機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在灘坑水電站中的應(yīng)用

唐愛玉

（浙江省水利水電投資集團有限公司，浙江杭州，310020）

機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在灘坑水電站中的應(yīng)用

唐愛玉

（浙江省水利水電投資集團有限公司，浙江杭州，310020）

機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)與大型水電站機電設(shè)備檢修有機結(jié)合,適應(yīng)水電站水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)等檢修培訓(xùn)需求。采用三維可視化技術(shù)對機電設(shè)備進行建模仿真，全方位闡述設(shè)備零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點，以及檢修所需的拆卸、裝配、調(diào)試等。利用該系統(tǒng)可突破傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限，開展檢修專業(yè)知識的系統(tǒng)培訓(xùn)，提高技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)，為水電站的安全穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎(chǔ)。

多媒體；仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；機電設(shè)備；應(yīng)用

0 引言

灘坑水電站是甌江流域水電梯級開發(fā)規(guī)劃中的一座重要骨干電站，電站主要擔(dān)負浙江省電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。電站裝有3臺200 MW的水輪發(fā)電機組及1臺4 000 kW的生態(tài)供水機組。

由于電站大部分技術(shù)人員均首次從事大型水力發(fā)電機組的檢修維護工作，參與檢修實踐的機會較少，傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式已無法滿足電站維護及檢修工作的需要。針對人才培訓(xùn)的迫切需求，電站創(chuàng)新培訓(xùn)體制，采用多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，將機電設(shè)備各系統(tǒng)的設(shè)備拆裝、檢修等操作、工藝，利用動畫、視頻、圖片、語音、文字等多媒體形式進行逼真的演示，為電站機組檢修及管理人員提供交互式培訓(xùn)平臺，從而克服傳統(tǒng)培訓(xùn)受設(shè)備檢修時空影響的局限，大大縮短技術(shù)培訓(xùn)時間，提高職工的技術(shù)素質(zhì)和技能水平。

1 培訓(xùn)系統(tǒng)概況

灘坑水電站所使用的機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是集動畫、視頻、圖片、語音、文字等多媒體形式、素材于一體的數(shù)字化集成系統(tǒng)。結(jié)合電站機電設(shè)備檢修規(guī)程，以水電站機電設(shè)備檢修項目、檢修工藝、檢修質(zhì)量標準等為基礎(chǔ)，檢修三維可視化仿真培訓(xùn)為目的，將檢修通用常識、主要設(shè)備、輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、特征參數(shù)、檢修工藝及質(zhì)量要求等內(nèi)容利用三維動畫、圖片、視頻等形式進行表現(xiàn)，同時為各動畫片段添加交互式播放功能，使學(xué)員能夠深刻理解檢修規(guī)程，正確處理檢修操作。

2 培訓(xùn)系統(tǒng)主要特點

灘坑水電站機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有以下有別于傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)的特點：

（1）三維可視化仿真培訓(xùn)方式能夠同時調(diào)動學(xué)員的視覺、聽覺等多種感知器官參與感知活動。系統(tǒng)中逼真的設(shè)備拆裝、檢修等操作演示，有助于學(xué)員對系統(tǒng)知識和專業(yè)知識的理解和接受。

（2）利用動畫、視頻、圖片、語音、文字等多媒體形式，將專業(yè)知識與水電設(shè)備相結(jié)合，為電站機組檢修及管理人員提供交互式培訓(xùn)平臺，克服了傳統(tǒng)培訓(xùn)受設(shè)備檢修時空影響的局限，是現(xiàn)代水電設(shè)備檢修培訓(xùn)體系的創(chuàng)新。

（3）在多媒體計算機交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中，培訓(xùn)對象可以按自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、興趣，自主選擇要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而滿足檢修運行及管理人員全方位、多層次培訓(xùn)要求，提高學(xué)習(xí)的靈活性。

（4）培訓(xùn)系統(tǒng)具有單機版和網(wǎng)絡(luò)版兩個版本，能在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺計算機上實現(xiàn)自主播放觀看。網(wǎng)頁基本免維護，操作方式符合傳統(tǒng)網(wǎng)頁的使用要求，充分實現(xiàn)培訓(xùn)信息的共享與仿真系統(tǒng)的異地使用。

