文/吴超 何曼 毛依鸣

水轮机进水阀拆装项目包括阀体、活门与阀轴、密封环、阀轴轴承、差压计、旁通阀及管路、主阀伸缩节、上、下连接管、差压计、阀后排水阀、空气阀、液压站、电气控制系统的安装及调试等步骤。其拆装过程复杂、安全及质量要求高，如何让缺乏经验的新员工快速掌握水轮机进水阀的结构及工作原理，熟悉进水阀拆装流程显得尤为重要。

增强现实(AR)技术是把计算机生成的虚拟信息合成到用户看到的真实世界中，是真实世界与虚拟物体实时叠加到统一时空同时存在的一种技术。

本研究基于增强现实技术提出的这种水轮机进水阀拆装训练方法，使操作人员能够利用HoloLens 头盔对机组进水阀的虚拟模型进行拆装训练，从而使训练人员能够熟练掌握机组进水阀的拆装流程。

1 现状分析

水电站的维护和技改时间跨度较大，如机组进水阀检修密封、检修旁阀等设备，投运后20年几乎不曾进行拆装和维护，导致水电厂中的新员工既不能直观的对实体设备的内部构成进行考察学习，又无法对机组进水阀等设备拆装的实际操作进行模拟训练，学习效果大大受限。并且一旦出现机组进水阀等设备因故障需要拆装或更换的情况时，操作人员缺乏实操经验，无法确保能正确、熟练的完成其更换流程，会导致一定的安全隐患。因此，水电站操作及检修岗位需要一种能够使新员工能迅速、熟练掌握机组进水阀拆卸流程的训练方法。

图1：实施步骤

2 解决方案

针对以上存在的问题，本研究提出了一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，具体步骤如图1所示。

与现有技术相比，本训练方法中操作人员的拆装流程均通过虚拟模型完成，无需接触实体设备，从而有效提高了该训练流程的安全性，避免因操作失误造成的损伤；通过在实际场景的基础上进行识别显示出虚拟模型的外观，使操作人员能够更加直观的感受到在机组进水阀安装现场完成拆装流程的场景，提高实际体验和训练效果；并且这种环境识别的展现方式还可以使模型均能够出现在正确的位置上，不会随操作人员的位置或朝向出现变化；而当操作人员中途离开拆装现场再返回后，所有拆装模型也能够处于相同位置，提高了本训练方法的真实性和感官体验。

此外，本研究在建立虚拟模型时通过手动模式进行UV 的展开和映射，可以有效提升虚拟模型的光影效果，使模型和拆卸动画的效果更加真实立体；通过将实际场景中的机组进水阀模型作为UI 坐标参考系，可以有效减少操作人员在拆装训练时出现UI穿透模型的问题，进一步提高本训练方法的感官体验；操作人员在拆装训练中还可以通过交互界面观看下一步的拆装动画，从而进一步提高操作人员的训练效果和操作熟练度。

3 实施方案

前述步骤1 中训练所需的模型和动作动画的具体建立方法包括以下步骤：

（1）通过三维软件建立机组进水阀和拆卸设备的虚拟模型和拆卸动画，然后根据HoloLens 硬件的特性将该模型和动画导入3dsMax 中进行减面优化和重新拓扑，并对带有拆卸动画的机组进水阀模型进行骨骼绑定，得A1 模型；

（2）在3dsMax 中建立操作人员的虚拟模型，然后对该虚拟模型进行骨骼绑定，得A2 模型；

（3）将A1 模型和A2 模型依次导入至unity3d 平台中，然后调整A1 中机组进水阀模型在unity3d 中的空间位置，得A3 模型；

（4）根据机组进水阀和拆卸设备的外形制作纹理贴图并导入至unity3d 中，然后通过编写shader 调整A3 模型的显示效果，得A 品。

前述步骤2 的具体步骤为：使用HoloLens 扫描机组进水阀的安装现场，然后对扫描得到的深度图进行实时分析，得到深度图；再利用VSLAM(Visual Simultaneous Localization And Mapping)对深度图进行分析，然后根据分析结果对安装现场进行三维重建，得到三维场景特征；再根据重建后的三维场景特征与A 品中的机组进水阀模型进行特征比对，实现对实际场景进行空间识别，得B 品。

前述步骤3 中交互界面在UI 布局时以实际场景中检测到的机组进水阀模型作为UI 坐标参考系。

前述步骤4 中操作人员的具体训练方法为：操作人员佩戴HoloLens 头盔后进入机组进水阀拆装现场，使HoloLens 头盔能够对现场进行识别，并显示出与实际场景对应的虚拟模型；再通过训练平台的交互界面进入操作，通过手势触发模型和动作动画，完成对机组进水阀的拆装训练。

4 应用实践

本培训方法在系统开发时，设计的结构及功能如图2所示。

在应用过程中，用户先佩戴HoloLens 头盔进入训练平台，并通过交互界面进入操作。进入操作后，HoloLens 头盔通过自带的摄像头扫描安装现场，通过三维数据采集特征来识别出安装现场中与数据库模型对应的机组进水阀和拆卸设备，并将虚拟模型的图像叠加在真实设备上，实现AR 场景搭建。

多人同时到达拆装现场后，开始多人协作时。首先每个作业人员可以通过“Bloom 手势”(也就是俗称的开花手势)打开系统菜单，通过注视和空中点击选择并打开多人协同程序。通过工作设置的悬浮菜单，选择整体操作项目，完成后注视选择“预备”状态按钮后，自动接入网络。如果此时还有其他人和此人一起工作，那么此工作人员在视野里可以看到其他人员的工作状态与进度。开始工作时，工作人员可以任意选取适合自己的工作步骤来配合其他人一起完成任务。凡是位于同一网络，拆装同一设备的工作人员，其实时工作信息随着他选择步骤提示导引。完成后切换其他步骤之类的信息都将被服务器获取并实时广播到其他协同人员。实现多人同步进行拆装工作，并且利用HoloLens 的全息影像指导每个步骤每个分项的操作，直至合作完成整个操作过程。通过目视同事的工作位置即可了解其他人工作的进度信息，达到传统作业无法企及的便利，精确，和效率。

5 结语

图2：系统结构图

本研究通过这种基于增强现实的水轮机组进水阀拆装训练方法，解决了传统培训模式下，参与培训人员只能进行理论知识的学习；不能对拆装、检修流程做仿真模拟训练的问题。基于增强现实的培训方法，能搭建抽象概念和实践操作之间的认知桥梁，AR 教学的可视化仿真技术可以让参训人员在不拆卸真实设备的情况下也能查看机组内部结构与状态，其交互技术也使得学员能够在虚拟场景模拟机组拆装流程，实现了认知、技术、应用三个层面的学习，能够使操作人员快速、熟练地掌握机组进水阀的拆卸流程，安全性高、训练效果好，具有极强的推广价值。