水轮发电机组虚拟仿真培训系统研究

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  摘要:以三维仿真模型为基础,开展水轮发电机组智能仿真培训系统研究。利用Solidworks、数据库、ASP.NET与服务器技术构建基于B/S结构的三维仿真培训信息系统。利用C#构建信息系统的后台,HTML、Javascript、Css实现前台Web页面显示,将前台与后台联系,借助Javascript二次开发Actify技术和智能语音合成技术对系统进行了详细设计、开发,实现了水轮发电机组由实际三维空间向虚拟现实空间的转化,提高学员的感性认知,深化了培训效果。该系统已投入生产使用,用户评价好。
  关键词:B/S构架;虚拟现实;水能发电机组;智能仿真培训系统
  中图分类号:G726 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)27-0093-03
  随着各种大型、特大型水轮发电机组的陆续投产,大量训练有素而且专业技术过硬的水轮发电机组运行和检修人员越显稀缺。同时,水轮发电机组的安全稳定运行对保证电力系统的安全性和稳定性具有重大的影响力[1],也对水轮发电机组的运行和维护等相关技术人员提出了更高的要求。由于水轮发电机组系统规模的增大、机组的精密性、复杂性和先进性的提高,特别是随着电厂“无人值班,少人值守”的不断深入,导致水电厂工作人员数量在逐渐可控的减少,存在水轮发电机组运行维护和检修相关技术人员因对机组不熟悉而导致的错误判断或操作不当而导致水轮发电机组发生事故,造成人身伤害和经济损失的可能性大大增加。[2]因此水电厂智能化和现代化迫切需要有一种现代化培训方式,让水轮发电机组的运行维护和检修人员对水轮发电机组有一个全面、有效和系统的认知。三维仿真培训是现代化的培训工具的发展趋势,其功能全面、性能优异,且具有很好的交互性,能够完整地将所有被仿真对象的内部结构,运行规律逼真的展现出来。水轮发电机组运行维护和检修相关技术人员可根据不同要求和标准通过三维仿真培训系统得到自定义的培训,这样达到的效果更好、效率更高。三维仿真培训系统也可在某种程度上作为水轮发电机组的运行参照系统应用,这样就可进行水轮发电机组运行方式的比较,而且还可以做比较常见的一些事故的安全分析,从而对水轮发电机组的安全运行起到一定的指导作用。
  一、系统总体框架和功能设计
  系统采用B/S架构来设计水轮发电机组智能仿真培训系统,以虚拟现实技术为指导思想,虚拟现实的技术就是通过计算机模拟生成一个与真实世界一致的三维虚拟世界,提供给用户视觉、触觉、听觉等感官的真实体验,让用户可以实时、自由地观察三维虚拟世界内的事物。[3]图1为系统的结构体系图。系统整体软件结构主要包括三大功能模块:数据库服务器层(数据核心层)、WEB服务器层(业务逻辑层)和浏览器层(接入层)。
  数据核心层包括数据库、系统结构和权限控制,是本系统对业务数据进行统一组织、集中管理的平台,为WEB服务器层(业务逻辑层)提供规范、高效的数据服务,实现业务数据的充分共享,是这个系统的基础。数据核心层中的数据库是数据存储的平台,本系统数据主要是水轮发电机组的对象属性及相关的三维模型、技术图纸和技术文档,还有各个零部件及装配体的自定义拆装相关数。
  WEB服务器层(业务逻辑层)包括WEB服务器数据管理模块和WEB服务器数据查询模块,是系统对数据进行管理和查询的平台。它通过对数据库服务器层(数据核心层)服务的调用访问业务数据,实现不同的功能模块,满足不同的业务需求。WEB服务器层还提供接口服务来完成本系统与外部系统的数据交换。整体系统硬件架构如图2所示。
  水轮发电机组智能仿真培训系统主要功能模块如图3所示,其主要实现的功能为:机组设备及其零部件技术资料的整理,主要包括水轮机、发电机、大轴和过水系统;建立机组、设备总装备及零部件分解的结构可视化模型,继而建立机组拆装流程仿真培训;分类组织和整理机组的二维模型,为电子化查询提供服务;提供水轮发电机组三维仿真培训系统平台,便于管理人员进行维护操作。
  二、系统采用的关键技术
  1.水轮机发电机组物理模型的构建
