多平台三维可视化培训系统开发研究

华电国际技术服务分公司 宫伟基 杜宁宁 北京必可测科技股份有限公司 张 灯 邵 帅

设备检修作业的好坏直接关系着电厂安全和经济生产，目前火电厂的设备作业指导检修培训一般通过文档、图片、视频为载体来实现，通常有三维沉浸感比较差、操作界面不够人性化、培训功能不够完整等问题，由于受训人员现场实操的时间不多，这些问题会造成设备检修培训工作的效率和质量难以提高。为了提高检修培训的质量和效率，本项目选取火电站机组汽机、锅炉、电气专业的主要设备进行零部件级别精度的三维建模，基于产品说明书、检修作业指导书、运行规程等文件，建立包含设备结构原理、检修过程和典型故障内容的多平台三维可视化培训系统。

1 技术路线

随着技术的发展，使用三维激光扫描仪通过逆向工程建立出尺寸和外观都与现实无异的虚拟三维模型，再使用三维引擎的实时渲染和物理模拟技术让模型动态化、可交互，辅以穿戴设备进行互动，最终实现在虚拟现实环境中进行培训，从而能够取得比传统的二维界面下更好的效果。利用激光测距的原理，三维激光扫描技术通过记录被测物体表面海量密集点的三维坐标、纹理、反射率等信息，能快速复建出被测物体的三维模型及线、面、体等数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，能有效提升三维建模工作的准确度和速度。

由于要完整采集设备各角度的数据，需要从不同方位扫描多个站点才能把目标物扫描完整。每一测站扫描数据都有自己的坐标系统，在扫描区域中设置控制点或标靶点，使得相邻区域的扫描点云图上有三个以上的同名控制点或控制标靶，通过控制点的强制附合，将相邻的扫描数据拟合到同一个坐标系下。将拟合后的数据进行清洗，剔除无关扫描物的信息，得到可供建模的数据。

本项目选取Unity3D 引擎，并针对设备检修项目的需求进行了二次开发。三维引擎是开发交互式实时图像应用程序的核心组件，能为设计和开发者提供各种三维交互系统所需的各种工具，其目的在于让设计者能容易和快速地做出三维交互系统。三维引擎一般包含以下系统：渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、动画、人工智能、网络引擎以及场景管理等。

本系统的构建采用了三层架构，即基础数据层（用于三维模型生成和原始数据的标准化）、三维场景层（构建静态和可编辑的三维场景）和三维应用层（在各平台实现最终的三维应用）。

2 开发过程

2.1 数据采集

图1 三层架构

在机组大修期间对现场设备进行扫描和拍照，由于设备处于解体状态，可采集到设备内部结构的尺寸，为高精度还原三维模型提供可靠的依据。收集设备的图纸和文档，作为建模的辅助材料：图纸。设备的组装图、说明书；文档。需要在三维平台中体现的作业指导书、检修规程、检修记录、运行规程等文档资料；图片。根据现场真实作业过程或者摆拍方式采集三维作业指导需要的照片，主要包括现场景观、环境布置、设备外观、工器具、备品备件等；视频。根据现场真实作业过程或者摆拍方式，录制三维作业指导需要的视频；模型。设备厂家、设计院提供的三维设计模型。

2.2 场景构建

场景构建主要包括模型状态预制和交互功能实现两项工作：模型状态预制是为了方便后续的培训内容制作，将设备零部件的连接关系、物理属性、预制动作进行配置；交互功能通过用户界面来实现，其设计思路遵循简洁和明了、合理利用空间、最大化整合业务功能。

2.3 培训内容配置

基于零部件级静态模型构建场景，由专工编写或审核检修脚本,综合利用特效、动画、语音,以三维方式展示设备原理和检修过程。检修过程需要配置的主要内容有：检修阶段划分、步骤序号和结构、步骤标题、步骤描述、质监点位置、关联文件等内容。典型故障需要先对表现的内容进行案例设计，必要时先补充案例所需的模型，然后进行标准配置，其主要内容有故障现象、故障原因、预防及处理、关联动作等。题库的配置分为排序题和选择题两类，排序题直接继承检修过程的内容无需额外配置，选择题的配置内容包括题干、选项、正确答案、关联动作等。

2.4 多版本开发

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)：用计算机创造以假乱真的世界。结合多领域前沿技术（计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术、人工智能技术等），借助适当装备，通过模拟人体感官的方式（三维视觉、听觉、触觉等），创造出完全脱离现实的世界并与其进行体验和交互。本项目选取HTC VIVE 作为虚拟现实硬件设备。移动APP 版可在手机上运行本系统，通过触屏完成各项三维操作，通过手机版查询设备结构、检修流程以及相关联的文档，可不受办公环境的限制，方便在现场使用和查询。

本系统总共发布了四个版本，用户可根据自身需求选择最合适的版本使用。不同版本之间共享模型和场景数据，当有新内容需要更新时只需进行一些用户界面适配、发布参数配置等修改工作，降低了维护成本：客户端版。系统兼容和稳定性较好，画质最佳、运行速度最佳；网页版。使用前无需安装，无需手动进行版本更新；移动APP 版。启动和使用方便，可在生产现场使用，不受场地限制；VR 版。沉浸感好，操作拟真性强。

2.5 系统扩展性

本系统在建设时考虑了输出三维数字资产的需求，因此在模型格式、脚本化配置、多平台发布等方面均考虑了二次开发功能，可为以后智能电厂（数字电厂）打下基础，后期可扩展的三维高级应用功能包括三维+故障诊断、三维+零部件采购、三维+台账管理、三维+模拟检修、三维+状态监测等。

3 结语

通过多平台三维可视化培训系统，检修人员的检修技能提升后可以对检修质量和日常维护起到促进和提升作用，在机组正常运行时定期开展检修培训，在机组检修时提升工作效率和检修质量，机组检修质量得到了保证，设备安全有了保证，实现机组安全满发稳发，从而获得最大的经济效益。多平台版本的开发，使用同一套三维模型作为基础数据，可有效节约开发成本，同时发挥各平台在培训中的优势。