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混合現實技術下火電廠運維指導系統的架構與實現

時間:2020-09-04 09:42作者:葉浩宇 陳藝芬
本文導讀:這是一篇關于混合現實技術下火電廠運維指導系統的架構與實現的文章,火電廠的檢修設備種類繁多,兩次檢修的間隔時間較長,且工作人員缺乏定期的檢修培訓。檢修工作存在設備檢修周期長、檢修任務重的特點,也容易出現由于操作不熟練導致的人因失誤。

  摘    要: 基于混合現實(MR)技術,設計并開發了現場指導與遠端培訓功能于一體的火電廠運維指導系統。概述了系統的總體架構和實施方案,介紹了現場指導和遠端培訓功能模塊,分析了大規模應用產生的經濟效益。

  關鍵詞: 混合現實; 火電; 運行與維護;

  0 、引言

  火電在我國能源結構中仍占據著不可或缺的重要地位[1],常規的設備檢修是保證火電廠安全運行的重要保證[2]。但是火電廠的檢修設備種類繁多,兩次檢修的間隔時間較長,且工作人員缺乏定期的檢修培訓。檢修工作存在設備檢修周期長、檢修任務重的特點,也容易出現由于操作不熟練導致的人因失誤。

  近年來,國內外研究者將虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)技術與火電技術相結合,生成了逼真的虛擬火電廠[3,4]。但是,VR技術存在模擬空間受限、人機交互體驗與現實環境匹配度不夠和無法為工作人員提供現場指導等方面的不足[5,6]。針對以上研究背景,本文基于混合現實(Mixed Reality,簡稱MR)技術[7,8],設計并開發了具備現場指導與遠端培訓功能于一體的火電廠運維指導系統。
 

混合現實技術下火電廠運維指導系統的架構與實現
 

  1 、系統總體架構概述

  火電廠運維指導系統將MR技術與火電廠作業現場相結合,借助混合現實眼鏡HoloLens生成虛實結合的可視化操作環境。圖1為火電廠運維指導系統的總體構架圖。整個系統由后端、中端和前端3個部分組成。

  圖1 火電廠運維指導系統總體構架圖
圖1 火電廠運維指導系統總體構架圖

  1.1、 后端數據管理層

  后端數據管理層分為基本數據庫和故障信息庫:基本數據庫可同步儲存設備信息、工作臺賬、操作手冊、物料清單和歷史操作等信息,并可供前端人機交互層調用和查看;數據管理層作為整個系統的管理平臺,充當系統數據庫,同時還能接收來自前端人機交互層輸入的操作信號,在進行相應的數學運算、邏輯控制等操作后,將響應結果反饋至前端。

  1.2 、中端系統開發層

  中端管理層以微型計算機為硬件平臺,借助3D Max、Unity3D及Microsoft Visual Studio等軟件進行開發。使用3D Max對系統設備進行三維建模,然后依托Unity3D軟件,實現模型植入和人機交互界面的設計,建立設備維修的全息場景。Unity3D軟件還能實現前端模型層與中端管理層的連接。設備模型與管理層儲存的數據和指令存在一一對應的關系,通過命令調用便可以實現前端物理模型、數學模型以及設備相關信息的動態和靜態顯示。結合前端交互工具,實現圖像信息識別、現場維修指導、多人協同操作和遠程專家指導等關鍵技術和功能。

  1.3 、前端人機交互層

  前端人機交互層基于MR技術,利用HoloLens眼鏡實現虛擬與現實場景的融合,完成人機交互功能。HoloLens眼鏡是微軟公司開發的一種MR頭戴式顯示設備,也是微軟首個不受線纜限制的全息計算機設備。將虛擬火電廠的3D模型封裝成程序包植入HoloLens眼鏡中,便可以實現運維人員與數字化火電廠的交互,和置于真實環境中的虛擬火電設備進行互動。

  2、 系統實施方案

  2.1 、后端數據管理層的實現

  通過整理火電廠設備相關資料和相關維修手冊,可以生成適配特定設備的維修指導方案。在進行運維指導系統的開發時,需要將生成的維修指導方案存儲到信息數據庫中,并利用PHP腳本實現與Unity3D軟件的數據通信[9]。

