9FA重型燃机本体虚拟检修系统的应用与研究

广州发展电力集团有限公司 甄家麟

9FA 重型燃机本体体积庞大且结构复杂，其安全性与稳定性是保障企业发电运行的重要因素。在实际的检修过程中，若缺乏对于燃机结构和故障原因的了解，盲目地对设备进行拆卸，会极大地降低检修质量和效率；另一方面，9FA 重型燃机在长期运转的状态下，拆解设备的机会不多，检修获得实际、有效的锻炼机会也不多。

9FA 重型燃机本体虚拟检修系统（以下简称：虚拟检修系统）是使用计算机数字化模拟出真实存在的物理设备，利用虚拟仿真技术展现9FA 重型燃机本体的每个三维零部件模型，以及其内部部件的动态装配，模拟9FA 重型燃机本体的检修过程，模拟对故障点进行清除，锻炼技术人员操作精度和效率，减少实物拆除及排障过程中的损耗和对设备性能的损害。

1 虚拟检修系统的构成与功能

1.1 虚拟检修的构成标准

虚拟检修系统的使用构成有以下几点标准：可用性：燃机机组因其具备占地面积小、电力工程应用灵活等特点，在电力能源领域中具有重要的地位，基于虚拟仿真技术的虚拟检修系统在模拟设备本体零部件及设备检修过程时，还可与电厂多个系统进行集成，具有很高的可用性；沉浸性：9FA 重型燃机本体结构精密、复杂，为检修作业带来不小的难度，虚拟检修系统可生成高可信度的场景使用户沉浸其中，以沉浸式体验提高使用人员对设备结构和检修作业的认知水平；交互性：系统围绕9FA 重型燃机本体的检修周期和维修次数进行，提供人机交互的输入输出接口；物理性：虚拟检修系统仿真9FA 重型燃机本体的运行过程，启停机按照标准曲线进行，避免满负荷工作、跳闸和当量启停机，实时检测碰撞和干涉；启发性：提供检修障碍分析工作预设零部件、维修工种和拆卸顺序，预计维修时间、作业空间甚至维修费用。以上述标准为基础，搭建虚拟检修系统的整体框架。

1.2 虚拟检修系统的框架设计

虚拟检修系统主要由三维引擎、输入设备和输出设备三部分组成。三维引擎搭载的模块提供计算和处理输入信息、绘制三维仿真场景的功能。结合虚拟现实技术，输入设备抓取手部和肢体动作并将信息递交给三维引擎计算，以此可以确定装配对象的运动轨迹。常用的输出设备有PC 显示器和虚拟现实头盔，前者提供非沉浸式虚拟仿真检修体验，通过键鼠输入控制，适用于班组人员同时进行培训交流或考核的场合；后者可以提供全沉浸式的虚拟体验，更具有代入感和实操性。

1.3 虚拟检修系统的主要模块与功能

虚拟检修系统的主要模块介绍如下：

三维场景建模：搭建三维检修场景往往包括虚拟样机建模、维修环境的建模和虚拟人物建模三部分。其中样机的建模还包括9FA 重型燃机本体建模、检修工具建模，虚拟人物建模需结合软硬件设备。

虚拟检修仿真：主要包括动作捕捉和维修过程仿真，三维引擎以输入的动作信息与虚拟人物的运动映射关系为依据，跟踪使用人员的运动轨迹。检修仿真的关键技术是碰撞检测技术和人机交互技术，对9FA 重型燃机本体模型和虚拟人物设定碰撞属性会在场景较大时因计算量的倍增加大引擎压力，造成场景卡顿，本文叙述采用路径烘焙，降低碰撞检测计算量提高渲染效率。

虚拟维修数据分析：系统通过分析真实用户的检修操作数据来判断操作的合理性，提供指导建议和培训教学。数据库处理并保存使用人员行为数据，通过引擎把将输出数据传输到相应的功能模块。

虚拟检修系统在虚拟环境下进行维修仿真模拟，使用人员可以直观地看到操作和排障过程；虚拟检修系统的使用价值还在于，使用人员在检修的操作环节产生问题时，系统能给出清晰的三维可视化展示环境和数据，使用人员在仿真环境下通过推演评价检修结果，为9FA 重型燃机本体的运检提供效果参考。

