淺析風力發(fā)電機組三維虛擬解剖式運維檢修培訓系統(tǒng)設計與開發(fā)

吳士華，莊勇，王洪星

（北京國電思達科技有限公司，北京 100039）

1 引言

近年來，國內(nèi)風電項目建設發(fā)展較快，如何在風機壽命的20年內(nèi)提高風電場的運行效益，是整個風電行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，目前各大風電投資公司都對風電人才尤其是對風力發(fā)電機安裝、調(diào)試及和風電場運行維護人員有著大量的需求。大量的全新人才加入風電行業(yè)，迫切需要專業(yè)的培訓，同時已建成項目也有對現(xiàn)有技術人員提高和繼續(xù)進行技能培訓的需求，不僅需要系統(tǒng)的風力發(fā)電理論，更需要具備正確使用工具維修風機排除故障的實際操作能力。通過全面系統(tǒng)的運維檢修培訓，借鑒國內(nèi)外先進的運維經(jīng)驗，迅速培養(yǎng)大量的實用型人才，成為企業(yè)應對挑戰(zhàn)最重要的措施之一。

傳統(tǒng)風力發(fā)電機組設備運維檢修中，一般運維檢修人員都是去現(xiàn)場分析故障原因，風力發(fā)電設備所處的自然環(huán)境比較偏僻，運維檢修訓練效率低、過程繁雜、質(zhì)量不高，并且不容易掌握整個風力發(fā)電機組的整體結構，風力發(fā)電機組運維檢修培訓質(zhì)量下降。近年來，伴隨著仿真技術與圖像數(shù)字化、深度學習、人機接口、多媒體技術、仿生學、體感技術、網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，使虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術可以應用到現(xiàn)實生活生產(chǎn)中，已經(jīng)成為當今技術研究的熱點。虛擬運維檢修技術能夠很好地解決上述傳統(tǒng)運維檢修問題。虛擬運維檢修技術能夠模擬實物拆卸和裝配過程的行為，并且可按照實際現(xiàn)場繪出零件模型。通過虛擬現(xiàn)實技術，風力發(fā)電運維檢修人員能夠在虛擬環(huán)境中觀察風力發(fā)電機組零部件的拆卸和裝配過程。虛擬現(xiàn)實技術在風力發(fā)電機組檢修中的應用可以真實、直觀、深層次、多角度再現(xiàn)風力發(fā)電機組檢修工藝，從而使運維檢修人員能夠快速掌握風力發(fā)電機組檢修的工藝。

我國在虛擬現(xiàn)實技術方面的研究起步較晚，同世界先進水平尚有較大差距，但隨著對這一領域的逐步重視，近些年也取得不少成果。文獻[3]將多媒體、網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實技術相結合設計了動車組檢修系統(tǒng)，建立面向機務操作人員和檢修人員的動態(tài)仿真培訓系統(tǒng)。文獻[4-5]采用沉浸式和非沉浸式兩種方式來實現(xiàn)維修過程仿真，設計并實現(xiàn)了完整的虛擬維修系統(tǒng)。文獻[6]提出將三維建模技術、虛擬裝配、數(shù)據(jù)庫技術等相結合，實現(xiàn)了風電場全數(shù)字化巡檢的功能。

三維虛擬現(xiàn)實技術將風力發(fā)電機組運維檢修環(huán)節(jié)可視化，即將現(xiàn)實中的風力發(fā)電機組零件進行動態(tài)拆裝和文字或語音提示相結合，采用計算機技術對真實現(xiàn)場檢修環(huán)節(jié)和現(xiàn)場環(huán)境進行虛擬展現(xiàn)，給運維檢修人員創(chuàng)造出三維立體的環(huán)境，使其能夠在虛擬世界中更加真實地進行風機檢修，使得運維檢修的流程更加形象生動。使得運維檢修人員能夠更加清晰地了解風力發(fā)電機組零件結構、拆裝順序和拆裝工藝，有助于運維檢修人員掌握主流風力發(fā)電機的機構和工作原理，掌握風力發(fā)電機運行維護技術，著重了解和熟悉預防性檢修的各種方法和手段，以有效降低運維成本、提高發(fā)電量。

