大型泵站设备三维检修仿真培训系统的开发与应用*

(1. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 225127；2. 河海大学机电工程学院， 江苏 常州 213002)

大型泵站设备三维检修仿真培训系统的开发与应用*

张仁田1,2李龙华2

(1. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 225127；
2. 河海大学机电工程学院， 江苏 常州 213002)

为满足大型水泵机组检修维护的需求，采用三维模拟技术开发用于培训的可视化仿真系统。该系统采用3DMAX软件将泵站通用常识、主设备及其辅助设备进行三维仿真，构成与真实泵站对应的虚拟仿真系统。采用该系统对员工开展工器具、设备特性、检修过程及事故故障处理等内容的交互式培训，并设置培训测试模块，检验培训效果。

泵站设备；检修；培训；仿真；开发

近年来，一大批重点水利工程，特别是泵站工程在防汛抗洪、御旱蓄水、改善水环境等方面发挥了巨大的综合效益，确保了经济社会的健康、快速发展。江苏省有数百台大型轴流泵机组，随着南水北调东线工程的建成投运，大型水泵机组呈现快速增长的态势，其运行维护将成为一项重要的工作。

由于泵站工程所处地理位置相对偏远，每个泵站有着自身独特的布置方式、结构型式，使得水泵机组的通用性远不如火电和风电机组，给员工的培训工作带来一定难度。现在投运的大中型水泵机组，在材料、结构及使用维护等方面都有较高的要求，因此对员工在运行、检修及管理方面的素质要求也越来越高，当务之急是创新培训体制，用现代化手段优化员工的培训工作，只有这样才能适应当前大型化水泵机组快速发展和长时间运行的要求。

1 国内外水利系统培训方式

1.1 常规培训

常规培训是目前采用最多也是最为常用的一种培训方式，主要以授课为主。常规培训从基础理论到专业知识，结合具体泵站进行系统讲解，有利于学员对机组基础和专业知识的系统性学习，适用于检修、运行及管理人员的培训。这种培训费用较低，但没有直观的工具来连接和弥补抽象的理论与具体工程实践之间的鸿沟，培训周期较长，受训对象对泵站系统的了解程度对培训的效果影响很大，常辅之以现场实习，弥补理论培训的不足。由于受到设备运行状态等的限制，往往培训效果一般，有时需多次培训或实施针对性培训。

1.2 计算机平面仿真培训

利用现代计算机技术，将泵站机电设备、一次主接线、油水气系统等，通过专用的编程语言，进行组网或单机演示，国外有些泵站还设立相应的操作控制台，即采用软硬件相结合的形式，以增加学员操控的真实感。这是针对具体电站而实施的专用培训，可以在常规培训的基础上进行，适于运行专业强化培训范畴。在水电系统，如浙江新安江水电站和福建水口水电站仿真培训系统，均由仿真软件和硬件操控台组成，三峡电站某公司生产的机组仿真培训系统是由纯软件组成的计算机网络培训。由于设立了计算机专用培训网络，平时需相应的管理维护人员，所有系统多为平面显示，侧重于运行人员的培训，系统的直观性较差，对检修人员的培训效果有限，对培训人员的知识结构要求高，培训效果较不理想，通用性不强[1-4]。国内水泵机组的计算机平面仿真培训还没有开展。

1.3 计算机三维可视化仿真培训

三维可视化仿真就是在对对象设备全面分析的基础上，采用三维可视化仿真技术建立设备三维仿真模型，然后通过信息关联技术将三维可视化实体模型与设备数字化信息关联起来，使计算机能自动识别对象设备的物理结构、辨识对象设备运行状态和健康状态、反映对象设备故障机理的一种建模方法。

美国试验心理学家Treichler做过两个著名的实验[5]，一个是关于人类获取信息的途径，通过大量的试验证实，人类获取的信息83.5%来自视觉，11%来自听觉，3%来自嗅觉，1.5%来自触觉，1%来自味觉，人们通过视觉和听觉获得的信息占其所获得总信息的94%；另一个试验是关于知识保持即记忆的持久性，人们一般能记住自己阅读内容的10%，听到内容的20%，看到内容的30%，听到和看到内容的50%，在交流过程中自己所说内容的70%。另外，对同样的学习材料，单用听觉，3小时后能保持所获取知识的60%，3天后则下降为15%；单用视觉，3小时后能保持70%，3天后降为40%；如果视觉、听觉并用，3小时后能保持90%，3天后可保持75%。因此，在培训过程中，能同时调动培训对象的视觉、听觉等多种感知器官参与感知活动，有助于对泵站系统知识的理解和接受。三维可视化将视听合一功能与计算机的交互功能结合在一起，产生出一种更合乎自然的交流环境和方式，直接诉诸培训对象的多种感官，调动培训对象主动运用多种感官积极参与媒体学习活动，使对知识的被动接受转变为知识的主动发现、探索。能激发学习兴趣，产生学习欲望，形成学习动机，更积极有效地接受知识。由此可见，视听并用是学习的最佳方式。

