基于增強現(xiàn)實的汽輪機檢修輔助系統(tǒng)

瞿 進，謝文杰，鄧 春，張 悅

（1.貴州黔西中水發(fā)電有限公司，貴州 黔西 551500；2.華北電力大學(xué)自動化系，河北 保定 071003）

0 引言

汽輪機檢修周期不固定，檢修工作繁雜，汽輪機檢修過程管理及檢修水平及效果評價沒有一個有效的方法，往往利用檢修后的實際運行效果來評價檢修過程水平的高低，經(jīng)常會出現(xiàn)大修后設(shè)備運行效率低于大修前，檢修效果不理想。并且絕大多數(shù)電廠的大型復(fù)雜設(shè)備檢修多是由外委檢修隊伍完成，而外委檢修隊伍的水平參差不齊，沒有辦法約束和評判，種種原因結(jié)合到一起，使得復(fù)雜設(shè)備尤其是汽輪機設(shè)備檢修過程管理不規(guī)范，檢修水平無法評判，現(xiàn)場迫切需要一套結(jié)合汽輪機檢修特點及工藝要求的統(tǒng)一化、科學(xué)化的管理控制模式或者系統(tǒng)。

近些年，國內(nèi)外的虛擬現(xiàn)實 （Virtual Reality，VR）技術(shù)、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)和混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術(shù)快速發(fā)展，各行各業(yè)對VR 技術(shù)、AR 技術(shù)以及先進的MR 技術(shù)有很多成功的應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在教育、醫(yī)療、娛樂、廣告等行業(yè)。能源領(lǐng)域，圍繞幾種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢及適用場景。虛擬現(xiàn)實技術(shù)更多地應(yīng)用于員工培訓(xùn)，文獻［1］利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計和開發(fā)汽輪機虛擬檢修培訓(xùn)考核專家系統(tǒng)，包括三維建模工作、汽輪機虛擬檢修的交互功能以及考核系統(tǒng)等內(nèi)容。文獻［2］針對發(fā)電機本體設(shè)備檢修培訓(xùn)的需求，結(jié)合虛擬檢修培訓(xùn)技術(shù)設(shè)計了基于VR 技術(shù)的發(fā)電機虛擬檢修工藝培訓(xùn)專家系統(tǒng)。該培訓(xùn)系統(tǒng)融合了三維建模、VR環(huán)境下人機交互、數(shù)據(jù)庫、Web 技術(shù)實現(xiàn)了B／S 形式的受訓(xùn)人員培訓(xùn)交互平臺。文獻［3］利用Solid-Works2012 和VRP-SDK 構(gòu)建汽輪機檢修維護虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實與教育培訓(xùn)的結(jié)合。文獻［4］是以水輪發(fā)電機組為研究對象，設(shè)計了智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，也是通過三維模型，實現(xiàn)從實際三維空間向虛擬現(xiàn)實空間的轉(zhuǎn)化，加強了培訓(xùn)效果。文獻［5］主要提出了一種多用戶汽輪機虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)框架，學(xué)習(xí)如何在虛擬環(huán)境中進行汽輪機協(xié)同維修工作。文獻［6］為了提高風(fēng)力發(fā)電機組檢修人員的專業(yè)技能，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)。文獻［7］是用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和VR 可視化，為了電站鍋爐提供一個更有效的培訓(xùn)場景。

相比較虛擬現(xiàn)實在人員培訓(xùn)方面的應(yīng)用，增強現(xiàn)實的成熟應(yīng)用相對較少，文獻［8］介紹了一種基于增強現(xiàn)實技術(shù)的智能變電站運行維護人員運行培訓(xùn)系統(tǒng)，輔以虛擬現(xiàn)實場景，模擬智能變電所的運行、維護和檢修，從而構(gòu)建更逼真的虛擬環(huán)境。增強現(xiàn)實技術(shù)更多應(yīng)用于游戲、汽車、醫(yī)療、軍事等行業(yè)。

本文將真實場景和虛擬物體相互融合，利用增強現(xiàn)實技術(shù)在真實物理場景上疊加虛擬三維實物模型，實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)的可視化，利用增強現(xiàn)實眼鏡結(jié)合手勢識別構(gòu)建便捷的人機交互終端為實際檢修過程提供專家型的“借鑒”和“指導(dǎo)”，對于保障檢修人員水平、改進檢修進程，保障檢修順利按計劃進行，提高檢修水平具有重要的作用。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

AR 技術(shù)是將真實空間信息和虛擬空間信息融合在一起的技術(shù)，本質(zhì)上是將在現(xiàn)實世界中比較難以進行描述和體驗的實體信息通過計算機虛擬仿真技術(shù)，實施三維模擬仿真處理，并將虛擬信息內(nèi)容疊加在現(xiàn)實世界中，實現(xiàn)虛實的無縫融合，通過先進的人機交互終端被人類感官所感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗。真實環(huán)境和虛擬模型融合之后，能夠在同一個畫面以及空間中同時顯示。

1.1 顯示技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)中的顯示技術(shù)屬于整體中的核心技術(shù)，使用透視式技術(shù)可以得到較為真實的虛實相結(jié)合的體驗。根據(jù)具體實現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于光學(xué)原理的穿透式頭盔顯示器和基于視頻合成技術(shù)的穿透式頭盔顯示器。其中光學(xué)透視式頭盔能夠為用戶提供更強烈的視覺沉浸感，利用佩戴在用戶眼前的半透半反光學(xué)合成器，充分和真實環(huán)境融合在一起，并輔以視頻識別，動作捕捉等技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)人與設(shè)備、人與環(huán)境的交互，滿足用戶的相關(guān)操作需要［9］。

