三维检修系统在大中型立式泵站中的应用与开发进展

三维检修系统在大中型立式泵站中的应用与开发进展

朱国强

（清远市清新区清西防汛工程管理所广东清远511500）

摘要：在信息技术的发展下，泵站对机组进行检修已经结束了计划检修的方式，开始向三维检修状态过渡。在高新技术的支持下，检修质量有所提升，但由于大中型泵站设备较多，检修过程多为局部检修，全面检修周期较长，且很多检修工作者在培训期间很难到现场参加实地培训。鉴于此本文以某地立式泵站为例，对三维检修技术进行深入剖析，并阐述其在泵站检修中的具体应用。

关键词：大中型立式泵站；三维检修；系统开发；具体应用

泵站工程是目前政府比较重视的工程之一，泵站能实现水资源的优化配置，在抵抗自然灾害方面性能优越，是衡量国民经济发展的重要指标点，加强泵站故障检修是现阶段相关单位的主要任务。3dsMax建模、仿真等集成化软件都用在泵站检修上，泵站间隙效率提升，但技术和人员匹配还存在问题，很多技术性人才缺乏实地检修经验，与高端设备的契合度不高，因此在开发三维系统的同时，要注意技能型人才培养。

1.检修系统综合设计思路

检修系统是针对泵站厂房组件设计的，因此要先对泵站组件的相关资料进行收集，并在泵站现场跟进拆装流程，将其以视频、文字等形式记录下来，并附上检修过程的组件拆装说明。系统设计团队对泵站组件的位置、结构进行深入分析，然后按照泵站各部分功能，借助3dsMax软件完成分块建模过程，文件以ive格式保存，便于后期制作泵站拆装动画。接着将组建好模型进行优化，在osg、QT软件的辅助下，实现人与模型的虚拟交互，给观看者以真实的视觉效果。在虚拟场景中，员工操作计算机完成组件拆装过程，并模拟故障检修流程，代替真实检修，达到训练专业操作员的目的。三维系统中包括模型库、学习库等多个独立单元，各单元独立运行互不干扰，但也存在一定的内在联系。

2.三维系统开发中的关键技术

2.1分块建模技术

该项技术是建立在3dsMax软件基础上完成的，分块建模实现可视化检修过程，将泵站划分成厂房、机组等模块，然后在实物基础上简化，协调好各部件间的装配关系，设置相应的特征约束，将各模块组装到一起，即完成加建模任务，建模流程可划分为以下几小点。

2.1.1建立模型

并不是所有的泵站部件都是规则的，其中不乏结构复杂的零件。建模过程应对该类部件重点进行设计，建模时先构建部件的外部轮廓，然后将重点位置详细设计，确保在简化零件的同时，能将其重点结构反应出来。对于构成相对复杂的零件，可将其划分成几个单元同时进行设计，然后组合到一起。

2.1.2设计三维动画

明确泵站机组结构形式，并熟练掌握拆装流程，在此基础上将拆卸、检修、安装等流程设计成三维动画模型，将零件按顺序进行动态装配。对零件材质、纹理等进行渲染设计，让观看者能轻易分辨出零件，最后对吊装线路、零件安装顺序进行设计，在虚拟环境中对吊装、检修过程进行模拟[1]。

2.1.3配音

员工模拟检修工作时，将视频配上解说，训练效果更佳。在详细解说下，员工按照解说步骤进行模拟检修操作，检修效率大大提。

2.2虚拟装配技术

该项技术是建立在多Agent的虚拟情境上完成的，在此情境下将装配语义、几何约束加设置，然后让训练者在既定程序的指导下，完成泵机组装配过程。按照零件装配关系，对多Agent情境的层次结构进行设计，零件层次包含在特征层次中，组件层次又包含在零件层中，三个层次不断递进，特征层对应装配知识层，主要记录能特征参数，装配者在该层中直接提取数据的特征关系，零件层对应装配决策层，在Agent帮助下建立起不同零件的决策规则，系统能在规则指导下进行自动推理、学习等动作，场景智能程度明显增加。组件对应用户控制层，交互、运动约束等功能在该层得以实现。如图一所示，是情境模型的层次结构。

图一Agent情境模型的层次结构

为方便训练者清楚各层级结构的关系，设计者需要按照装配模块功能结构，设计相应的视景树，将装配场景按照由大到小顺序排列在视景树上，组节点是视景树的总节点，负责模拟机组的整装过程，在组节点上连接多个分支节点，树的枝叶就相当子父节点，例如在发动机检修节点上，延伸出叶子节点传动机构模拟装配图。节点相互配合，帮助操作者理清装配思路，进而实现检修装配过程的有序和高效。

2.3三维交互技术

在该项技术辅助下，建立面向用户的情景模型。用户与设备进行交互漫游，在良好的视景范围内，对模型中的虚拟物体进行准确拾取，完成虚拟点拾取后，用户利用键盘或鼠标向计算机发布新的命令，重新寻找最佳视觉位置，随着场景渲染的不断推进，实现人机交互的深度漫游。在装配检修期间，用户需借助鼠标将目标部件选定，然后在键盘的配合下，完成对零件的选定和装配动作[2]。如表一所示，是用户操作键盘的组合控制表，熟记表格能帮助用户快速完成操作过程。