3 培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

灘坑水電站機電設(shè)備檢修培訓(xùn)內(nèi)容主要包括主要設(shè)備、輔助設(shè)備和通用常識三大部分，具體內(nèi)容見圖1。

圖1 機電設(shè)備檢修三維可視化仿真內(nèi)容Fig.1 Contents of 3D visual simulation for overhaul of mechanical and electrical equipment

3.1 檢修三維可視化仿真

為保障檢修三維可視化仿真有序?qū)嵤?，按照先檢修通用常識、再主設(shè)備（機械和電氣兩大部分）、最后輔助設(shè)備的順序進行動畫設(shè)計制作。其重點要解決檢修通用常識、各主輔設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動畫建模、檢修質(zhì)量與動畫相結(jié)合的表現(xiàn)方法。其中機組檢修后的整體調(diào)試是檢修三維可視化仿真的難點。

每個機電設(shè)備制作的三維可視化檢修仿真動畫，涵蓋其結(jié)構(gòu)特點、工作原理、檢修要求（檢修項目、檢修質(zhì)量標準）等具體內(nèi)容，這是三維可視化檢修仿真的基礎(chǔ)內(nèi)容。將各部分內(nèi)容細化為單個檢修項目、檢修工藝及檢修調(diào)試的動畫片段，所有子動畫均按照相應(yīng)的制作流程進行創(chuàng)建。在豐富動畫內(nèi)容、提高動畫品質(zhì)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)所有動畫片段的批量編輯與管理，提高設(shè)計效率。

3.2 檢修動畫方案

水電站機電設(shè)備檢修可分為單個零部件檢修、局部設(shè)備檢修以及檢修后機組整體調(diào)試等。檢修動畫方案將相關(guān)設(shè)備進行拆分，以檢修規(guī)程所列單個零部件為最小動畫單元。局部設(shè)備檢修則將相關(guān)聯(lián)的一定數(shù)量零部件進行組合，形成相應(yīng)的動畫單元。機組整體調(diào)試則是將各設(shè)備按照裝配流程予以整合，并進行最后調(diào)試，涵蓋水輪機與發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分聯(lián)接調(diào)試、機組軸線調(diào)整、受力調(diào)整以及沖水、沖壓和充氣、空載試驗、帶負荷試驗以及甩負荷試驗等一系列內(nèi)容的動畫。檢修通用常識的動畫則相對獨立。

3.3 總體技術(shù)方案

首先根據(jù)機電設(shè)備檢修規(guī)程，制定機組單個零部件、局部裝配以及整體調(diào)試等檢修動畫方案，劃分鏡頭腳本。依據(jù)機電設(shè)備工程圖紙進行三維建模，添加材質(zhì)、貼圖、燈光等效果。在攝影機視圖內(nèi)制作檢修動畫，測試修改后渲染輸出。通過影視后期加工軟件對初步成型的三維仿真動畫進行調(diào)校色、剪輯以及添加字幕與音效等處理，最終通過網(wǎng)頁設(shè)計軟件完成培訓(xùn)素材整合、交互功能設(shè)定、系統(tǒng)動態(tài)編輯以及成品發(fā)布等工作。

3.4 通用常識仿真方案

通用常識仿真包括大小修安全技術(shù)措施、工器具以及檢修工藝等內(nèi)容的三維可視化仿真內(nèi)容，采用動畫、圖片和文字等素材整合而成。

3.4.1 大小修安全技術(shù)措施

機組大修是在規(guī)定期限內(nèi)對設(shè)備進行定期檢修與日常維護，主要有一般性大修和擴大性大修兩種形式。小修則是對設(shè)備及其零部件進行簡單、保養(yǎng)性的修理。為保障工作人員與設(shè)備安全，進行檢修工作時需要采取一定的安全技術(shù)措施，例如停機、斷電、掛接地線，油、風(fēng)、水系統(tǒng)泄壓以及做好防轉(zhuǎn)動措施等，其中導(dǎo)水機構(gòu)接力器的鎖定投入是防轉(zhuǎn)動措施的重要內(nèi)容。