圖1 增強現(xiàn)實頭盔

1.2 虛擬物體生成技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)使用過程中，目標是使得虛擬空間的相關(guān)內(nèi)容，在真實空間中得到疊加處理，結(jié)合算法程序?qū)崿F(xiàn)真實物體多維度感觀體驗。利用三維建模通過逆向工程技術(shù)可以獲得真實物體的三維模型，目前的技術(shù)水平能夠充分表現(xiàn)出虛擬物體的真實感。增強現(xiàn)實技術(shù)中生成虛擬物體的過程，信息交互是其中重要的內(nèi)容，利用圖像識別技術(shù)實時監(jiān)控輸入信息內(nèi)容，能夠提升操作效率，給用戶呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實時信息三維可視化，便于信息的解釋。

2 增強現(xiàn)實環(huán)境中的人機交互技術(shù)

與在真實世界不同，增強現(xiàn)實是將虛擬物體或者環(huán)境在真實世界的呈現(xiàn)，而人機交互就是幫助人在虛擬環(huán)境或者虛實融合的環(huán)境下，對虛擬事物更好的呈現(xiàn)。因此想要好的AR 體驗，人機交互就是其中的重中之重。

AR 設(shè)備的交互方式主要分為以下三種［10］。

1）借助于現(xiàn)實世界中的空間點位來實現(xiàn)交互，是一種最為常見的交互方式。例如最近流行的AR賀卡和畢業(yè)相冊就是通過圖片位置來進行交互的。

2）真實空間中的一個或多個物體的特定姿勢或者狀態(tài)，通過識別的方式將姿勢或者狀態(tài)對應(yīng)不同的命令。使用者可以任意改變姿勢或者狀態(tài)來進行交互，比如人的不同手勢。考慮現(xiàn)場施工和現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，這種交互方式將是工業(yè)系統(tǒng)的首選。

3）使用特制工具實現(xiàn)交互。比如谷歌的AR 地球，利用類似于手柄一樣的東西來進行操作，從而滿足互動的要求。

3 汽輪機檢修輔助系統(tǒng)

以汽輪機三維模型為基礎(chǔ)，通過檢修工藝知識表示，結(jié)合檢修標準化文件包構(gòu)建檢修引導(dǎo)信息模型庫，作為檢修輔助后臺數(shù)據(jù)支撐。通過對檢修對象的視頻圖像處理，智能判斷檢修環(huán)節(jié)節(jié)點，推送檢修輔助數(shù)據(jù)信息，同時采集檢修過程中的特征數(shù)據(jù)，利用虛擬檢修綜合評價體系對檢修過程給出中肯的評價。

系統(tǒng)組成如圖2 所示，主要有兩部分組成現(xiàn)場端——可穿戴式電腦和遠程服務(wù)端——三維可視化及運維輔助決策支持系統(tǒng)，其中現(xiàn)場端由運維人員佩戴的可穿戴式電腦組成，遠程服務(wù)端可以假設(shè)在電廠技術(shù)室或者電科院，為技術(shù)專家提供設(shè)備運行狀態(tài)可視化，以及技術(shù)專家可以根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)提供運維輔助決策支持，兩部分之間通過無線連接。系統(tǒng)功能組成如圖3 所示。系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)流程如圖4 所示。

系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)流程如下。

1）檢修工藝要求的知識表示。將繁雜及無序的文字表述轉(zhuǎn)換為計算機語言是實現(xiàn)基于AR 技術(shù)虛擬展示的基礎(chǔ)。將檢修工藝要求通過知識表示方法，轉(zhuǎn)換為計算機語言。

圖2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)功能

圖4 設(shè)計流程

2）檢修引導(dǎo)信息模型庫。構(gòu)建汽輪機檢修信息模型庫，包括介紹用的文字、圖片及視頻輔助信息，例如設(shè)備名稱、檢修步驟信息、檢修工器具信息等；三維的虛擬模型引導(dǎo)信息如汽輪機設(shè)備模型和檢修工器具模型，兩者在增強現(xiàn)實檢修輔助系統(tǒng)中以三維模型的樣式進行渲染疊加。

3）檢修對象視覺處理。通過計算機視覺分析對汽輪機檢修場景進行相關(guān)處理分析，包括檢修目標的識別跟蹤、三維場景重建、計算機位姿跟蹤。

4）虛擬檢修工具注冊融合模塊。從檢修工器具數(shù)據(jù)庫中找到當(dāng)前檢修場景需要的檢修信息和模型，求解出檢修工器具的注冊位姿，將檢修工器具融合到真實環(huán)境中，與真實場景無縫融合起來。

5）人機交互平臺搭建。人機交互平臺包含兩部分內(nèi)容，一是將虛實環(huán)境融合好的增強現(xiàn)實汽輪機檢修場景通過增強現(xiàn)實頭盔展示給檢修人員，另一部分是檢修人員對檢修工器具的操控，主要通過語音、人體動作的方式進行控制。

6）檢修過程綜合評價?；诟倪M層次分析法的汽輪機虛擬檢修量化評價方法，建立一套汽輪機的虛擬檢修評價體系，分析各評價指標的量化方法，應(yīng)用于對實際檢修過程的評價，得到與實際情況較為相符的評價結(jié)果。

4 結(jié)語

基于增強現(xiàn)實的汽輪機檢修輔助系統(tǒng)有利于開創(chuàng)火電廠汽輪機檢修新模式，同時汽輪機檢修工藝過程也會進一步規(guī)范化，標準化，并最終統(tǒng)一成行業(yè)標準，提高全行業(yè)檢修水平。基于增強現(xiàn)實的汽輪機檢修輔助系統(tǒng)，還有利于發(fā)電企業(yè)掌握汽輪機設(shè)備的運行與檢修信息，從而制定更加合理的設(shè)備檢修計劃與運行指導(dǎo)方案，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。