本文基于2MW風力發(fā)電機組建立三維虛擬解剖式仿真運維檢修培訓系統(tǒng)，通過對整個風電運行系統(tǒng)的整合，運用三維建模技術1∶1還原出真實的風機工作場景，通過虛擬現(xiàn)實引擎，模擬出各種運行維修的過程和操作步驟，進行虛擬的培訓演練，提升受訓人員的操作技能和安全意識，在進行危險操作時可以有效地避免錯誤操作，正確判斷分析故障，避免盲目大拆大卸，從而提高作業(yè)中的規(guī)范意識和安全意識。

2 風電機組三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)功能

風力發(fā)電機組運維檢修培訓及考核系統(tǒng)從本質(zhì)上屬于虛擬運維檢修系統(tǒng)，在其基礎上進行風電機組主要部件的細化和培訓系統(tǒng)功能的延伸。

風力發(fā)電機組虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)通過人機交互的方式，使培訓學員在虛擬場景中采用多種交互手段實現(xiàn)對風電機組設備的運維檢修基礎知識學習、檢修技能訓練以及技能的考核。

風電機組虛擬運維檢修系統(tǒng)具備以下功能∶

（1）知識學習功能：能夠指導學員學習風電機組設備以及各主要部件的基礎理論知識，進行結構構造和原理演示等，為后續(xù)學員維修訓練奠定基礎。

（2）檢修培訓功能：實現(xiàn)讓學員在虛擬場景中，運用多種人機交互手段實現(xiàn)風電機組虛擬部件的拆卸、裝配以及故障檢測與運維檢修培訓等功能，使學員掌握基本運維檢修技能。

（3）仿真功能：能夠對學員的檢修過程和檢修結果并結合實際的數(shù)據(jù)，模擬檢修完成后設備運行情況，以達到完善檢修措施和檢修手段的目的。

（4）技能考核功能：能夠進行理論知識和設備操作的考核，使學員能自我檢驗運維檢修培訓的效果，對所學知識和技能鞏固深化，考核功能可以進一步延伸，以達到驗證運維檢修方案和檢修計劃是否可行合理的目的。

（5）系統(tǒng)管理功能：能夠實現(xiàn)用戶管理、學員管理、模型管理、資源管理、題庫管理等功能，便于管理員進行系統(tǒng)的管理。風力發(fā)電機組運維檢修培訓及考核系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機組三維運維檢修培訓系統(tǒng)圖

3 風電機組三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)的角色設計

風力發(fā)電機組虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)的應用主要面向風電場的運維檢修人員。運維檢修人員（即學員）需要在虛擬運維檢修培訓平臺上對風電機組的各個主要部件的檢修過程進行理論知識學習和實驗操作，并反復進行訓練，最終在系統(tǒng)上進行風電機組理論部分和實操部分的考核。系統(tǒng)管理員（即管理員A）需要管理理論題庫與主要部件以及各零部件庫，在一定的學習和訓練時間后向學員下達學習與考核的通知，并對學員們的考核結果進行分析。專家（即管理員B）在學員們考核結束后，對其考核結果進行評判和分析，對學員下一步的學習重點提出指導性意見。風力發(fā)電機組虛擬運維檢修培訓考核系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

圖2 三維虛擬運維檢修培訓考核系統(tǒng)總體結構

3.1 學員角色

3.1.1知識理論部分

學員在進行風電機組理論知識學習時應根據(jù)自身的實際情況，選擇適合的理論知識學習范圍。根據(jù)學員不同的職稱等級以及不同的側重點，系統(tǒng)共劃分了初級工、中級工、高級工、初級技師、高級技師5個類型。在理論知識部分，學員需要對運維檢修的相關理論知識和部件的拆裝、裝配過程進行學習。系統(tǒng)管理員在學員學習一定學時后下達考核任務，并在考核結束后將考核情況整理發(fā)送給專家進行評判，專家根據(jù)學員的答題情況給出指導性意見。理論知識部分結構如圖3所示。

圖3 風電機組運維檢修理論部分結構圖

3.1.2實操部分

學員進入系統(tǒng)的實操部分，首先通過觀看風電機組各部分（ 如主軸、齒輪箱、發(fā)電機等主要部件） 的檢修過程步驟及工藝的演示，對風電機組各主要部分進行檢修操作學習。然后根據(jù)演示的內(nèi)容，在有提示與說明的情況下，學員對運維檢修過程步驟及工藝手動操作進行反復訓練。在規(guī)定的學時訓練后，系統(tǒng)管理員向各學員下達考核任務?？己私Y束后系統(tǒng)會將學員在考核中的操作過程記錄反饋給系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)管理員將考核過程整理成報告后發(fā)送給專家進行評判，同時專家根據(jù)學員實操內(nèi)容給出合理建議。實操部分結構如圖4所示。