  系统主要利用Solidworks和Actify SpinFire构建发电机组物理模型。Solidworks 强大的功能体现在通过拉伸、旋转、切除、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作生成各种模型;支持多实体零件设计方法,增强了零件建模的灵活性;同时利用EXCEL软件生成配置,从而自动地生成零件或装配体;按照同心、重合、距离、角度、相切等约束关系形成装配体等。[4-6,9]而Actify SpinFire为设备使用客户及设备制造商提供了世界领先的2D/3D CAD设计交流协同解决方案,其主要特点为:
  (1)无缝交流,即面向所有需要查看、评审设备模型的人员,使用者不需要安装任何 CAD 系统即可拥有强大的3D 和 2D 可视化阅读能力,快速打开并处理上百种CAD软件生成的图纸,大幅节省CAD软件及客户端硬件费用 。
  (2)安全高效交流,即能将原始CAD文档压缩,使其大小减少90%后形成.3D标准格式文件,使CAD文件占用磁盘空间达到最小化,也方便了文档的存储和传输。
  Actify SpinFire可直接读取PMI(3D Annotation)信息,具有多种尺寸测量和批注功能(包含体积、表面积计算),可直接在2D/3D图面上进行批注、尺寸标注、剖面分析、装配分析、模型检查等,无须设计修改原图。它可以进行动态剖面切割状态检视并且可以规定坐标系统。可导出3D、JPG、BMP、EMF等档案格式。
  2.仿真系统开发平台
  仿真系统是在.NET平台下应用Javascript二次开发Actify。.NET平台是Microsoft公司用来实现XML、Web Services和敏捷性的技术。从应用的角度来讲,.NET平台是Microsoft提供的一个技术平台,为敏捷商务搭建互联互通的平台。从技术的角度来讲,.NET应用软件是一个使用.NET Framework类库来实现,并运行于Microsoft基于.NET平台的公共语言运行时 Common Language Runtime之上的应用程序。   系统应用Javascript二次开发Actify,在Actify中模型内部结构是分层管理的。Actify提供了程序接口对每一个分层中的模型进行操作,技术人员通过Javascript调用Actify提供的函数接口操作水轮发电机组对象模型,Javascript对对象的操作依据水轮发电机组模型在Actify中的分层关系来逐级经行。于是便可以直接在Actify中得到水轮发电机组三维模型,并可以使获得的三维模型运行在.NET平台下的基于B/S架构的WEB页面中,而且还可以使用Actify的程序员手册模拟水轮发电机组运行时的工作过程,这样实现的员工仿真培训系统更容易让学员接受,Javascript与Actify结合在三维仿真培训方面具有强大的优势。通过Javascript对Actify的二次开发可以直接通过网页完全操作三维仿真模型。
  三、智能仿真培训系统的实现
  智能仿真系统的效果的实现主要表现在三个方面,分别是对电站数据的管理、对水轮机可自由灵活地按要求定义拆装步骤以及将定义的拆装步骤演示出来。
  电站数据的管理主要是实现对电站系统层次的管理,系统层次是用来组织软件研究对象的各层级关系,本系统中的层级关系按照电站—系统—子系统—子系统—子系统,其中系统和子系统是可以自定义的灵活的对象划分机制。主要包括方便快捷的实现对电站数据的添加、删除和修改以及属性查看。
  拆装定义主要用于具有相应权限的用户自定义电站的三维模型的拆卸和安装过程。当进入相应的查询视图选中要进行拆装定义的设备,页面会显示四个区域,分别是设备树区、设备模型区、模型树区和拆装定义区。图4是以上机架为例的拆装定义页面。设备树区是用来显示电站的层级关系,如电站—机组—系统—子系统。设备模型区用来展示当前设备的三维模型,以及进行拆装的过程中拆装过程的展示。模型树区用来显示当前设备的内部属性结构,如上机架的模型树包括上机架零件、支撑杆、上机架盖板和梯子等。拆装定义区用来定义在模型树区域中选择的设备的子零件相对设备的平移、旋转信息,并将定义的数据存入数据库中。