針對電站設(shè)備大小修工作安全技術(shù)措施的三維可視化仿真，設(shè)計的培訓(xùn)方案以電站機組引水系統(tǒng)、主廠房、機組縱剖面、尾水流道等為主，重點演示機組防轉(zhuǎn)動措施——導(dǎo)水機構(gòu)接力器鎖定裝置投入狀態(tài)等注意事項，輔以二維動畫演示進水口工作閘門、尾水閘門下落、引水流道和尾水流道排水等過程。

3.4.2 專用工器具

對于機組檢修所需專用工器具，如轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子、主軸及定子起吊等專用工具、檢修平臺、拔剪斷銷工具、拔導(dǎo)葉銷工具、拆導(dǎo)葉臂工具等，結(jié)合具體設(shè)備檢修時用三維動畫演示其使用方法及注意事項。

3.4.3 檢修工藝

電站機電設(shè)備檢修所需基礎(chǔ)工藝，主要有外徑測量、內(nèi)徑測量、耐壓試驗、水平測量、百分表使用、方形水平儀使用、軸瓦修刮、絕緣墊修刮、間隙測量等內(nèi)容。通過三維建模與動畫演示，重點表達檢修工具的操作方法及其它事項說明。

3.5 主要設(shè)備及輔助設(shè)備檢修方案

3.5.1 單個設(shè)備部件檢修仿真

對于功能獨立的單個設(shè)備，從其工作原理、結(jié)構(gòu)特點、拆卸及安裝順序、檢修要點等內(nèi)容利用三維動畫進行描述。其中拆卸和裝配流程側(cè)重于注意事項的表現(xiàn)，修理則側(cè)重于檢修具體的工藝要求、質(zhì)量標準等內(nèi)容，形成用于檢修三維可視化仿真培訓(xùn)的單個零部件小動畫。

3.5.2 設(shè)備局部裝配檢修仿真

設(shè)備局部裝配仿真主要演示設(shè)備各部件的安裝和拆卸順序，側(cè)重于局部裝配流程的表現(xiàn)。通過鏡頭調(diào)度，按照裝配或拆卸順序分別聚焦不同零部件的安裝或拆卸動作，配合字幕講解設(shè)備安裝或拆卸流程。

3.5.3 機組整體調(diào)試仿真

機組整體調(diào)試仿真包括機組軸線調(diào)整、機組中心高程、水導(dǎo)軸承定位、上導(dǎo)軸承定位、下導(dǎo)軸承定位、導(dǎo)葉開度與接力器行程關(guān)系測量、水導(dǎo)軸承沖油、上導(dǎo)軸承沖油、推力軸承沖油、制動器頂轉(zhuǎn)子試驗、引水系統(tǒng)沖水檢查、尾水管沖水檢查、油水風(fēng)系統(tǒng)壓力檢查等內(nèi)容。機組裝配調(diào)試是將上述各單項設(shè)備的檢修動畫，按照檢修要求有機組合，側(cè)重于反映檢修整體狀態(tài)與局部調(diào)整點之間的動畫表現(xiàn)。

4 培訓(xùn)系統(tǒng)的使用

灘坑水電站機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用更適合教學(xué)培訓(xùn)的T型布局作為水電站培訓(xùn)頁面的外觀形式。系統(tǒng)主界面由三大部分構(gòu)成：頂端標有灘坑水電站的Logo和系統(tǒng)名稱；界面正文部分插入電站建成后的經(jīng)典圖片和工程簡介文字；頁面左右兩邊設(shè)計了具有不同外觀風(fēng)格的檢修仿真模塊的菜單顯示。

4.1 用戶使用

主頁面頂部框架左側(cè)為頁面導(dǎo)航，子網(wǎng)頁左側(cè)是主菜單，右側(cè)為各標題的詳細內(nèi)容。制作完成的導(dǎo)水機構(gòu)培訓(xùn)界面示例如圖2，頁面中間左側(cè)部分為培訓(xùn)項目的文本內(nèi)容，右側(cè)為先前制作后嵌入系統(tǒng)中的仿真動畫。學(xué)員可預(yù)先瀏覽文本介紹，對學(xué)習(xí)內(nèi)容有簡要了解后再觀看動畫，從而最大程度激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，加深對理論知識的理解，提高其學(xué)習(xí)效率。

