林濱 余善良

摘? 要：水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為了降低設(shè)備維護(hù)人員的工作難度，將混合現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)的資料管理系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了一個(gè)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(hù)的效率，同時(shí)降低了設(shè)備維修的成本。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí)；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(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(guó)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(jià)值。在這個(gè)過程中，混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality， MR）技術(shù)因其可以與真實(shí)環(huán)境、真實(shí)物體進(jìn)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(shí)體驗(yàn)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(duì)象，就像是這些對(duì)象存在于真實(shí)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。混合現(xiàn)實(shí)一般采用光學(xué)透視技術(shù)，通過雙目攝像頭實(shí)時(shí)采集你看到的“現(xiàn)實(shí)”世界并數(shù)字化，通過計(jì)算機(jī)算法實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)渲染后新的“現(xiàn)實(shí)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(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了良好的使用效果。

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

水輪發(fā)電機(jī)資料MR管理應(yīng)用了云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、三維仿真、二維碼及MR等現(xiàn)代化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、信息化的圖文檔資料管理方式。實(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備資料查詢不受時(shí)間和空間限制，隨時(shí)調(diào)用設(shè)備歷史檢修數(shù)據(jù)信息。通過AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組裝配在“會(huì)議室”環(huán)境真實(shí)再現(xiàn)，為技術(shù)會(huì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。

資料管理的MR操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)是集動(dòng)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(jìn)行編輯處理，實(shí)現(xiàn)菜單式分布、圖形化管理、交互式行為以及分級(jí)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(bào)警值等。

本項(xiàng)目將MR技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組以下幾方面：1）顯示發(fā)電機(jī)層機(jī)組裝配部件主要參數(shù)及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)層以上可視部件，如：集電環(huán)、主軸中心孔補(bǔ)氣裝置、調(diào)速器及油壓裝置的主要性能參數(shù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及與其相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地、實(shí)時(shí)顯示。2）顯示水輪機(jī)層機(jī)組裝配部件主要參數(shù)及資料。通過佩戴AR眼鏡可以實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)層可視部件，如：主軸、水導(dǎo)、接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等設(shè)備的主要性能參數(shù)、實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)時(shí)顯示。3）會(huì)議室。在會(huì)議室通過佩戴AR眼鏡可以將水輪發(fā)電機(jī)組三維仿真模型“真實(shí)呈現(xiàn)”，并可以通過“預(yù)設(shè)手勢(shì)”控制裝配模型的旋轉(zhuǎn)、剖切等操作，與“機(jī)組裝配”進(jìn)行交互；實(shí)現(xiàn)主要裝配部件（如定子、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)水機(jī)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?dú)v史數(shù)據(jù)。為技術(shù)會(huì)議討論提供最真實(shí)、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(cè)和培訓(xùn)的輔助手段。面對(duì)復(fù)雜機(jī)電設(shè)備故障位置不直觀、專業(yè)維修不及時(shí)的問題，張旭輝[1]等人將數(shù)字孿生與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備維修中，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了該方法的有效性。為了簡(jiǎn)化傳統(tǒng)巡檢的煩瑣流程，馬新博[2]等人基于混合現(xiàn)實(shí)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(jiǎn)單介紹了目前我國(guó)水電企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)智慧電廠進(jìn)行概述，并詳細(xì)介紹了智慧電廠中虛擬現(xiàn)實(shí)輔助檢測(cè)維修技術(shù)的應(yīng)用情況，并對(duì)智慧電廠新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(shí)際案例，詳細(xì)闡述水電站綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)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(shí)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(jī)協(xié)同等需求，對(duì)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(shí)機(jī)器的銷售額呈逐年上升的趨勢(shì)[6]。相對(duì)其他兩種技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)因其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和易于訪問的特點(diǎn)，在用戶中更受歡迎。與專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)相結(jié)合后，將會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)，包括遠(yuǎn)程協(xié)助[7]、協(xié)同設(shè)計(jì)[8]和遠(yuǎn)程維護(hù)[9]。MR系統(tǒng)可以利用3D CAD模型進(jìn)行制造業(yè)培訓(xùn)，專家可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)廠房?jī)?nèi)的工人完成裝配任務(wù)。

