多平臺(tái)三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)分公司 宮偉基 杜寧寧 北京必可測(cè)科技股份有限公司 張 燈 邵 帥

設(shè)備檢修作業(yè)的好壞直接關(guān)系著電廠安全和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，目前火電廠的設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)檢修培訓(xùn)一般通過(guò)文檔、圖片、視頻為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常有三維沉浸感比較差、操作界面不夠人性化、培訓(xùn)功能不夠完整等問(wèn)題，由于受訓(xùn)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的時(shí)間不多，這些問(wèn)題會(huì)造成設(shè)備檢修培訓(xùn)工作的效率和質(zhì)量難以提高。為了提高檢修培訓(xùn)的質(zhì)量和效率，本項(xiàng)目選取火電站機(jī)組汽機(jī)、鍋爐、電氣專業(yè)的主要設(shè)備進(jìn)行零部件級(jí)別精度的三維建模，基于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)、檢修作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、運(yùn)行規(guī)程等文件，建立包含設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、檢修過(guò)程和典型故障內(nèi)容的多平臺(tái)三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)。

1 技術(shù)路線

隨著技術(shù)的發(fā)展，使用三維激光掃描儀通過(guò)逆向工程建立出尺寸和外觀都與現(xiàn)實(shí)無(wú)異的虛擬三維模型，再使用三維引擎的實(shí)時(shí)渲染和物理模擬技術(shù)讓模型動(dòng)態(tài)化、可交互，輔以穿戴設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)，從而能夠取得比傳統(tǒng)的二維界面下更好的效果。利用激光測(cè)距的原理，三維激光掃描技術(shù)通過(guò)記錄被測(cè)物體表面海量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、紋理、反射率等信息，能快速?gòu)?fù)建出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體等數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，能有效提升三維建模工作的準(zhǔn)確度和速度。

由于要完整采集設(shè)備各角度的數(shù)據(jù)，需要從不同方位掃描多個(gè)站點(diǎn)才能把目標(biāo)物掃描完整。每一測(cè)站掃描數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，在掃描區(qū)域中設(shè)置控制點(diǎn)或標(biāo)靶點(diǎn)，使得相鄰區(qū)域的掃描點(diǎn)云圖上有三個(gè)以上的同名控制點(diǎn)或控制標(biāo)靶，通過(guò)控制點(diǎn)的強(qiáng)制附合，將相鄰的掃描數(shù)據(jù)擬合到同一個(gè)坐標(biāo)系下。將擬合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，剔除無(wú)關(guān)掃描物的信息，得到可供建模的數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目選取Unity3D 引擎，并針對(duì)設(shè)備檢修項(xiàng)目的需求進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。三維引擎是開(kāi)發(fā)交互式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件，能為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)者提供各種三維交互系統(tǒng)所需的各種工具，其目的在于讓設(shè)計(jì)者能容易和快速地做出三維交互系統(tǒng)。三維引擎一般包含以下系統(tǒng)：渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、音效、腳本引擎、動(dòng)畫(huà)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場(chǎng)景管理等。

本系統(tǒng)的構(gòu)建采用了三層架構(gòu)，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層（用于三維模型生成和原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化）、三維場(chǎng)景層（構(gòu)建靜態(tài)和可編輯的三維場(chǎng)景）和三維應(yīng)用層（在各平臺(tái)實(shí)現(xiàn)最終的三維應(yīng)用）。

2 開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 三層架構(gòu)

在機(jī)組大修期間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行掃描和拍照，由于設(shè)備處于解體狀態(tài)，可采集到設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸，為高精度還原三維模型提供可靠的依據(jù)。收集設(shè)備的圖紙和文檔，作為建模的輔助材料：圖紙。設(shè)備的組裝圖、說(shuō)明書(shū)；文檔。需要在三維平臺(tái)中體現(xiàn)的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、檢修規(guī)程、檢修記錄、運(yùn)行規(guī)程等文檔資料；圖片。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)作業(yè)過(guò)程或者擺拍方式采集三維作業(yè)指導(dǎo)需要的照片，主要包括現(xiàn)場(chǎng)景觀、環(huán)境布置、設(shè)備外觀、工器具、備品備件等；視頻。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)作業(yè)過(guò)程或者擺拍方式，錄制三維作業(yè)指導(dǎo)需要的視頻；模型。設(shè)備廠家、設(shè)計(jì)院提供的三維設(shè)計(jì)模型。