2 大型泵站3D检修仿真培训系统的构建

2.1 泵站检修仿真培训系统的内容

利用现代计算机技术，将泵站主要设备(水泵、电动机、齿轮箱、主变、高压断路器、隔离开关等)、辅助设备、金属结构(进水口工作闸门、检修闸门、清污机、拦污栅、固定式卷扬机、液压启闭机等)及电气主接线、油水气系统、二次回路等，用三维可视化技术进行建模造型设计，以文字、声音、灯光、色彩等配合，渲染合成，具有与实物一致的全景三维立体外形，并能根据需要进行局部结构解剖。通过三维动画与文字、影像等有机配合，不仅可将常规培训的基础知识、专业知识，以及计算机平面仿真培训技术相结合，显示二维平面仿真培训技术中特有的系统原理图、布置图等，而且可将复杂设备结构进行局部解剖，动画演示零(部)件的结构特点，演示相应组件之间的配合、联接关系，有利于检修维护人员了解设备型式、结构特点、特征参数，以及检修维护中注意的事项等，并可根据需要进行专业深层次培训，具有直观形象、生动易于记忆、培训过程可重复等特点，泵站水泵机组检修仿真主要内容框图如图1所示。

图1 水泵机组检修仿真框图

2.2 泵站检修仿真培训系统开发的基础软件

三维可视化仿真技术主要利用三维造型软件进行几何模型制作，模仿相应设备或图形等形成专用仿真技术。根据不同的仿真需求，选择适当的计算机仿真工具软件。目前，常用的工具软件依据功能和工程应用侧重点的不同，有较多选择，如UG、ProE、3DSMAX、Solidworks、Autocad等，根据大型泵站的工程需求和仿真工具软件的特征，经过比较，选择3DSMAX软件较为合适。

a. 3DSMAX软件特点[6]。3DSMAX是目前市场上流行的高级三维可视化软件，用户通过此软件能够方便地创建各种具有真实感的三维物体造型，并能制造精美的动画过程。主要特点是功能强大、插件众多、开放性好，集建立模型、材质设置、摄影灯光、场景设计、动画制作、影片剪辑于一体，可以制作广播级的动画效果。对硬件的要求相对较低，一般计算机就能满足使用要求，无需添加专用设备，相关学习资料也很多，而且可使用外部程序，通过与Photoshop、Premiere等软件的联合使用，可以采用特技及变形处理等手法，为三维可视化建立一个完整的场景，然后可以设定场景中对象的动作，让它们运动、变形、更改对象属性，最后在所创建的电脑虚拟场景中拍摄三维可视化电影，在3DSMAX中，电脑操作者犹如电影导演，使动画制作更加逼真、快捷。3DSMAX始终以其无可比拟的强大实力占据着主导地位，长期备受艺术创作、美工制作、产品分析、建筑设计等众多领域的青睐。

b. 3DSMAX实现可视化仿真的可行性。三维可视化过程，基本上可分为三个步骤：实物虚化、虚物实化和高性能的计算机处理技术。除这三个主要方面以外，还包含着分析空间漫游所需的三维浏览器开发技术、三维虚拟切换技术、与现实实时的控制连接技术等一系列相关学科的研究工作。2008年神舟7号载人航天飞行过程中的模拟仿真动画，就是三维可视化技术与实时控制技术连接的典型实例[7]。从多个水利水电工程的三维可视化多媒体项目的实施来看，用3DSMAX作为泵站机电设备检修、运行可视化仿真，是完全可行的。

c. 3DSMAX实现可视化仿真的手段。3DSMAX中三维可视化是在相应的界面上实现的，如同工程人员习惯的三视图一样，3DSMAX的初始窗口提供了三个平行投影窗口，即俯视图、前视图、左视图。此外，3DSMAX还提供了一个透视投影窗口。各个窗口可根据需要变换成右视图、用户视图、前视图、后视图、摄像机视图、灯光视图，其中摄像机视图是实现虚拟摄像机模拟人的观察视角进行渲染，进而实现三维可视化的重要应用视图窗口[6-7]，基本原理及流程分别如图2和图3所示。