作為當(dāng)前市場(chǎng)上首批MR穿戴式設(shè)備之一，微軟HoloLens勢(shì)必會(huì)對(duì)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(jiǎn)便、易于使用的設(shè)備，并為不斷擴(kuò)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(tái)便攜式計(jì)算機(jī)，無須連接到外部機(jī)器即可運(yùn)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(tái)穿戴式的全息計(jì)算設(shè)備，其基本性能參數(shù)如表1所示。其中，輻射點(diǎn)表示每個(gè)弧度的光點(diǎn)數(shù)。

項(xiàng)目將MR技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組以下幾方面：AR顯示發(fā)電機(jī)層機(jī)組裝配部件主要參數(shù)及資料，通過佩戴AR眼鏡可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)層以上可視部件，如：集電環(huán)、主軸中心孔補(bǔ)氣裝置、調(diào)速器及油壓裝置的主要性能參數(shù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及與其相關(guān)圖紙和文字資料的現(xiàn)地、實(shí)時(shí)顯示。可以顯示水輪機(jī)層機(jī)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(jī)構(gòu)等設(shè)備的主要性能參數(shù)、實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)時(shí)顯示。

2? 基于MR的模型操作實(shí)現(xiàn)

2.1? 項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境

本次開發(fā)使用的二維模型采用AutoCAD進(jìn)行處理，三維模型采用Soildwork 2016進(jìn)行查看和處理，索引文件采用Lucene軟件進(jìn)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(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可視化。

2.2? 模型操作實(shí)現(xiàn)流程

MR操作主要在水輪發(fā)電機(jī)總裝配模型中實(shí)現(xiàn)。在佩戴AR眼鏡巡檢設(shè)備時(shí)，可以通過預(yù)設(shè)在設(shè)備上的熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組總裝配、水輪機(jī)裝配和發(fā)電機(jī)裝配的三維裝配呈現(xiàn)，并可以通過預(yù)設(shè)手勢(shì)實(shí)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(shí)際需要，調(diào)取相應(yīng)裝配的主要參數(shù)，并演示運(yùn)行工作動(dòng)畫。

同時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)總裝配模型可以拆分為水輪機(jī)裝配模型和發(fā)電機(jī)裝配模型兩個(gè)部分，其中水輪機(jī)裝配模型可以被拆分為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封、轉(zhuǎn)輪四個(gè)部件，每個(gè)部件均可以進(jìn)行進(jìn)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(dòng)環(huán)、抗磨環(huán)三個(gè)零件。發(fā)電機(jī)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(gè)部件。所有部件均拆分到下一級(jí)為止，之后不再進(jìn)行拆分。

3? 基于MR的資料管理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

首先，點(diǎn)擊AR眼鏡界面中的二維碼管理，進(jìn)入掃描二維碼場(chǎng)景，調(diào)用前置攝像頭進(jìn)行掃碼，顯示掃取信息，進(jìn)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(dòng)跳轉(zhuǎn)到指定場(chǎng)景，并對(duì)當(dāng)前平臺(tái)模型圖紙等資料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。點(diǎn)擊模型名稱，即可進(jìn)入到指定名稱的模型。此時(shí)，點(diǎn)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(gè)手指選中模型后，當(dāng)用戶手部移動(dòng)時(shí)，模型也隨之移動(dòng)。同理，也可以實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)功能。當(dāng)用戶兩個(gè)手指分別選中模型，即可實(shí)現(xiàn)如圖2所示的模型縮放，對(duì)角拉伸進(jìn)行放大，對(duì)角收起進(jìn)行縮小。

在操作菜單中，用戶可以點(diǎn)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(huì)移動(dòng)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(diǎn)擊菜單里的合并按鈕將模型組合為裝配體。模型分散的實(shí)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(shí)技術(shù)進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的3D展示，可以有效地對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行掌握。同時(shí)，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(hù)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(jìn)行推廣使用。

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作者簡(jiǎn)介：林濱（1979.01—），男，漢族，福建龍

巖人，高級(jí)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。