基于虛擬仿真的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬系統(tǒng)

王言國(guó)，龔登位，高少華，謝文君，郗發(fā)剛，張李小璟

（1.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211002；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

水輪機(jī)屬于一種動(dòng)力機(jī)械，能夠完成水流能量的轉(zhuǎn)換，使其形成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。目前，水輪機(jī)主要應(yīng)用在水電站內(nèi)，通過(guò)能量的轉(zhuǎn)換完成發(fā)電機(jī)的發(fā)電，實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電。水輪機(jī)在水電站應(yīng)用時(shí)，通過(guò)引水管將上游水庫(kù)中的水引入水輪機(jī)，促使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。然而，轉(zhuǎn)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，需依靠轉(zhuǎn)子完成；轉(zhuǎn)子在持續(xù)地旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)發(fā)生各類(lèi)故障［1］，例如換向器損壞、軸承以及轉(zhuǎn)輪葉片損壞、轉(zhuǎn)子繞組燒毀等。通常情況下，水輪機(jī)的安裝使用均是在地下，且由于轉(zhuǎn)子是位于水輪機(jī)的內(nèi)部，在對(duì)維修人員和學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，只能以理論知識(shí)為主，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地參觀和學(xué)習(xí)則存在一定難度，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)理論時(shí)無(wú)法深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和故障查看，直接影響培訓(xùn)效果。基于此，模擬系統(tǒng)成為解決該問(wèn)題的常用方法，其能夠解決時(shí)間和空間以及實(shí)際環(huán)境的影響，通過(guò)三維虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的建模以及故障模擬和診斷，并且通過(guò)三維交互使學(xué)習(xí)者能夠身臨其境感受水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況、故障情況以及故障診斷［2］，大大提升了培訓(xùn)效率和效果。虛擬仿真（Virtual Reality，VR）是構(gòu)建模擬系統(tǒng)的主要技術(shù)，其可實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的模仿，也理解成一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界的創(chuàng)建和體驗(yàn)，用于能夠依據(jù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多感官與虛擬世界之間進(jìn)行交互。為實(shí)現(xiàn)虛擬交互培訓(xùn)，曾宇等［3］和陳志鼎等［4］分別基于VRML 和數(shù)字孿生技術(shù)提出相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，用于完成虛擬交互培訓(xùn)。但是上述系統(tǒng)在模擬過(guò)程中，沒(méi)有針對(duì)模型的色彩實(shí)行調(diào)整。

為實(shí)現(xiàn)更好的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障培訓(xùn)虛擬交互效果，本文設(shè)計(jì)基于虛擬仿真的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體三維建模以及虛擬交互過(guò)程中，分別結(jié)合色彩因素以及交互可信度完成，因此，能夠保證更佳的轉(zhuǎn)子建模以及交互效果。

1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于虛擬仿真的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬系統(tǒng)，主要包含基礎(chǔ)層、應(yīng)用層以及管理層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)層：該層包括遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、以太網(wǎng)等。主要用于水輪機(jī)各類(lèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及為系統(tǒng)三維建模等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層：該層分為三維建模模塊、在線仿真模塊、故障診斷模塊。其中三維建模模塊中主要以VRP 建模控制程序?yàn)楹诵?，控制系統(tǒng)的整個(gè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型的構(gòu)建，并且該模塊中同時(shí)部署視覺(jué)注意機(jī)制，用于完成轉(zhuǎn)子模型的色彩優(yōu)化；在線仿真模塊則是作為培訓(xùn)使用的模塊，可進(jìn)行模型仿真、結(jié)果分析、培訓(xùn)報(bào)告等；故障診斷模塊則是完成構(gòu)建的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的故障診斷，向虛擬場(chǎng)景內(nèi)的人員提供直觀的故障情況。

管理層：該層主要完成系統(tǒng)的可視化，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障的模擬結(jié)果均在該層呈現(xiàn)。主要包括含VRML 交互機(jī)制、Java 小應(yīng)用程序、顯示界面、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口、服務(wù)接口、鼠標(biāo)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)逼真的沉浸式虛擬場(chǎng)景交互［5］；除此之外，該層中部署虛擬交互可信判斷模型，以此保證多個(gè)交互對(duì)象在相同的虛擬環(huán)境中時(shí)，保證共享、并發(fā)交互的一致性。

系統(tǒng)的基礎(chǔ)層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口以及交換機(jī)等設(shè)備將水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)以及故障等全部相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層，為水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的三維建模提供數(shù)據(jù)依據(jù)；應(yīng)用層以基礎(chǔ)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的三維建模，并基于視覺(jué)注意機(jī)制優(yōu)化模型色彩；并且，在通過(guò)在線仿真模塊向?qū)W員展示水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的詳細(xì)情況，同時(shí)依據(jù)轉(zhuǎn)子的三維模型實(shí)現(xiàn)其故障診斷后，其傳送至管理層，呈現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子模型的故障情況，實(shí)現(xiàn)模擬，學(xué)員可通過(guò)瀏覽器或者移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)子故障模擬交互［6］。