  (1)數據庫的建立。后端數據庫的建立主要借助數據庫管理軟件實現;緮祿䦷熘邪嗽O備維修過程的風險分析和預防措施、所需工具儀表、材料、備件、維修工序和步驟等信息。在進行數據管理時只需將分類整理好的各個基本信息分別儲存在數據庫的各個表之中,便可供中端系統開發層及前端人機交互層調用。

  (2)數據的調用。中端可以向后端發出相應的指令,并調用數據庫中的數據信息。數據的通訊過程如圖2所示,底層是由數據庫管理系統(Database Management System,簡稱DBMS)組成的數據庫層,數據庫層中包含用戶所有可能用到的運維相關數據。

  圖2 數據通訊流程圖
圖2 數據通訊流程圖

  數據庫層上面是復雜的中間層,中間層包含邏輯關系和相關應用語句。該層用于數據通信,是數據庫層和客戶層之間的通訊樞紐,其組件包括Web服務器、Web腳本編程語言和腳本編程語言引擎。在系統開發過程中使用Apache HTTP Server處理HTTP的請求并做出響應,使用PHP作為中間層的腳本編程語言。

  頂層的客戶層為HoloLens眼鏡。通過預先植入眼鏡的C#腳本可以在線訪問中間層的PHP腳本,從而調用數據庫層的相關數據,該層也是系統從外界采集信息的端口。

  2.2 、中端系統開發層的實現

  (1)三維模型的建立與植入。借助3D Max建立火電廠相關設備的三維模型,盡可能地構建設備的外觀細節,使模型具有逼真的視覺效果,以滿足運維和培訓等各方面的應用需求。

  使用Unity3D將搭建好的模型進一步處理,構建控制3D模型的相關C#指令,并將模型和指令進行封裝,將封裝后的程序包植入HoloLens眼鏡中。此外,Unity3D軟件還可以實現與HoloLens眼鏡的在線連接,并進行相應的數據傳輸。

  (2)維修規程動畫化。借助Unity3D軟件的Animation和Animator控制器,結合設備的維修規程、操作提醒、工具信息等虛擬文字及音視頻資源可以生成維修流程的指導動畫。Unity3D軟件中的Animation組件可以對需要的動畫進行編輯與整合,并利用C#腳本對需要的動畫進行控制。Animator組件則可用于控制動畫的播放、設置以及動畫中參數的抓取。Animator組件還具備一個動畫狀態機,該狀態機可以利用Float、Int、Bool、Trigger這4種參數完成多個動畫之間的相互切換。

  (3)人機交互設計;痣姀S運維指導系統最終將發布在HoloLens設備上運行,所以相關應用的開發必須符合HoloLens設備的開發標準。使用HoloToolkit-Unity混合現實設備軟件開發工具包進行MR應用的開發。系統人機交互的設計還需要遵循人因工程設計原則,可以通過“凝視”、“手勢識別”和“語音控制”等方式輸入指令:

  “凝視”功能是用戶通過佩戴HoloLens眼鏡,使用眼鏡發出和接收射線實現的。在Unity3D中,使用眼鏡的主攝像機替代佩戴者視線的方位及朝向。使用UnityEngine中的Camera main.transform.forward和Camera.main.transform.position調用Physics.RayCast程序發出射線并接收射線投影信息得到RaycastHit結果,該結果包含了射線碰撞點的3D位置參數和碰撞對象。

  “手勢識別”借助HoloToolkit-Unity中的高級API,通過創建SourceKind輸入源事件來實現手勢的識別。微軟公司已經發布了多個HoloLens設備可用的預設事件,在“手勢識別”功能的開發過程中,也可以借助系統預設事件GestureRecognizer來輔助開發。

  “語音控制”通過在Unity3D設定關鍵詞和響應動作來實現,關鍵詞與響應動作具有一對一對應的關系。當用戶說出關鍵詞時就會觸發系統中特定對象的預設動作。在系統開發過程中主要用到UnityEngine.Windows.Speech命名空間以及PhraseRecognizedEventArgs,KeywordRecognizer,SpeechSystemStatus等預設類。

  2.3 、前端人機交互層的實現

  (1)從Unity3D到HoloLens的實現。在完成中端系統開發層之后,便可以將Unity3D軟件中建立的火電廠運維指導系統發布到Windows通用應用平臺,借助Visual Studio軟件進行編譯,最后將系統以APP的形式部署到HoloLens設備中。最終在Hololens眼鏡中呈現的效果如圖3所示。