2 虚拟检修相关技术

2.1 9FA重型燃机本体的虚拟构造

9FA 重型燃机本体检修环节的第一步，需要将三维模型数据结构信息进行记录和设定，包括其装配结构和台账信息。确切地说，需要对9FA 重型燃机本体各零部件的型号参数以及运行数据、检修位置进行数据采集，包括设备运行环境的信息。利用三维动画演示的可视原理，确保复杂的9FA 重型燃机本体细节变得直观化，使用人员更全面地掌握各零部件的位置和具体拆装方式。

对于虚拟检修系统采用模块化管理，将9FA重型燃机本体数据集成封装成各自独立的部分，使用统一的标准接口实现各模块间的联动，及时确定三维系统的接口标准，加强对数据的运用和管理。

2.2 9FA重型燃机本体检修操作环境的模拟

通过虚拟检修系统涉及的虚拟物构建，设计虚拟人物的动作和姿态，针对零部件建立专门的维修部件库提供修理部件，三维模型与现实部件1:1建模，形式丰富构建的精细模型才可以满足维修需求，预置的常用维修工具库也能满足使用人员的常规检修作业需求。

2.3 9FA重型燃机本体的三维动画展示

利用三维动画构建的9FA 重型燃机本体模型具有更加清晰且色彩丰富的特征，主流的三维模型制作软件是Maya 和3ds Max，可以为工业模型提供动画建模效果和渲染效果，当前三维软件的渲染效果较好，对软件的运行环境要求比较低，其自身携带的插件功能表现也很优秀。在制作维修动画时需要根据9FA 重型燃机本体说明书的操作规程设计展示脚本，注重对三维场景镜头和灯光的使用，保证每一个步骤能还原真实维修过程的同时，使模型运行得更加流畅。

2.4 检修模型场景的控制及封装

在虚拟检修过程中，主要的交互任务包括运动、选择、操纵和系统控制。通过渲染烘焙、三维文件无损压缩和成熟的交互动作组合封装技术可以提供交互动作设计，更高的FPS 帧率使画面流畅，提升用户体验，结合LOD 等优化技术对场景预加载、预渲染，亦可提高用户的沉浸感。

通过对零部件进行拆解、装配路径的规划，避免操作过程中的相互碰撞和干扰，可以提高虚拟过程的真实感，除了系统预置的交互方式，交互任务还可以由交互硬件完成，包括且不限于数据传输手套、位置跟踪器、轨迹球甚至键盘鼠标等，使用人员借助交互设备可以进行更加丰富多样的操作和演示。

3 虚拟检修技术在9FA 重型燃机本体检修作业中的应用特点与价值

虚拟检修技术应用于9FA 重型燃机本体这类大型精密复杂设备时具有显著的意义和价值。在拆装画面和提示文字相互结合的虚拟场景中进行维修过程的演示和数据可视化呈现，使用人员突破9FA 重型燃机本体传统检修在时间、场地和经济上的限制，用虚拟样机代替物理样机来减少设备和生产时间损耗，降低培训学习成本，同时提升9FA 重型燃机本体检修作业的效率和运维品质。

虚拟检修技术的主要应用特点有：

随看随用的虚拟检修系统内置作业规程和内容，方便使用人员在操作时进行查看和自检，避免遗漏步骤，维修培训中可边看边学，加深操作印象；

9FA 重型燃机本体的实际结构、台账和检修信息通过虚拟仿真技术结合视觉、听觉和触觉，将设备内部情况和零部件以三维可视化形式展现出来，排障过程用动画模拟来传达检修信息，使用人员可快速掌握检修技巧；

虚拟拆装可以真实地还原9FA 重型燃机本体的解体和复装顺序，附带文字描述，维修过程往往基于多个步骤和多个阶段动态进行，将交互内容通过虚拟脚本表达，用以实际操作的模拟，可以在实物设备尚未就位时，培养出可以进行专业维护运营的人员；

系统可以记录检修过程并提供反馈评价机制，采用适宜的指标可以评价检修工作和计算成绩。系统对其可维修性的评价提出建议，针对操作的重点和难点，技术人员可以进行反复练习而不受空间和场地的限制。

4 结语

本文通过阐述虚拟检修系统实际用于9FA 重型燃机本体的构建标准、组建框架、应用特点、实际应用的意义和价值，为9FA 重型燃机本体检修工作提供具有创新性的参考。虚拟检修技术如今仍处于不断探索与实践的阶段，在电力行业具有广泛的应用前景。