轴流转桨式机组三维检修仿真培训系统的开发

轴流转桨式机组三维检修仿真培训系统的开发

0机组检修仿真正在维修水库是水库中非常重要的工作之一，维护人员的培训方法也很特殊。以往的水电站机组检修人员的培训方式都是师傅带徒弟式的现场学习方式。在这种培训方式下,通常而言,新入厂的工人,不论是理论基础较好的毕业生还是普通入职工人,从接受培训开始到成为一名能够独立熟练的检修工,至少需要3a时间,而培训期间如果没有机组大修,需要的时间将会更长。而因目前的水电站检修模式已逐渐转变为状态检修模式,该模式最大限度地延长了机组的检修间隔时限,以往的检修培训方式已远不能满足现代化水电站的要求了。随着计算机水平的飞速发展,水电站也开始使用计算机仿真技术。在机组检修领域,先是有检修仿真的管理信息系统,对整个电站的检修工作展开结构化管理。随后,有学者研究了混流式机组检修仿真系统,今年也有学者针对辽宁太平湾电站开发研究了三维仿真机组检修培训系统。相对而言,混流式机组研究已较为成熟,但轴流式机组还研究较少,且目前开发的系统都较多考虑了电站规划、工期安排等整体工作,对实地检修流程的仿真动画研制较少,并没有对现场检修操作人员起到直接有效的检修培训效果。鉴此,本文针对福建某轴流转桨式电站机组,开发了轴流转桨式机组检修仿真培训系统,通过跟踪电站检修的整体过程,对检修的全部流程都进行了三维动画仿真;并提出三维人机互动的训练环节,增强检修培训的操作性。这种检修仿真培训模式缩短了培训周期,并可随时随地学习而不需现场检修的限制,满足了现代化状态检修下的员工培训。1系统设计原理1.1多媒体软件系统多媒体仿真技术的运用,可将本仿真系统中涉及到的、大量的检修操作规范及注意事项整合起来,并将文本、图像、动画、声音等素材有序地集成起来,且界面友好,排列有序,也更能方便学习。本系统采用了Macromedia公司推出的Director多媒体软件。相比于传统使用的Authorware软件,Director更有其强大的多媒体制作功能,具体体现在:1.1.1道1:内嵌兰o语言,因地使用,可控制更多声音Director本身就有两个声音通道,且通过其内嵌Lingo语言还可控制更多声音;而Authorware在控制多声音上不易或较为繁琐。1.1.2动画素材,电影集成能力强Authorware能导入和控制电影和动画素材,电影集成能力很强。而Director不仅具有导入电影的功能,其自身还能制作电影,并将制作的电影导出。1.1.3大的图片透明功能除一般的图形图像处理功能外,Director还具有强大的图片透明功能,能对图片设置不同的透明度,这是Authorware所没有的。在本系统中,就使用Director的这一功能,使用虚化透明的图片作为效果背景。1.2三维建模工具的选择本系统的建模工具选用了Autodesk公司的3DMax三维建模工具。3DMax功能强大,其基本的技能有:1.2.1选择和配置界面3DMax包含顶视口、前视口、左视口和透视视口,其中透视视口最接近人的视觉。1.2.2创建对象3DMax中有很多的基本几何体,可通过组合得到复杂的对象。1.2.3编辑对象可对创建的对象进行参数修改,并可修改器工具库进行复杂的对象编辑。1.2.4指定材料3DMax提供强大的表面纹理材质,且材质参数都可调整。也可使用贴图来改善材质的外观和真实性,如“噪波”贴图可模拟颗粒纹理。1.2.5所产生的真实场景即,场景物理场景与物理场景不同。基于件的基础上产生,场景意识不此设置可准确地模仿真实世界的亮光条件从而产生看似真实的场景。其摄影机能如同在现实中一样控制平行、推拉镜头、围绕目标旋转等,并投射阴影。1.2.6过渡帧来控制动画3DMax的动画是依靠关键帧自动计算过渡帧来控制动画输出的。它也可输出相应的序列图,并通过第三方软件对序列图的编辑,从而制作出效果更佳的视频文件。1.3仿真系统研发本系统在虚拟现实技术下,利用计算机图形学及三维空间人机交互技术,开发了仿真系统的人机交互实训环节。目前,三维图形交互的实现手段主要有以下两种方式:1.3.1维交互方式这是利用物理设备上的三维的输入输出设备实现的一种交互。这种方式需要配备三维交互硬件,如三维游戏操纵杆数字球、三维跟踪球等。