水輪發(fā)電機資料管理的MR操作實現(xiàn)及應(yīng)用

林濱 余善良

摘? 要：水輪發(fā)電機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，為了降低設(shè)備維護人員的工作難度，將混合現(xiàn)實技術(shù)與設(shè)備相關(guān)參數(shù)信息結(jié)合，提出了一種基于混合現(xiàn)實技術(shù)的資料管理系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了一個易于使用的界面，可以清晰直觀地向使用人員展示設(shè)備相關(guān)零部件的二維和三維結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)將MR技術(shù)與電廠圖文檔資料管理融合創(chuàng)新，極大地提高了設(shè)備維護的效率，同時降低了設(shè)備維修的成本。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實；資料管理系統(tǒng)；設(shè)備狀態(tài)可視化；工業(yè)智能化

中圖分類號：TP391.9? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0081-04

Realization and Application of Hydrogenerator Data Management MR Operation

LIN Bin， YU Shanliang

（Fujian Mianhuatan Hydropower Development Co.， Ltd.， Longyan? 361000， China）

Abstract： The internal structural design of hydrogenerators is relatively complex. In order to reduce the work difficulty of equipment maintenance personnel， a data management system based on hybrid reality technology is proposed by combining hybrid reality technology with equipment related parameter information. The proposed system provides an easy-to-use interface that can clearly and intuitively display the two-dimensional and three-dimensional structures of equipment related components to the users. The system integrates AR technology and data management of power plant drawings and documents， greatly improving the efficiency of equipment maintenance， while reducing the cost of equipment maintenance.

Keywords： hybrid reality; data management system; visualization of equipment status; industrial intelligence

0? 引? 言

隨著水力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的水力發(fā)電企業(yè)逐漸將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，用信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)賦能，從而為企業(yè)創(chuàng)造新的價值。在這個過程中，混合現(xiàn)實（Mixed Reality， MR）技術(shù)因其可以與真實環(huán)境、真實物體進行良好結(jié)合的特性，逐漸被大家所接受，并成為提升生產(chǎn)力的重要工具。當(dāng)前可以提供混合現(xiàn)實體驗的設(shè)備主要分為兩類，即全息設(shè)備和沉浸式設(shè)備。全息設(shè)備的特征是能夠顯示數(shù)字對象，就像是這些對象存在于真實世界中一樣。沉浸式設(shè)備的特征是能夠隱藏物理世界特征，并將其替換為全沉浸式數(shù)字世界特征?；旌犀F(xiàn)實一般采用光學(xué)透視技術(shù)，通過雙目攝像頭實時采集你看到的“現(xiàn)實”世界并數(shù)字化，通過計算機算法實時渲染畫面，既可以疊加部分虛擬圖像也可以完全疊加虛擬圖像，人眼看到的是經(jīng)過計算機渲染后新的“現(xiàn)實畫面”。本文提出了一種基于MR的資料管理系統(tǒng)（Document Management System based on Mixed Reality， DMS-MR），并在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中實現(xiàn)了良好的使用效果。

隨著硬件設(shè)備的不斷更新，人機交互（Human-Computer Interaction， HCI）對于用戶而言逐漸成為一項衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。目前，基于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）設(shè)備的混合現(xiàn)實技術(shù)逐漸被應(yīng)用于實際生產(chǎn)中?；旌犀F(xiàn)實可以將物理世界和數(shù)字世界進行融合，在MR設(shè)備的一端是人類所在的物理現(xiàn)實，另一端是相對應(yīng)的數(shù)字現(xiàn)實?；旌犀F(xiàn)實的概念首先由微軟公司提出，強調(diào)物理實體和數(shù)字對象共存，并能夠?qū)崟r進行相互作用。相對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）技術(shù)，混合現(xiàn)實選取了虛擬現(xiàn)實的環(huán)境模擬能力和增強現(xiàn)實的場景識別能力，實現(xiàn)了用戶與環(huán)境之間的互動效果。

水輪發(fā)電機資料MR管理應(yīng)用了云平臺、大數(shù)據(jù)、三維仿真、二維碼及MR等現(xiàn)代化技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、信息化的圖文檔資料管理方式。實現(xiàn)圖紙、文檔資料管理的數(shù)字化、智能化、信息化，提高電廠數(shù)據(jù)、資料的存儲安全。最大程度提高電廠主設(shè)備圖紙、資料等數(shù)據(jù)的查詢速度和效率，實現(xiàn)機組設(shè)備資料查詢不受時間和空間限制，隨時調(diào)用設(shè)備歷史檢修數(shù)據(jù)信息。通過AR技術(shù)（增強現(xiàn)實）實現(xiàn)水輪發(fā)電機組裝配在“會議室”環(huán)境真實再現(xiàn)，為技術(shù)會議提供最便利、最逼真的討論環(huán)境，可以現(xiàn)地讀取設(shè)備實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。