2.2 場(chǎng)景構(gòu)建

場(chǎng)景構(gòu)建主要包括模型狀態(tài)預(yù)制和交互功能實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)工作：模型狀態(tài)預(yù)制是為了方便后續(xù)的培訓(xùn)內(nèi)容制作，將設(shè)備零部件的連接關(guān)系、物理屬性、預(yù)制動(dòng)作進(jìn)行配置；交互功能通過(guò)用戶界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)思路遵循簡(jiǎn)潔和明了、合理利用空間、最大化整合業(yè)務(wù)功能。

2.3 培訓(xùn)內(nèi)容配置

基于零部件級(jí)靜態(tài)模型構(gòu)建場(chǎng)景，由專工編寫(xiě)或?qū)徍藱z修腳本,綜合利用特效、動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音,以三維方式展示設(shè)備原理和檢修過(guò)程。檢修過(guò)程需要配置的主要內(nèi)容有：檢修階段劃分、步驟序號(hào)和結(jié)構(gòu)、步驟標(biāo)題、步驟描述、質(zhì)監(jiān)點(diǎn)位置、關(guān)聯(lián)文件等內(nèi)容。典型故障需要先對(duì)表現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行案例設(shè)計(jì)，必要時(shí)先補(bǔ)充案例所需的模型，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配置，其主要內(nèi)容有故障現(xiàn)象、故障原因、預(yù)防及處理、關(guān)聯(lián)動(dòng)作等。題庫(kù)的配置分為排序題和選擇題兩類，排序題直接繼承檢修過(guò)程的內(nèi)容無(wú)需額外配置，選擇題的配置內(nèi)容包括題干、選項(xiàng)、正確答案、關(guān)聯(lián)動(dòng)作等。

2.4 多版本開(kāi)發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)：用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造以假亂真的世界。結(jié)合多領(lǐng)域前沿技術(shù)（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)等），借助適當(dāng)裝備，通過(guò)模擬人體感官的方式（三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等），創(chuàng)造出完全脫離現(xiàn)實(shí)的世界并與其進(jìn)行體驗(yàn)和交互。本項(xiàng)目選取HTC VIVE 作為虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備。移動(dòng)APP 版可在手機(jī)上運(yùn)行本系統(tǒng)，通過(guò)觸屏完成各項(xiàng)三維操作，通過(guò)手機(jī)版查詢?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)、檢修流程以及相關(guān)聯(lián)的文檔，可不受辦公環(huán)境的限制，方便在現(xiàn)場(chǎng)使用和查詢。

本系統(tǒng)總共發(fā)布了四個(gè)版本，用戶可根據(jù)自身需求選擇最合適的版本使用。不同版本之間共享模型和場(chǎng)景數(shù)據(jù)，當(dāng)有新內(nèi)容需要更新時(shí)只需進(jìn)行一些用戶界面適配、發(fā)布參數(shù)配置等修改工作，降低了維護(hù)成本：客戶端版。系統(tǒng)兼容和穩(wěn)定性較好，畫(huà)質(zhì)最佳、運(yùn)行速度最佳；網(wǎng)頁(yè)版。使用前無(wú)需安裝，無(wú)需手動(dòng)進(jìn)行版本更新；移動(dòng)APP 版。啟動(dòng)和使用方便，可在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，不受場(chǎng)地限制；VR 版。沉浸感好，操作擬真性強(qiáng)。

2.5 系統(tǒng)擴(kuò)展性

本系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)考慮了輸出三維數(shù)字資產(chǎn)的需求，因此在模型格式、腳本化配置、多平臺(tái)發(fā)布等方面均考慮了二次開(kāi)發(fā)功能，可為以后智能電廠（數(shù)字電廠）打下基礎(chǔ)，后期可擴(kuò)展的三維高級(jí)應(yīng)用功能包括三維+故障診斷、三維+零部件采購(gòu)、三維+臺(tái)賬管理、三維+模擬檢修、三維+狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多平臺(tái)三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)，檢修人員的檢修技能提升后可以對(duì)檢修質(zhì)量和日常維護(hù)起到促進(jìn)和提升作用，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)定期開(kāi)展檢修培訓(xùn)，在機(jī)組檢修時(shí)提升工作效率和檢修質(zhì)量，機(jī)組檢修質(zhì)量得到了保證，設(shè)備安全有了保證，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全滿發(fā)穩(wěn)發(fā)，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。多平臺(tái)版本的開(kāi)發(fā)，使用同一套三維模型作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可有效節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)發(fā)揮各平臺(tái)在培訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)。