表一用户操作键盘的组合控制表

这种鼠标加键盘的控制方式，能实现对虚拟场景中每个物体的控制，但在控制物体完成配置过程中，要有Matrix3D软件辅助完成场景的遍历计算，数据量庞大。在科研人员攻关下，对此算法加以改进，在虚拟场景中构建虚拟三维坐标，用户只需点击坐标相应位置，虚拟场景中就显示出一条路径虚线，利用此虚线就能完成对虚拟组件的精准安装，场景碰撞更加真实，用户装配速度变快，且避免大量数据计算带来的系统故障风险。

3.某泵站开发应用三维系统案例

某地区泵站一直对三维检修系统有所研究，目前检修系统逐渐趋于完善。该泵站组建的检修系统将机组作为基础，对照泵站机组的实际运行情况，将现场环境等比例缩放到计算机中，设置动态虚拟场景，便于用户进行虚拟安装和检修训练。在虚拟场景中，安装检修流程以系互动方式进行，计算机间对用户的检修、安装技能进行鉴定，并给出完善的考核结果。系统中又包含多个子模块，如建检修数据库、模拟训练模块等，下面对此泵站三维系统组成及功用进行深入探讨。

3.1组建数据库

数据库存放的数据分为两大类，一类是图形数据，此类数据内容较多，不仅包括零件、装配关系等基础数据，还包括吊装工具、视景树的节点信息，只要不是动态化数据，都存储图形数据库中。另一类是动态影像数据，既包含静态图像，又存放供训练者学习的多种视频图像。

3.2组建学习系统

系统中存放的基本为学习课件，供检修技术员进行模拟学习，学习内容如下：

3.2.1.熟悉基本结构

将水力机组的信息用文字加以描述，并配上相关图片和视频，让学习者对机组零件结构进行熟悉，并记住零件的具体参数，然后严格按照检修规程，在制作零件安装动画。在掌握安装、拆卸流程的基础上，借助三维建模系统，完成拆装动画制作过程。

3.2.2.总体装配

构建零件装配的虚拟场景，以水力机组的某个零件为安装起点，利用虚拟坐标并配合鼠标操作，演示完整的零件安装过程[3]。

3.2.3.模拟拆卸过程

以水轮发电机组模块为例，按照相应顺序，完成发电机组的拆卸流程。

3.3对虚拟训练系统进行完善

3.3.1组建完整的虚拟装配环境

按照水力机组的真实运行环境，在计算机上设置等量模型，并合理简化复杂模型，将零件模型建立相应联系，并建立起特征约束，保证零件后期能顺利完成装配。在进行虚拟训练过程中，人机交互可能导致物体间的相互碰撞，虽然是虚拟碰撞，也会对系统的正常运行造成一定影响，因此需要对系统中各模块进行定期的碰撞检测，分析碰撞数据后绘制曲线图，若虚拟物体在碰撞反应发生时存在穿透现象，这会影响系统模拟的真实性，用户不能全身心沉浸在虚拟场景中，因此对于穿透现象应该及时进行优化。

将虚拟场景组建完成后，用户可与计算机进行交互漫游，在利用鼠标选择最佳的视点位置，通过改变控制命令，实现视点变换，从而完成视景渲染过程，处于虚拟场景中的训练者，能自由拾取想要的目标点，进而完成对虚拟场景的全面观察。

3.3.2人机交互装配

三维场景建立的最终目的就是对学员进行检修讯训练，训练者在完成零件装配、拆卸检修的基础上，还需要回答系统随机显示的问题。每个子模块丢设置相应的安装节点，每经过一个安装节点，系统就会对训练者的装配结果进行检验，若存在装配错误，不得进行下一模块安装，必须纠正装配错误才能继续完成装配任务[4]。

3.3.3任务调用与跟踪

对吊车路径进行合理规划，确保设置的运动约束恰到好处，吊车运动过程尽量不与其它物体发生碰撞。为保证吊车运动路线合理，需要对其每个行进动作进行跟踪，确保吊车不会偏离标准路径。

3.4技能鉴定

此过程还是在计算机上完成，让学员完成理论测试，并独立完成模拟操作。系统会根据学员操作中出现的错误次数，对其进行综合评分。

4.结束语

泵站水力机组的正常运转，与检修的仔细程度有着紧密联系，本文结合相关案例，对三维模拟检修进行深入探究。从中可以看出，在模拟软件的支撑下，检修工作更加便捷高效，全面检修周期缩短，泵站很少发生故障，运行平稳，每年为相应单位节省大量维护资金。

参考文献：

[1]李频，徐晶珺，赵林章.大中型立式泵站三维检修系统开发与应用[J].机电工程技术，2019（1）：9-12.

[2]郑源，李丽，孟志伟.大中型泵站机组三维检修仿真培训系统开发[J].排灌机械工程学报，2018（7）：587-592.

[3]张仁田，李龙华.大型泵站设备三维检修仿真培训系统的开发与应用[J].水利建设与管理，2017（12）：41-46.

[4]赵林章，唐魏，李频.大型立式泵站三维可视化管理平台开发与应用[J].江苏水利，2019（1）：32-36.