行安全性和经济性。

2 虚拟现实技术的开发目标和策略

能源行业三维数字化虚拟仿真技术应用是近几年来随着信息技术的飞速发展，能源需求的急剧增加和经济信息全球化的逐步加深而出现的一项新技术。它在能源行业的信息交流、生产经营和管理决策中发挥着越来越重要的作用。随着社会全面发展，安全生产问题已经成为社会各界的关注焦点，不惜高投入、低效率的方式已经走不通了，而利用三维数字化虚拟仿真技术构建能源安全作业的数字化工厂应用，提供多人在线交互式训练功能、推行封闭式演示、 指南式向导操作和开放式自 由操作的管理模式，能有效地解决能源企业面临的问题。

采用虚拟现实技术，在三维立体环境中实现汽机辅机设备的拆解、装配、查看，并以三维动态虚拟的方式表现了各类辅机设备的运行原理、检修仿真。同时，三维模型能与实时数据以及关系数据库进行关联开发，减少管理层与汽机专业人员信息传递损失，提高工作效率；巩固设备理论知识、提升设备检维修业务能力、提升电厂汽机辅机设备的事故分析及风险防范能力；有效掌握汽机辅机设备的结构特性与运行规律，提高设备检维修效率、降低检维修成本、增强机组设备可靠性等，为现代化的设备采用精细化的管理提供了三维可视化技术支撑， 进一步提高了汽机辅机设备的管理水平和技术水平。

3 锅炉三维数字化的技术路线和研发内容

3.1 技术路线

1）系统软件执行核心三维数字化引擎读取系统配置文件，根据配置文件判断显示模式，根据显卡的硬件（显卡的显存数量和GPU核心运算速度）自动调节相关模型显示参数。根据以上信息建立与显卡的硬件连接，做好三维可视信息的输出准备。根据模型编辑器设计好的模型信息、灯光信息、材质信息、摄像机信息以及脚本信息提交到模型引擎，由引擎启动主线程开始渲染模型， 并循环处理用户的交互数据（ 鼠标、键盘、交互式手套、交互式头盔等）。引擎中的脚本子系统负责处理系统与第三方系统的数据交互，如标准的数据库系统（SQL,Server,Oracle,DB2等）、以及工业数据传输协议（UDP,TCP,OPC,SCADA,COM等），通过脚本子系统的数据交互层进行数据的输入、翻译解释、数据处理、数据结果输出等操作。引擎默认是无限循环执行，直到用户提交停止或结束信号时，才停止引擎的渲染工作并释放与显卡、内存等硬件设备连接。

2）模型压缩传输

核心三维数字化引擎将设计好的模型以优化的ZIP压缩格式进行网络传输。压缩时，一种是数据块的重复，即3个字节以上的重复，对于这种重复，ZIP用两个数字：①重复位置距当前压缩位置的距离；②重复的长度，来表示这个重复，假设这两个数字各占一个字节，于是数据便得到了压缩。一个字节有0,~,255共,256,种可能的取值，3个字节有,256×256×256,共16×106 多种可能的情况。两种重复为单字节的重复， 一个字节只有256种可能的取值，所以这种重复是必然的。其中，某些字节出现次数可能较多，另一些则较少，在统计上有分布不均匀的倾向，这是容易理解的，比如一个,ASCII,文本文件中，某些符号可能很少用到，而字母和数字则使用较多， 各字母的使用频率也是不一样的， 据说字母,e,的使用概率最高； 许多图片呈现深色调或浅色调，深色（或浅色）的像素使用较多。上面提到的短语式压缩的结果也有这种倾向：重复倾向于出现在离当前压缩位置较近的地方，重复长度倾向于比较短（20字节以内）。这样，就有了压缩的可能 给256,种字节取值重新编码，使出现较多的字节使用较短的编码，出现较少的字节使用较长的编码。这样一来，变短的字节相对于变长的字节更多，文件的总长度就会减少，并且字节使用比例越不均匀，压缩比例就越大。

3）GUI交互

核心三维数字化引擎在运行时，会持续地检测如鼠标、键盘、头盔、交互式手套等各种输入设备的数据，并将这些设备的数据转换成脚本系统认识的事件系统，由脚本子系统处理该事件将其转换成动作，如点击模型动作、单击按钮动作、旋转场景动作等。为了提高系统对于人机交互的开发速度，让用户从底层开始是不合理的。因此，系统对于引擎脚本子系统提供的二次开发API进行的大量接口封装，可以做的只要派生相应的GUI Object子类，即可完成交互的标准内容，用户只要关注GUI中的业务部分即可。

3.2 三维模型建模

以汽机辅机设备构造的真实尺寸1：1为建模基准，以设备结构图纸零部件为基础建模图元， 构建电厂汽机辅机设备三维立体可视化模型，包括4×1036机组的凝汽器、加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、循环水泵、真空泵、油泵等。

3.3 虚拟现实功能实现

1）实现三维数字化汽机辅机设备模型以WEB浏览器方式进行全方位操作

三维立体数字化汽机辅机设备模型基于WEB浏览器方式实现全方位交互操作，包括放大、 缩小、旋转、漫游、定位、隐藏、选择、全图、拆装、部件单独显示等，操作方式简单方便。

2）实现三维数字化汽机辅机设备模型与设备基础数据库的集成开发

建立汽机辅机设备技术管理的三维数字化平台，并与设备的基础数据库进行集成开发，从而可以了解设备的立体结构、规格型号、备品备件、检修工艺、检修过程等一系列数据，构建了汽机辅机设备三维可视化技术台账。

3）实现汽机辅机设备检修工序三维仿真对汽机辅机设备的检修步骤进行三维仿真， 动态直观展现设备检修工序， 并对关键工序点予以提醒。

4）实现汽机辅机设备运行原理三维仿真动态直观展现设备的运行原理，为分析设备运行过程中影响设备效率的关键部位与原因提供可视化分析手段。

5）实现三维实时数据监测

与实时数据集成，在三维环境中动态监测、展现汽机辅机设备的运行参数。

4 应用情况

虚拟现实技术应用在华能海门电厂已逐步开始上线运行，在完成三维模型建模、系统功能开发、安装调试、基础数据录入及上线优化后，该系统运行稳定。在实际工作中，通过三维可视化平台实现了设计数据、运行数据、历史故障信息、维护检修信息的有效集成与三维展现，为事故分析、检修方案制定、工作报告编制等提供直观、高效的可视化工具。同时，专业人员通过该系统能够快速熟知和掌握系统流程、结构布置、部件图纸、故障信息，培训方式直观全面、效果优良，为汽机辅机设备检修工作作出了较大贡献。

5 结论

虚拟现实技术在燃煤电站汽机辅机设备检维修工作中的应用，为电厂建立一个可视化的信息管理平台和工具，能够革新和改进设备精细化的管理，降低检修成本，提高了检修效率及设备运行的可靠性。

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