4.2 編輯管理

為方便具有系統(tǒng)管理權(quán)限的后臺操作人員進行編輯管理，系統(tǒng)設(shè)計培訓(xùn)信息動態(tài)編輯功能，可根據(jù)用戶需求對培訓(xùn)內(nèi)容、界面布局、講解方式等進行修改操作。

基于Mysql數(shù)據(jù)庫的建模，在培訓(xùn)系統(tǒng)的后臺建立培訓(xùn)信息數(shù)據(jù)庫，以存儲自主編輯的培訓(xùn)數(shù)據(jù)。利用JavaScript編程工具在IDE集成開發(fā)環(huán)境下編寫動態(tài)編輯命令，最終實現(xiàn)“用戶管理”和“設(shè)備管理”兩大功能模塊。

圖2 導(dǎo)水機構(gòu)檢修培訓(xùn)界面Fig.2 Interface of training system for turbine distributor

“用戶管理”用于設(shè)定新用戶ID、用戶類型及說明，也可以對已有用戶的賬號信息進行修改。只有經(jīng)過管理員許可并給予ID號和密碼的用戶才能使用此培訓(xùn)系統(tǒng)，從而保障了本系統(tǒng)的享有權(quán)，避免他人私用資源、盜版出售等情況發(fā)生。

“設(shè)備管理”包括“設(shè)備列表”、“設(shè)備編輯”、“首頁編輯”以及“導(dǎo)航編輯”四項內(nèi)容。系統(tǒng)管理員通過在各項模塊中設(shè)定鏈接，并根據(jù)用戶要求編輯培訓(xùn)項目的界面布置、修改培訓(xùn)內(nèi)容及顯示方式，增設(shè)或刪除培訓(xùn)項目（包含子級）菜單以及設(shè)備模塊信息的快捷調(diào)度等操作，從而全方位、自主化實現(xiàn)培訓(xùn)系統(tǒng)的動態(tài)編輯。

針對電站機電設(shè)備及其零部件培訓(xùn)要求，仿真系統(tǒng)提供了為每一個設(shè)備培訓(xùn)項目進行自主編輯的后臺功能。其操作包括欄目排序、圖片插入與動畫鏈接、文本編輯、新增與刪除項目等，系統(tǒng)管理人員能夠按照用戶意愿，方便快捷地對此系統(tǒng)進行后期維護與更新。

5 結(jié)語

灘坑水電站機電設(shè)備多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有良好的資料歸檔能力和交互易用性、生動的三維動畫展示、可擴展的管理端程序，不僅為水電站的檢修維護人員提供了一種突破時空局限的培訓(xùn)方式，也創(chuàng)新了水電站機電設(shè)備的檢修培訓(xùn)管理工作，為水電站的信息化建設(shè)帶來了積極的影響。

[1]陳瑞興.軸流轉(zhuǎn)槳式機組三維檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)研究[J].水利科技與經(jīng)濟,2013,19(1):121-123.

[2]王桃,劉小兵,賴喜德,等.寶珠寺水電廠水輪發(fā)電機組檢修多媒體仿真系統(tǒng)的研制[J].大電機技術(shù),2005(4):45-47.

Application of multimedia simulation training system for mechanical and electrical equipment in Tankeng hydropower station

TANG Ai-yu

Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Invest?

ment Corporation Group Co.,Ltd.

The multimedia simulation training system for mechanical and electrical equipment com?bines the computer simulation technology with the overhaul of mechanical and electrical equipment in large hydropower station,to meet the overhaul training needs of turbine generator set,auxiliary equip?ments and metal structures.Three-dimensional visualization technology is used for modeling and simu?lation of mechanical and electrical equipment.Based on this,the system expounds the working princi?ple,structural features of each component,as well as the disassembly,assembly and commissioning dur?ing overhaul.This system can be used to overcome the limitations of traditional training model,and to carry out systematic training on maintenance for technical staffs,which would promote safe and stable operation of hydropower station.

multimedia;simulation training system;mechanical and electrical equipment;application

TV698

：B

：1671-1092（2017）04-0010-05

2017-05-27

唐愛玉（1965-），女，浙江麗水人，工程師，長期從事水電廠生產(chǎn)安全管理工作。

作者郵箱：605690487@qq.com