图2 三维可视化建模原理框图

图3 基于3DSMAX的可视化仿真流程

d. 仿真软件对硬件的需求。对硬件的基本需求：服务器采用联想ThinkServer RD640高性能的64位计算机服务器，其配置为CPU 2*Intel E5-2630 V2 CPU，64位，2.6GHz；内存16GB内存(4×4GB), 1333MHz；硬盘2*1TB 7.2K RPM, 6Gbps近线 SAS；显卡集成显卡；光驱超薄DVD RW光驱；网口3个1000MB以太网接口；串口1个串行接口；外设鼠标、键盘；显示器联想LT2223W，21寸液晶显示器，1920×1080。

脉冲响应初期，在给人民币汇率预期一个单位标准差的正面冲击，即人民币汇率贬值预期增强时，境内证券市场收益率出现下滑，境外投资者对境内证券市场的投资资金流入减少，而随着贬值预期加大，境外投资者预计人民币汇率波动风险加剧，证券市场收益率可能进一步减少，为规避证券市场波动以及汇率风险而继续减少投资，汇率贬值与股市下跌互相强化，导致证券投资项下跨境资金流入减少。实证结果验证了人民币汇率贬值预期对国内经济进而对股市产生紧缩作用。近年来，我国加快资本项目开放步伐，进一步推进汇率市场化改革，加深了人民币汇率预期、国内证券市场与国际资本的联系程度。

3 泵站检修可视化仿真培训

用虚拟现实技术进行不同泵型(混流泵、轴流泵、灯泡贯流泵)建模，从泵组的结构特点，到各主要部件(电动机定子、转子、通风冷却系统、推力轴承、受油器；水泵叶轮、泵轴、进水流道、出水流道、导叶体、水导轴承、主轴密封、管形座等)工作原理，拆卸顺序、安装顺序及检修要点进行培训。水泵机组虚拟检修仿真总体页面布局如图4所示。

图4 水泵机组虚拟检修仿真总体页面布局

3.1 检修工器具、材料的识别与使用培训

根据建立水泵检修工作所用的工器具种类，划分为通用工器具和专用工器具两大类型三维模型数据库进行培训，培训内容包括：

a. 通用工器具。如：内径千分尺、外径千分尺、百分表、压力表、求心器、塞尺、水平仪、刮刀、挑刀、钢字码、划针、量规、塞规、圆规、活络扳手、呆扳手、梅花扳手、千斤顶、钢丝绳、扁铲、撬棍、榔头、螺丝刀、钢丝刷、手套、连身衣、安全帽、安全带、安全绳、卸扣、起吊螺钉、手拉葫芦、行灯变、行灯、万用表、验电笔、求心器等。

b. 专用工器具。如各类敲击扳手、联轴螺栓专用工具、电动机转子测圆架、主轴叶轮起吊工具、泵组整体起吊工具、盘车工具、镜板研磨工具，其他特殊用途工具等。

c. 检修材料。水泵检修所用材料，如：汽油、酒精、无水乙醇、透平油、绸布、毛毯、破布、红丹漆、油漆、502胶水、除锈剂、螺栓松动剂、橡胶盘根、金相砂纸、油石等。

凡涉及检修所用工器具、材料均用三维模型建立数据库，以便虚拟检修及运行仿真培训时调用。图5是典型的外径千分尺及其使用方法的三维模拟。

图5 外径千分尺及其使用方法模拟

3.2 设备特性和技术参数培训

所有设备均按照图纸进行三维模型建立，建立了设备三维模型及技术参数数据库，并附之特征参数，如材料、外形尺寸、重量及性能技术参数，通过设备三维模型及其技术参数建立专用数据库，可供检修仿真培训调用。

3.3 虚拟仿真检修培训

根据泵站机电设备不同，检修等级所对应的检修文件包内容，按照检修任务单、修前准备、环境影响因素辨识及控制、危险源辨识及控制、检修工序卡、工序修改记录、技术记录卡、质量监督签证单、不符合项处理单、设备试运行单、完工报告单和文件包版本修订记录等要求予以展开。其中检修任务、修前准备、环境影响因素辨识及控制、危险源辨识及控制等内容相结合，用虚拟现实技术予以仿真，其余内容则用文字、图片、视频等媒体形式存入专用数据库中。主要培训内容包括：电动机全分解/全安装、水泵全分解/全安装等。图6为灯泡贯流泵机组安装模拟仿真截图。