資料管理的MR操作實現(xiàn)系統(tǒng)是集動畫、圖紙、語音、文字等多媒體形式、素材為一體的數(shù)字化軟件集成系統(tǒng)。將各種類型的素材進行編輯處理，實現(xiàn)菜單式分布、圖形化管理、交互式行為以及分級權(quán)限管理的目的，通過掃描設(shè)備上的二維碼可以在設(shè)備旁查看此設(shè)備的三維仿真模型、二維圖紙、主要數(shù)據(jù)、重要報警值等。

本項目將MR技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機組以下幾方面：1）顯示發(fā)電機層機組裝配部件主要參數(shù)及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實現(xiàn)發(fā)電機層以上可視部件，如：集電環(huán)、主軸中心孔補氣裝置、調(diào)速器及油壓裝置的主要性能參數(shù)、實時運行數(shù)據(jù)及與其相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地、實時顯示。2）顯示水輪機層機組裝配部件主要參數(shù)及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實現(xiàn)水輪機層可視部件，如：主軸、水導(dǎo)、接力器、導(dǎo)水機構(gòu)等設(shè)備的主要性能參數(shù)、實時運行數(shù)據(jù)（如水導(dǎo)油溫、瓦溫等）及相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地實時顯示。3）會議室。在會議室通過佩戴AR眼鏡可以將水輪發(fā)電機組三維仿真模型“真實呈現(xiàn)”，并可以通過“預(yù)設(shè)手勢”控制裝配模型的旋轉(zhuǎn)、剖切等操作，與“機組裝配”進行交互；實現(xiàn)主要裝配部件（如定子、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪等）的三維感官查看，并可以調(diào)用相應(yīng)部件圖紙、性能參數(shù)及主要歷史數(shù)據(jù)。為技術(shù)會議討論提供最真實、最便利的仿真環(huán)境。

1? 研究背景

目前，MR技術(shù)在教育、軍事和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用成果較為突出，在工業(yè)生產(chǎn)中更多被用來作為監(jiān)測和培訓(xùn)的輔助手段。面對復(fù)雜機電設(shè)備故障位置不直觀、專業(yè)維修不及時的問題，張旭輝[1]等人將數(shù)字孿生與混合現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機電設(shè)備維修中，并在實際應(yīng)用中驗證了該方法的有效性。為了簡化傳統(tǒng)巡檢的煩瑣流程，馬新博[2]等人基于混合現(xiàn)實設(shè)備建立了設(shè)備的三維模型和標(biāo)準(zhǔn)檢修意見指導(dǎo)庫，有效提升了巡檢效率。

徐劍[3]等人簡單介紹了目前我國水電企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，對智慧電廠進行概述，并詳細(xì)介紹了智慧電廠中虛擬現(xiàn)實輔助檢測維修技術(shù)的應(yīng)用情況，并對智慧電廠新技術(shù)的發(fā)展進行了展望和總結(jié)。唐勇[4]等人從水電企業(yè)智慧電廠建設(shè)方向的角度，提出了智慧水電的建設(shè)模式和體系結(jié)構(gòu)，介紹了瀑布溝電廠開展智慧電廠建設(shè)的實際案例，詳細(xì)闡述水電站綜合數(shù)據(jù)平臺和三維虛擬化廠房系統(tǒng)的內(nèi)容。陳永記[5]等人以大型發(fā)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型為應(yīng)用背景，根據(jù)水電廠生產(chǎn)實際需求，提出了發(fā)電企業(yè)云邊協(xié)同體系架構(gòu)。該體系結(jié)合了數(shù)字水電廠智能輔助決策、人機協(xié)同等需求，對虛擬化、數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)服務(wù)等內(nèi)容有詳細(xì)的描述，適用范圍較廣，并具有良好的推廣應(yīng)用前景。

當(dāng)前頭戴式設(shè)備和虛擬現(xiàn)實機器的銷售額呈逐年上升的趨勢[6]。相對其他兩種技術(shù)，增強現(xiàn)實因其經(jīng)濟實惠和易于訪問的特點，在用戶中更受歡迎。與專業(yè)領(lǐng)域的知識相結(jié)合后，將會有效地提高學(xué)習(xí)效率。目前，MR技術(shù)已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，包括遠(yuǎn)程協(xié)助[7]、協(xié)同設(shè)計[8]和遠(yuǎn)程維護[9]。MR系統(tǒng)可以利用3D CAD模型進行制造業(yè)培訓(xùn)，專家可以通過虛擬現(xiàn)實的方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)廠房內(nèi)的工人完成裝配任務(wù)。

作為當(dāng)前市場上首批MR穿戴式設(shè)備之一，微軟HoloLens勢必會對AR應(yīng)用的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。開發(fā)人員首次可以使用操作簡便、易于使用的設(shè)備，并為不斷擴大的用戶群體部署MR應(yīng)用程序。更重要的是，HoloLens本身就是一臺便攜式計算機，無須連接到外部機器即可運行，非常適合各種離線的應(yīng)用程序。HoloLens 2設(shè)備是從HoloLens初代發(fā)展而來，是一臺穿戴式的全息計算設(shè)備，其基本性能參數(shù)如表1所示。其中，輻射點表示每個弧度的光點數(shù)。