  图5为拆装定义区的局部放大图。拆装定义区又可细分为五个部分,分别是步骤显示区、定义子零件相对当前设备沿x、y、z轴位移的模型平移定义区、定义子零件相对当前设备的X、Y和Z方向上的法向量旋转的角度的模型旋转定义区、记录当前步骤作用与目的的详细信息区和包括播放、执行、后退、保存四个按钮的执行区。拆装演示用来展示已经定义好的步骤,通过点击查询视图功能选择区的“拆装演示”即可进入拆装演示查询页面。图6为上机架拆装演示页面,包括设备树区、设备模型区、信息显示区和播放控制区。信息显示区用来显示当前步骤中的以下详细信息,比如平移量、旋转量和当前步骤拆装描述。播放控制区包含单步播放和连续播放,单步播放用于一步一步显示已定义的拆装过程;连续播放用来连续显示拆装过程。在连续播放过程中,通过点击连续播放按钮可使连续播放按钮在播放和暂停之间进行切换。在播放的同时,系统会自动将拆装定义中输入的定义的每一步骤中的文字描述合成为语音流提供给用户。
  四、结束语
  设计的智能仿真培训系统是一个集成信息管理系统,由四个重要模块组成构成,它们是:网站、数据库管理模块、三维仿真模型模块和智能语音合成模块。学员只需要通过IE浏览器访问网站即可获得各种服务,系统具有如下特点:
  1.易于安装
  因为本系统是基于B/S架构构建,只需要在水电厂的服务器部署本系统即可,学员只需要借助浏览器访问培训系统,就能够达到参与水轮发电机组运行和检修培训的目的。[7,8]
  2.易于使用
  学员不需要为了接受水轮发电机组的培训而先进行系统使用方法的培训,只要会通过IE浏览器浏览网页就可以顺利地使用培训系统。简洁、明了的用户操作界面是本水轮发电机组培训系统的一大特点。
  3.高效性
  借助于互联网技术,打破地域、时间的限制,使水轮发电机组培训可以在任意时候任意地点进行,避免了因为培训场地、培训时间等原因造成的水轮发电机组培训的延误,可以让参训学员自由的安排培训时间,更好地提高学员的学习效率。[10,11]
  4.通用性
  在本系统中,不同的水轮发电机组可以根据自身的实际情况制定水轮发电机组培训流程。避免了将整个培训流程固化,导致培训系统通用性降低。
  5.完整的知识库
  随着科技发展,大型水轮发电机组的结构日趋复杂,要求每个水轮发电机组运行维护技术人员完全掌握水轮发电机组的全部知识,因此需要对水轮发电机组的全部知识进行详细整理。查阅和学习水轮发电机组每个部分所对应的模型,图纸和技术文档成为学员培训期间必不可少的内容。本系统完整的知识库包含了水轮发电机组所有的零部件三维模型、技术图纸和技术文档,并在内部通过一定的逻辑对整个知识库进行分类整理。学员通过查看知识库可以深入观察水轮发电机组的内部结构特征的空间相对位置关系,从而对水轮发电机组有全面直观明了的认知。
  6.智能语音
  将每个用户自定义的水轮发电机组关于检修和认知培训的动态过程分类存储起来,方便学员进行自定义的培训,并能有效运用语言或文字将水轮发电机组运行和操作的各个过程表达出来,即自定义的过程中培训操作的每一个步骤说明能准确地用语音朗读出来,便于学员理解。
  本智能培训系统目前已应用于实际水电厂培训中,用户反应良好,可扩大范围推广,从而促进我国水电培训领域的发展。
  参考文献:
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  [3]付一丁.基于虚拟现实的水电机组检修培训技术研究[D].武汉:华中科技大学,2010.
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  [10]Jed Hartman,Josie Wemecke.The VRML 2.0 Handbook-Building Moving Worlds on the Web[M].Silicon Graphics,Inc,1996.
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  (责任编辑:王祝萍)
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