圖4 器件檢修拆裝實操流程圖

3.2 管理員角色

風力發(fā)電機組虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)管理員分為：

管理員A：作為系統(tǒng)管理員，對系統(tǒng)實現(xiàn)管理任務。

管理員B：風電機組運行檢修方面的教練員專家。

管理員A即系統(tǒng)管理員，主要負責管理學員、題庫，并向學員下達學習任務。在學員學習過程中，系統(tǒng)管理員實時掌握學員的學習進度，以及對學員的學習情況分析。學員學習、培訓結束后，系統(tǒng)管理員可下達考試任務；考試結束后，系統(tǒng)管理員向專家下達評判任務，并在專家評判結束后，根據(jù)專家對學員給出的指導意見，提出學習內(nèi)容方面的合理建議。系統(tǒng)管理員除了日常管理系統(tǒng)與下達考試任務外，將系統(tǒng)使用過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷及時反饋給開發(fā)系統(tǒng)的技術人員。

管理員B即專家，主要負責對學員的考試情況進行評判并給出指導性意見，以及在使用系統(tǒng)的過程中提出系統(tǒng)存在的缺陷和問題。管理員角色結構如圖5所示。

圖5 管理員角色結構圖

4 風電機組三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)設計

基于三維建模平臺、交互式平臺、數(shù)據(jù)庫技術以及系統(tǒng)的集成平臺，實現(xiàn)風電機組的虛擬運維檢修，可方便、快捷地瀏覽、查詢、添加、刪除或更換風電機組部件的三維模型、工程圖、故障案例、檢修步序或方案等信息；實現(xiàn)風電機組主要部件的拆卸或裝配的指導、交互性操作、部件檢修數(shù)據(jù)、備件管理、檢修決策支持等。風電機組三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)的技術方案如圖6所示。

圖6 三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)整體框架

4.1 三維模型建立

風電機組三維虛擬運維檢修培訓系統(tǒng)中三維模型建模是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其實質(zhì)是用計算機有效的表達裝配體內(nèi)在和外在的關系。三維模型的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)后續(xù)任務的運行效率和實現(xiàn)效果，所以建立一個集成度高、信息完善的三維模型具有非常重要的意義。三維模型主要包括風電機組檢修對象、檢修時所采用的工具以及風電機組運維檢修環(huán)境。

目前，商業(yè)化三維建模工具軟件有多種，例如3D Max、Solidworks、pro/Engineer、UG等，這些工具軟件都可以用來建立風電機組主要部件的實體模型。本文采用3D Max建立風電機組以及機組內(nèi)部各個部件的三維模型，并利用Photoshop精繪貼圖給模型粘貼材質(zhì)，構建與參考機組相似的風電機組模型。

3D Max中建模有多種方法，如幾何體建模、Surface建模、NURBS建模等。本次建模采用幾何體建模，通過對基本幾何體的修改得到需要的造型，然后通過不同的方法將其組合，得到復雜的模型。3D Max提供很多幾何體造型，包括：

（1）標準幾何體：長方體、圓錐體、圓柱、球等。

（2）擴展基本幾何體：倒角長方體、倒角圓柱體等。

此外，還有二維幾何體、建筑幾何體以及復合幾何體。將建好的幾何體轉換為可編輯網(wǎng)絡、可編輯面片或者可編輯多邊形，調(diào)整其點、邊及面，然后再添加各種修改器，以達到需要的各種造型。

本文以風力發(fā)電機為例，一臺發(fā)電機由很多零件構成，如機座、空冷器、定子鐵心、定子繞組、轉子鐵心、轉子繞組、前端軸承裝置、后端軸承裝置、滑環(huán)、刷架、滑環(huán)室、接線盒等，本文采用分層建模的方法，將發(fā)電機分為空冷器、定子、轉子、軸承、滑環(huán)室、機座6層分別進行建模，將每層拆裝的部件組合在一起，具體建模結構如圖7所示。風力發(fā)電機的裝配如圖8所示。風力發(fā)電機內(nèi)的軸承裝置拆裝如圖9所示，將軸承裝置內(nèi)的零件組合在一起，統(tǒng)一命名，便于以后動畫的制作。