項目將MR技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機組以下幾方面：AR顯示發(fā)電機層機組裝配部件主要參數(shù)及資料，通過佩戴AR眼鏡可以實現(xiàn)發(fā)電機層以上可視部件，如：集電環(huán)、主軸中心孔補氣裝置、調(diào)速器及油壓裝置的主要性能參數(shù)、實時運行數(shù)據(jù)及與其相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地、實時顯示?？梢燥@示水輪機層機組裝配部件主要參數(shù)及資料如：主軸、水導(dǎo)、接力器、導(dǎo)水機構(gòu)等設(shè)備的主要性能參數(shù)、實時運行數(shù)據(jù)（如水導(dǎo)油溫、瓦溫等）及相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地實時顯示。

2? 基于MR的模型操作實現(xiàn)

2.1? 項目開發(fā)環(huán)境

本次開發(fā)使用的二維模型采用AutoCAD進行處理，三維模型采用Soildwork 2016進行查看和處理，索引文件采用Lucene軟件進行結(jié)構(gòu)化處理，AR設(shè)備采用Microsoft公司的Hololens 2 AR眼鏡，并在H5頁面中實現(xiàn)項目的可視化。

2.2? 模型操作實現(xiàn)流程

MR操作主要在水輪發(fā)電機總裝配模型中實現(xiàn)。在佩戴AR眼鏡巡檢設(shè)備時，可以通過預(yù)設(shè)在設(shè)備上的熱點實現(xiàn)水輪發(fā)電機組總裝配、水輪機裝配和發(fā)電機裝配的三維裝配呈現(xiàn)，并可以通過預(yù)設(shè)手勢實現(xiàn)三維模型的凌空旋轉(zhuǎn)、拆分、剖切（預(yù)設(shè)）顯示。工作人員可以根據(jù)實際需要，調(diào)取相應(yīng)裝配的主要參數(shù)，并演示運行工作動畫。

同時，水輪發(fā)電機總裝配模型可以拆分為水輪機裝配模型和發(fā)電機裝配模型兩個部分，其中水輪機裝配模型可以被拆分為導(dǎo)水機構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封、轉(zhuǎn)輪四個部件，每個部件均可以進行進一步拆分。以主軸密封裝配為例，可以細(xì)分為密封環(huán)、浮動環(huán)、抗磨環(huán)三個零件。發(fā)電機裝配模型也可以被拆分為定子裝配、轉(zhuǎn)子裝配、推力軸承裝配、發(fā)導(dǎo)軸承裝配四個部件。所有部件均拆分到下一級為止，之后不再進行拆分。

3? 基于MR的資料管理系統(tǒng)實際應(yīng)用

首先，點擊AR眼鏡界面中的二維碼管理，進入掃描二維碼場景，調(diào)用前置攝像頭進行掃碼，顯示掃取信息，進行分析和顯示模型信息。在掃描到符合結(jié)果信息后，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到指定場景，并對當(dāng)前平臺模型圖紙等資料實現(xiàn)動態(tài)顯示。點擊模型名稱，即可進入到指定名稱的模型。此時，點擊圖紙按鈕，即可顯示當(dāng)前模型的圖紙信息，如圖1所示。

用戶單個手指選中模型后，當(dāng)用戶手部移動時，模型也隨之移動。同理，也可以實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)功能。當(dāng)用戶兩個手指分別選中模型，即可實現(xiàn)如圖2所示的模型縮放，對角拉伸進行放大，對角收起進行縮小。

在操作菜單中，用戶可以點擊分散按鈕，將裝配體模型拆分為分散的部件或零件。分散后的零件將會移動到預(yù)先指定好的位置，以方便用戶查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)查看完畢后，可以點擊菜單里的合并按鈕將模型組合為裝配體。模型分散的實現(xiàn)效果如圖3所示。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于MR的資料管理系統(tǒng)DMS-MR，通過利用混合現(xiàn)實技術(shù)進行水輪發(fā)電機設(shè)備的3D展示，可以有效地對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進行掌握。同時，所提出的系統(tǒng)也可以幫助新員工快速熟悉設(shè)備的關(guān)鍵部件，為設(shè)備的日常維護和檢修工作提供了指導(dǎo)。本系統(tǒng)不僅適用于水力發(fā)電站，火電、風(fēng)電等其他類型的發(fā)電站也可以嘗試進行推廣使用。

參考文獻：

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作者簡介：林濱（1979.01—），男，漢族，福建龍

巖人，高級技師，工程師，本科，研究方向：水電生產(chǎn)技術(shù)

管理；余善良（1987.01—），男，漢族，福建龍巖人，工程師，本科，研究方向：水電生產(chǎn)技術(shù)管理。