1.2 基于虛擬仿真的水輪子轉(zhuǎn)子三維建模

1.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)VRP建?？刂瞥绦?/p>

本文在對(duì)水輪子轉(zhuǎn)子進(jìn)行三維建模時(shí)，主要采用虛擬現(xiàn)實(shí)VRP 三維虛擬現(xiàn)實(shí)控制程序完成，其模塊功能劃分清晰、操作便捷，能夠較大程度提升建模效率；并且該控制程序能夠與3ds Max 充分結(jié)合，保證建立的虛擬現(xiàn)實(shí)模型具備極高效果。該控制程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

VRP 三維虛擬現(xiàn)實(shí)控制程序中，包括多種虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，通過(guò)軟件之間的相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)水輪子轉(zhuǎn)子三維建?？刂?；該程序自帶腳本編輯功能，能夠?yàn)椴煌挠脩?hù)需求提供不同的服務(wù)，當(dāng)交互較為復(fù)雜時(shí)，可通過(guò)編程接口進(jìn)行編程，完成復(fù)雜的交互處理。

1.2.2 基于3ds Max的水輪子轉(zhuǎn)子實(shí)體建模

三維建模是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠構(gòu)建系統(tǒng)所需的仿真對(duì)象；且構(gòu)建的水輪子轉(zhuǎn)子三維模型的精確程度對(duì)場(chǎng)景和系統(tǒng)的模擬效果存在直接關(guān)聯(lián)和影響。由于3ds Max能夠與VRP三維虛擬現(xiàn)實(shí)控制程序充分結(jié)合，且3ds Max 在建模過(guò)程中能夠完成水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體建模、屬性建模以及場(chǎng)景建模，同時(shí)能夠更好地刻畫(huà)和描述轉(zhuǎn)子的幾何形狀、材質(zhì)屬性、轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)屬性以及空間的布局；文中采用3ds Max 完成水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體三維建模。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體建模時(shí)，需以實(shí)物為參照，并收集其相關(guān)的材料和數(shù)據(jù)，建模時(shí)按照整體到局部的過(guò)程完成，保證轉(zhuǎn)子的各個(gè)細(xì)節(jié)刻畫(huà)清晰，詳細(xì)建模步驟如下所述：

（1）構(gòu)建水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)模型，以設(shè)備的實(shí)際形狀和相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)幾何建模方法完成，在該過(guò)程中，需根據(jù)模型在仿真過(guò)程中的動(dòng)作情況［7］，確定模型為動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)。

（2）對(duì)轉(zhuǎn)子模型實(shí)行精細(xì)化編輯，采用3ds Max 中各類(lèi)編輯工具完成，確保模型的細(xì)節(jié)與真實(shí)設(shè)備一致。

（3）對(duì)精細(xì)化編輯后的模型實(shí)行材質(zhì)渲染［8］，其通過(guò)材質(zhì)球完成，對(duì)轉(zhuǎn)子模型的基本材質(zhì)、漫反射、光亮度以及貼圖等進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置，完成轉(zhuǎn)子模型的初步形成，在此過(guò)程中，渲染的效果會(huì)對(duì)最后形成的場(chǎng)景真實(shí)度造成直接影響。

（4）對(duì)初步形成的轉(zhuǎn)子模型進(jìn)一步處理，將冗余的部分實(shí)行刪除處理，并通過(guò)視覺(jué)注意機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模型色彩的調(diào)整優(yōu)化，完成轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體建模和優(yōu)化，并且可以此保證系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。

（5）采用3DMaxOSG 模型瀏覽插件對(duì)構(gòu)建完成轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行導(dǎo)出，使模型滿(mǎn)足OpenSceneGraph 應(yīng)用程序接口調(diào)用的統(tǒng)一格式，并以模型的所屬類(lèi)型將其存儲(chǔ)至對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型庫(kù)中。

轉(zhuǎn)子三維實(shí)體建模整體流程如圖3所示。

圖3 模型構(gòu)建流程Fig.3 Construction process of the model

轉(zhuǎn)子實(shí)體三維模型在構(gòu)建過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)模型顏色的調(diào)整，以視覺(jué)注意機(jī)制完成模型顏色的調(diào)整。轉(zhuǎn)子三維模型的構(gòu)建是由多個(gè)元素構(gòu)成［9］，其數(shù)量用m表示，模型的第i個(gè)和第j個(gè)元素分別用ci和cj表示，兩者之間的色彩對(duì)比度（即色差）用Cij表示，其計(jì)算公式為：