圖7 風力發(fā)電機三維建模結構圖

圖8 風力發(fā)電機裝配圖

圖9 風力發(fā)電機軸承零部件拆散圖

采用3D Max建模工具軟件和Photoshop繪圖工具，最后建立的風力發(fā)電機組三維模型如圖10所示，從圖10 可以看出機組材質(zhì)基本與實際機組一致，通過環(huán)境渲染后，畫面更豐富、更真實。

圖10 風力發(fā)電機組三維結構圖

4.2 風電機組主要部件拆裝設計與實現(xiàn)

風電機組三維虛擬解剖式拆裝是根據(jù)部件的形狀特性、精度特性，真實的模擬主要部件的裝配過程，并允許學員以交互的方式真實的模擬裝配過程，達到與真實拆裝無異的目的。本文利用Unity3D引擎為平臺，以風力發(fā)電機為例進行拆裝，將構建好的三維模型及風力發(fā)電機拆裝順序數(shù)據(jù)庫導入，利用C#編寫腳本控制發(fā)電機部件三維模型的運動及相應視角的切換來模擬真實的拆裝過程，具體實現(xiàn)圖如圖11所示。

圖11 風力發(fā)電機拆裝功能實現(xiàn)圖

4.2.1 拆裝動畫功能的實現(xiàn)

風力發(fā)電機拆裝過程是利用Unity3D引擎NGUI的Tween功能實現(xiàn)，Tween功能窗口下設有包括顏色、位置、寬度、高度、透明度、大小的動畫類型，風力發(fā)電機部件的拆裝動作是采用Tween Position功能實現(xiàn)，腳本中設置拆裝運動前后的位置坐標，用于模擬發(fā)電機部件的拆裝運動軌跡，為了模擬真實的拆裝效果，發(fā)電機部件的拆裝運動軌跡設置為重力加速度軌跡，腳本中通過調(diào)整gameobject.active實現(xiàn)部件在完成拆裝運動軌跡之后的消失狀態(tài)，達到模擬出發(fā)電機部件在拆裝過程中的動畫效果。

4.2.2 人機交互功能實現(xiàn)

人機交互控制即控制風力發(fā)電機零部件拆裝，利用人機交互界面中設置的按鈕或者菜單進行控制，不同的按鈕控制不同部件的拆卸與分解，利用Unity3D自帶的OnClick()函數(shù)控制發(fā)電機上的拆裝腳本是否執(zhí)行；部件拆裝兼容鍵盤操作和VR操作手柄操作，學員可以通過點擊相應的按鈕來控制發(fā)電機的拆裝。

4.2.3 有序拆裝功能實現(xiàn)

裝配成一臺完整的風力發(fā)電機需要將多個零部件正確組合，經(jīng)過多道程序才能完成。因此，需要經(jīng)過多次拆裝實驗得出最優(yōu)的拆裝順序，處理成數(shù)據(jù)庫，導入Unity3D引擎，每個發(fā)電機的零部件在數(shù)據(jù)庫中有對應的標識，C#編寫腳本將數(shù)據(jù)庫處理成數(shù)組的形式讀取需要進行拆裝的發(fā)電機零部件的標識，編寫腳本以處理零部件模型變色，并點擊按鈕進行零部件的拆裝，模型的變色順序即為發(fā)電機零部件的拆裝順序。圖12為風力發(fā)電機的零部件拆裝圖。

圖12 風力發(fā)電機拆裝圖

5 結語

本文基于2MW風力發(fā)電機組建立三維虛擬解剖式仿真運維檢修培訓系統(tǒng)，通過建立三維交互式虛擬仿真，在三維虛擬場景中增加人機交互式操作及巡視的三維設備模型。通過在三維運維檢修虛擬場景中，對運維檢修人員進行理論知識、檢修實操等方面的培訓，使學員在初步學習風電機組大體結構的基礎上，通過直觀可視化的虛擬培訓，深入了解風電機組部件的內(nèi)部結構。利用三維虛擬解剖式仿真運維檢修培訓系統(tǒng)提高培訓效果，從而提高參與學員的技術能力，有效推進風力發(fā)電機組在運行、巡檢、檢修和培訓工作的科技創(chuàng)新力度，提升運行、巡檢、檢修、管理人員的技術素養(yǎng)、技術水平和管理能力。