图6 灯泡贯流泵机组安装模拟仿真

3.4 典型故障及事故处理虚拟检修仿真培训

针对水泵机组生产过程中遇到的典型故障及事故，如：推力及导轴瓦温过高故障、水导轴承进水事故等，采用虚拟现实技术予以仿真，重点突出故障及事故处理的操作步骤以及注意事项。以此形成针对性更强、实用性更好的虚拟检修培训系统，真正达到全方位、多层次的培训需求。

3.5 泵站工程标准培训

为方便水泵设备检修运行，仿真培训系统中包含主要国家标准、行业标准和企业标准等，如《泵站技术管理规程》(GB/T 30948—2014)，以及不同泵站的水泵检修规程、电动机检修规程等。

3.6 培训仿真测试模块

为有效提高检修及运行人员对培训内容的深刻理解与持久记忆，可以进入仿真测试系统进行模拟考试，通过自我评估实现对所学知识的查漏补缺及巩固强化的目的。

仿真测试模块包括故障维修知识库、设备理论知识库、安全生产知识库等内容，用以检验学员受训后的效果。涵盖检修、运行专业试题库，评分系统能对学员考试进行自动评分，并显示完整的操作步骤，出错步骤一目了然，有利于提高培训效果。通过对试题库有关试题及答案的不断扩充与完善，该模块也可作为日常培训考试之用。培训仿真测试模块流程如图7所示。

图7 培训测试流程

3.7 2D/3D打印功能

所有虚拟检修仿真所涉及的图片、文字、三维设备模型等，均可以用常规打印机进行2D打印。而开发的专用程序接口，能对三维模型实现3D打印功能，可形成直接的三维设备教学模型。

最终将创建的所有交互式虚拟检修仿真内容结合其他类型的检修培训素材有序导入多媒体系统，并根据界面布局进行有机整合，采取C/S架构的网页浏览模式，实现分级权限管理。

4 运行效果与结论

制作完成的泵站机组检修仿真培训系统，经过测试，在计算机上播放流畅，完全实现预期的目标，并符合以下技术参数：ⓐ音频HQ高品质；ⓑ视频真实环境，3D视角，光影、纹理仿真效果；ⓒ分辨率≥1024×576；ⓓ帧速率25fps；ⓔ音频双声道立体声效果，采样率≥48.0kHz。

显然，采用基于虚拟技术的三维仿真培训系统对大型泵站检修维护人员进行培训，不仅能够大大提高培训效果，节省资源，而且提供对系统进行进一步扩展、增加虚拟传感器的动态数据传输等功能，能够对泵站优化运行实行动态模拟仿真，为泵站优化调度提供技术支持。

[1] 胡翔勇, 李咸善, 袁兆强, 等. 大型水电站仿真培训系统功能分析与设计[J]. 武汉水利电力大学(宜昌)学报, 1999, 21(3): 216-219.

[2] 林礼清, 罗铸, 顾元昌. 水口水电站仿真系统[J]. 系统仿真学报, 2001, 13(1): 50-52,105.

[3] 徐广文, 刘兵, 葛新峰, 等. 抽水蓄能电站全范围仿真培训系统[J]. 华东电力, 2007, 35(9): 58-60.

[4] 马杰, 俞宏群, 朱辰, 等. 水电厂仿真培训系统开发及功能[J]. 水电自动化与大坝监测, 2009, 33(3): 25-28.

[5] 乔卉, 龚庆武, 江传文. 面向电力培训的三维交付式仿真平台的设计与实现[J]. 电力设备自动化, 2013, 33(6): 157-162.

[6] 彭国安. 3DMAX建模与动画[M]. 武汉：华中科技大学出版社, 2012.

[7] 刘卫东. 可视化与视景仿真技术[M]. 西安：西北工业大学出版社, 2012.

Developmentandapplicationof3Dmaintenancesimulationtrainingsystemforlargepumpingstationequipment*

ZHANG Rentian1, 2, LI Longhua2

(1.JiangsuSurveyingandDesignInstituteofWaterresourcesCo.,Ltd.,Yangzhou225127,China;2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213002,China)

3D simulation technology is adopted for developing a visual simulation system for training in order to meet the needs of repair and maintenance of large water pump units. The system is equipped with 3DMAX software for 3D simulation on pumping station common sense, main equipment and auxiliary equipment, thereby constructing a virtual simulation system corresponding to the real pumping station. The system is adopted for interactive training on employees in the aspects of tools, equipment, equipment characteristics, maintenance process, accident fault handling and other training contents. Training test module is set for testing and training effects.

pumping station equipment; maintenance; training; simulation; development

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.011

国家科技支撑计划项目(项目编号：2015BAB07B01)资助

TV675

A

1005-4774(2017)012-0041-06