式中：Ak表示相對(duì)重要程度均表示亮度值，分別對(duì)應(yīng)ci和cj兩種元素；a*和b*表示兩種色彩通道，ci和cj在a*和b*的色彩通道值分別用和表示。

元素i和j的色彩對(duì)比度和相關(guān)程度兩種矩陣分別用C和O表示，如果轉(zhuǎn)子的三實(shí)體模型的組成元素之間具備較高的相關(guān)性，則在較近的位置設(shè)定Cij值較小的元素，避免模型構(gòu)建后的視覺(jué)色彩過(guò)于雜亂；反之，在較近的位置設(shè)定Cij值較大的元素，提升模型的視覺(jué)效果。元素i和j的色彩模型計(jì)算公式為：

式中：oij表示元素i和j的相關(guān)程度；φ表示判斷值，用于元素相關(guān)程度大小的劃分；dij表示元素i和j距離。

依據(jù)公式（2）即可完成轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型的色彩調(diào)整。

1.3 基于虛擬場(chǎng)景的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬交互

本文系統(tǒng)在實(shí)行交互過(guò)程中，采用VRML 交互機(jī)制完成水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬交互。該機(jī)制是一種跨平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，其能夠增加交互過(guò)程中的真實(shí)性和沉浸感；并且，依據(jù)該系統(tǒng)的在培訓(xùn)時(shí)需要滿(mǎn)足移動(dòng)終端瀏覽器的應(yīng)用需求以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)合Java 小應(yīng)用程序（Java Applet），實(shí)現(xiàn)瀏覽器頁(yè)面的加載，可通過(guò)瀏覽器完成Java 程序的調(diào)用，交互實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 交互結(jié)構(gòu)Fig.4 Interactive construction

VRML 交互機(jī)制結(jié)合Java Applet 在實(shí)行交互時(shí)，VRML 交互機(jī)制采用傳感器節(jié)點(diǎn)完成用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中位置的感知，獲取水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障三維模擬［10］；Java Applet 則具備用戶(hù)交互所需的控件，即仿真控制引擎，其可對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)行控制，并且該引擎能夠?qū)⒒A(chǔ)層中存儲(chǔ)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至虛擬模型中，同時(shí)與VRML 相連接，通過(guò)場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)生成，并完成場(chǎng)景交互。

1.4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷

為了完成人員培訓(xùn)模擬以及故障診斷，在完成水輪機(jī)三維實(shí)體建模后，需要在故障模擬交互過(guò)程中，完成水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷［11］，向場(chǎng)景內(nèi)的學(xué)習(xí)人員提供轉(zhuǎn)子的故障情況。本文采用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障識(shí)別；SVM 的診斷原理是建立最優(yōu)分類(lèi)面后，使其與各個(gè)樣本之間的間隔最大。轉(zhuǎn)子故障診斷的詳細(xì)步驟如下所述：

設(shè){(xi，yi)|i=1，2，…，n；xi∈Rd}表示學(xué)習(xí)樣本集，其中xi表示水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體模型圖像有效特征組合，yi表示轉(zhuǎn)子故障的期望分類(lèi)結(jié)果，且yi∈（-1，1）。

依據(jù)類(lèi)間隔最大化目標(biāo)，求解最優(yōu)分類(lèi)面H，其求解公式為：

式中：C和ξi均表示因子，前者對(duì)應(yīng)懲罰，后者對(duì)應(yīng)松弛；?(?)表示核函數(shù)，2/‖ω‖表示間隔，對(duì)應(yīng)兩個(gè)類(lèi)別之間。

為獲取最優(yōu)的分類(lèi)面函數(shù)，需將公式（3）的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其形成對(duì)偶問(wèn)題，該轉(zhuǎn)換采用拉格朗日函數(shù)函數(shù)，其公式為：

式中：αi表示乘子；ω.xi+b=0表示分類(lèi)面方程；對(duì)ω、b以及αi實(shí)行偏微分求解，使其等于零，結(jié)合公式（4）的約束條件，對(duì)公式（5）實(shí)行二次優(yōu)化，經(jīng)過(guò)求解獲取最優(yōu)分類(lèi)面函數(shù)，其公式為：

2 測(cè)試結(jié)果和分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將其用于某水電廠人員培訓(xùn)與轉(zhuǎn)子故障診斷中。采用本文系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)行三維實(shí)體建模，獲取三維實(shí)體模型，以此衡量本文系統(tǒng)的可行性，建模結(jié)果圖如圖5 所示。由圖5 可知，本文模型能夠依據(jù)實(shí)際水輪機(jī)設(shè)計(jì)圖完成水輪機(jī)三維實(shí)體模型的構(gòu)建，并且可全方位查看模型情況，具備仿真模擬的可行性，能夠?yàn)槿藛T的培訓(xùn)提供仿真三維模型。