这种交互方式成本较高,设备价格比较昂贵,国内应用较少。1.3.2虚拟场景的生成这是利用现有的二维交互设备进行三维交互设备的方式,这种软件交互的实现方法,成本较低,且可直接利用鼠标、数字化仪等现有的二维交互设备实时地输入三维平移、旋转、变换等参数,在国内应用广泛。本系统采用第二种方式,在利用二维交互设备完成本系统的三维人机交互时,是将3DMax中建好的模型导入到虚拟现实场景中,再利用C++程序编程控制,借助鼠标、键盘的操作,实时反映生成虚拟场景。为使虚拟场景生成更快,系统采用了一系列的加速技术来促进场景的生成,如物体LOD模型简化、灯光的简化处理等。这些处理使得本仿真系统中的交互环境更为流畅,更好地模拟了人在真实环境中的感受。2系统功能系统采用分级管理的方式,用户按不同的权限进入系统后,可以对检修的相关项目进行学习,并参与部分的信息管理。系统的功能模块主要有:2.1基本组成该环节主要是通过图表、参数、文本等文件对电站机组的概况进行说明。2.2检修准备的准备该模块主要是对机组检修前的基本信息、项目计划、工作安排、技改项目、安全措施、检修质量标准定制、材料及相关器械的准备、组织修改检修方案、必要的测绘数据、检修的主要数据指标等列出必要的安排,方便检修工作开始前,检修人员做好各样准备。2.3受油器的特性该模块是以6个发电机结构部件和17个水轮机结构部件为基础,对各个部件的结构形式、作用、具体参数、检修标准、拆卸动画、安装动画等过程进行了详细研究。以受油器为例,图1是受油器的主界面,其右侧按钮可分别链接进入学习相关的内容。其中,结构型式、作用、具体参数和检修标准主要是通过文本、图片、现场照片及规定标准等型式来介绍的。而拆卸动画和安装动画则是通过3DMax建模输出序列图,并辅助配音、文字字幕及关键位置标记等制作成三维检修动画。2.4水轮机的装卸或使其安装该部分将水轮发电机组分为发电机和水轮机部件,分别给出发电机、水轮机的拆卸动画流程和安装动画流程。发电机的拆卸流程为:受油器→上导轴承→上机架→推力轴承→转子→下机架;水轮机的拆卸流程为:水导轴承→主轴密封→主轴法兰分解→控制环→接力器→拐臂→套筒→支持盖主轴转轮→支持盖→主轴→顶盖→活动导叶→浆叶→上泄水锥→操作架及活塞→枢轴→转臂。安装流程则正好相反。该部分提供了轴流转桨式机组的整体拆卸安装流程,结合“机组结构检修部件”模块中对每个部件单独的详细论述,可方便培训人员按个人所需学习相应的内容,使他们对单个部件和整体拆装都能学习掌握。2.5准备事项方面这一环节主要是在机组初步安装完成以后,机组准备启动之前要做的一些准备事项。这一部分用文字、图表的形式论述了机组启动前应做的各项检查及各类标准尺寸,机组试运行过程中的检查、测量和缺陷处理,以及异常情况如何处理等。2.6安装和拆任务该模块是以机组检修的多媒体演示为基础,利用虚拟现实技术开发的三维人机交互训练系统。图2为人机交互初始环境界面。交互界面的工具栏共设有“文件”、“视图”、“任务”、“工具库”及“帮助”。该部分设有多个结构部件安装和拆卸任务。“文件”主要是控制某一任务的取消及交互的退出;“视图”中设有对界面提示框的显示或消除;“任务”中分安装和拆卸任务,分别对检修部件进行正确的安装和拆卸。学员在“任务”下选择了某一安装或拆卸任务后,人机交互的虚拟环境将会实时的发生变化,以最大限度地展现现场装配环境;“工具库”提供安装或拆卸部件时使用到的工具,学员选择了某一任务后,也需相应的选择恰当的工具,才能使装配过程完成;“帮助”项则提供一些帮助提示。2.7考核受助者的方法本系统作为检修工作人员的培训学习,也设置了相应的考核模块。该考核模块不同于以往以文字试卷的方式来考核受训人员,而是通过学习三维多媒体演示和人际交互的训练,受训人员将以操作的方式来完成这一考核。例如,学员需要通过在系统上演示如何安装或拆卸某一部件,若操作完成,系统后台会自动给分;若操作不当,后台则记录分数并相应扣分。另外,考核环节也设置了一两道主观问答题来考察学员的理论装备。2.8考试时间的管理该培训系统的考核模块可由管理员进行考核题目选定,系统可随机生成考试题目,也可由管理员再次筛选。试题选定后,管理员可设定该试题的发布时间和考试时间。系统也设置对考核