  圖3 人機交互界面
圖3 人機交互界面

  (2)信息反饋及生成工作報表。在人機交互層中還留有信息輸入的接口,可以根據實際的維修情況將相應的維修信息反饋至系統后端的故障信息庫中。其工作流程如圖4所示,在前端人機交互層錄入所需信息后系統通過調用相關的C#腳本訪問PHP文件,從而利用PHP的相關指令將該信息儲存至后端的數據庫中。

  圖4 信息反饋工作原理圖
圖4 信息反饋工作原理圖

  3、 系統的功能模塊

  3.1 、現場指導功能

  現場指導功能是指維修人員佩戴HoloLens眼鏡,在檢修現場直接對檢修工作的具體內容進行指導,提高檢修工作效率,降低人因失誤風險。具體包括以下2方面內容:

  (1)準備工作提醒。在檢修工作開始前,系統會通過HoloLens眼鏡向檢修人員提示即將要檢修的設備信息,如:設備是否已從系統中隔離、現場通風照明情況、檢修現場是否布置完好等。同時,系統還會提示檢修工作所需的工具、備件和材料等信息。

  (2)操作規程提醒。到達現場后,通過HoloLens眼鏡凝視物體,系統會自動識別眼前的設備,并匹配顯示對應的虛擬三維設備信息和運行曲線。在檢修操作過程中,眼鏡上會以動畫(或視頻)、語音和文字相結合的方式分步展示操作規程。維修人員可以在虛實結合的操作環境中,依照操作規程逐步完成檢修操作。

  3.2 、遠端培訓功能

  遠端培訓模塊提供了火電廠全范圍仿真機的全部功能,能夠模擬火電廠全生命周期內的所有工況。根據不同工況以及不同工作需求,建立相對應的三維虛擬模型包,供火電廠工作人員有針對性地進行培訓。培訓模塊高度還原了各個火電廠工作崗位的作業現場及作業內容,提供三維全息工作環境。除了執行前的準備工作及相關工具提醒,在培訓過程中,系統還會展現每個工作的操作規程,并在畫面上展示所操作系統的相關運行參數曲線。

  4 、應用效益分析

  火電廠運維指導系統的現場指導功能為維修工作人員提供了詳細的準備工作提醒和操作規程提醒,能夠簡化工前準備工作,減少停機時間,提高檢修工作效率,并且提升檢修工作的安全性和可靠性。遠端培訓模塊可以提升培訓質量,大幅縮短培訓時間,并且打破時間及空間對于火電工作人員培訓的限制,使得自主培訓、異地培訓成為可能。在培訓成本方面,火電廠運維指導系統的成本集中在前期的MR設備采購和系統模型開發,但是系統后期培訓所使用的教學耗材較少,而且能大幅度降低培訓師的人力成本,在大規模應用后可以有效降低傳統培訓成本,具有較好的經濟性。

  5 、結論

  本文基于MR技術設計并開發了具備現場指導與遠端培訓功能于一體的火電廠運維指導系統。該運維指導系統的特點及經濟效益在于:

  (1)將火電廠檢修工作與MR技術相結合,在虛實結合的環境中演示設備檢修的操作規程動畫、相關設備參數和運行曲線,為檢修人員的運維工作提供實時指導,提高檢修工作效率,降低人因失誤風險;
  (2)系統能夠模擬火電廠眾多工況,高度還原火電廠運行環境,為火電人員培訓提供了3D可視化動畫演示功能,能夠有效提高人員的培訓效率,打破培訓工作的時空限制。

  參考文獻

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  [3] 王曉亮,宋東輝,王曉光.基于虛擬現實技術的火力發電廠仿真系統的開發[J].課程教育研究,2017,3:21-23.
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  [5] 魯馨.增強現實(AR)、虛擬現實(VR)和混合現實(MR)技術[J].辦公自動化,2018,23(10):36-38.
  [6] 郝英好.人機交互新模式,VR/AR/MR產業開始形成[J].新型工業化,2016,6(8):65-70.
  [7] Microsoft.What is mixed reality?[EB/OL].[2018-03-21].https://docs.microsoft.com/en-za/windows/mixed-reality/mixed-reality.
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  [9] WELLING L,THOMSON L. PHP and MySQL Web development[M].Boston:Addison-Wesley,2001.

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