圖5 三維實(shí)體模型構(gòu)建結(jié)果Fig.5 Construction rsult of three-dimensional model

為測(cè)試本文系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建效果，對(duì)圖5 中的實(shí)體模型實(shí)行材質(zhì)渲染，并通過(guò)視覺(jué)注意機(jī)制對(duì)模型的顏色實(shí)行調(diào)整和優(yōu)化，獲取優(yōu)化后的水輪機(jī)組和轉(zhuǎn)子三維模型，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，本文系統(tǒng)具備良好的色彩優(yōu)化效果，可賦予水輪機(jī)不同組成元素不同的顏色，并且色彩效果飽和度較好，是由于本文系統(tǒng)在三維實(shí)體建模過(guò)程中，采用VRP 三維虛擬現(xiàn)實(shí)控制程序和3ds Max 完成，并且在建模完成后，基于視覺(jué)注意機(jī)制對(duì)模型的色彩實(shí)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)模型的顏色調(diào)整，能夠保證模型的整體顏色飽和度。

圖6 色彩優(yōu)化后的三維實(shí)體模型Fig.6 Three-dimensional model under color optimization

本文系統(tǒng)在進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障交互前，需對(duì)故障進(jìn)行模擬和診斷，為學(xué)員提供逼真的故障檢測(cè)場(chǎng)景，因此，需保證本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成故障診斷。測(cè)試本文系統(tǒng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷效果，獲取本文系統(tǒng)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體模型圖像有效特征不同數(shù)量下，故障的診斷結(jié)果與期望診斷結(jié)果直接的差距，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，隨著模型中有效特征數(shù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)均能夠完成轉(zhuǎn)子故障的診斷，特征數(shù)量的增加對(duì)于診斷結(jié)果造成明顯影響，診斷結(jié)果均高于期望結(jié)果。因此，本文系統(tǒng)具備良好水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷效果，為故障模擬提供可靠支撐，向?qū)W員呈現(xiàn)準(zhǔn)確的故障結(jié)果。

圖7 故障診斷結(jié)果Fig.7 Result of fault diagnosis

為判斷本文系統(tǒng)的水輪機(jī)交互效果，登錄系統(tǒng)進(jìn)入交互界面，獲取交互現(xiàn)實(shí)效果，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，本文系統(tǒng)具備良好的虛擬交互效果，學(xué)員登錄后，可通過(guò)相關(guān)的操作實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景交互，并且可全面獲取水輪機(jī)整體模擬結(jié)果以及其組成架構(gòu)信息，并且獲取點(diǎn)擊轉(zhuǎn)子部件，顯示轉(zhuǎn)子的詳細(xì)的信息，全面了解水輪機(jī)轉(zhuǎn)子知識(shí)；在該交互過(guò)程中，可同時(shí)支持多人共享、并發(fā)學(xué)習(xí)或者單獨(dú)學(xué)習(xí)。

圖8 水輪機(jī)虛擬交互效果Fig.8 Interactive result of hydraulic turbine

為衡量本文系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景交互性能，以交互可信度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試本文系統(tǒng)不同共享交互人員數(shù)量下，隨著仿真時(shí)間的逐漸增加，交互可信度的結(jié)果變化情況（期望結(jié)果在0.90 以上），結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知，在不同的共享交互的人員數(shù)量下，隨著仿真時(shí)間的逐漸增加，可信度發(fā)生較小的幅度變化，但是整體交互可信度結(jié)果均在0.92 以上。因此，本文系統(tǒng)具備良好的共享、并發(fā)交互性能，能夠滿(mǎn)足人員數(shù)量較多的培訓(xùn)應(yīng)用需求。

圖9 交互可信度測(cè)試結(jié)果Fig.9 Testing result of interactive credibility

3 結(jié)論

水輪機(jī)是水電站在水力發(fā)電中的主要設(shè)備機(jī)組，其轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生不同的故障，由于水輪機(jī)的工作環(huán)境條件限制，水電站在對(duì)維修人員進(jìn)行培訓(xùn)以及故障診斷時(shí)存在較大難度，因此本文設(shè)計(jì)基于虛擬仿真的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障模擬系統(tǒng)，用于完成轉(zhuǎn)子故障的診斷模擬，通過(guò)逼真的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)與人員之間的交互，提升培訓(xùn)效果。測(cè)試結(jié)果表明：本文系統(tǒng)具備良好的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子三維實(shí)體建模效果，能夠保證模型較佳的視覺(jué)色彩效果，并且能夠準(zhǔn)確提供轉(zhuǎn)子故障信息，支持共享交互，提升培訓(xùn)效果。