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面向水电站设备检修的虚拟仿真及自动规划方法研究与实践

李佰霖  
【摘要】:检修在维持水电站设备安全、稳定、高效运行中起到了重要的作用。设备检修质量依赖于检修工程师对检修任务的处理能力。设备检修数字化是提高检修人员设备检修综合能力的基础,为检修人员的知识学习、检修操作训练和现场检修辅助的支持提供更加便捷的途径。水电站设备检修是三维空间中进行的拆解零部件和处理的一系列过程性活动,进行标准化的可视化表达难度大;同时,由于人检修操作的不确定性,导致在虚拟环境中构建物理设备和系统的可视化仿真模型困难;且水电站设备零部件多,增加了计算机自动计算设备检修拆解序列的复杂度,限制了对设备检修自动支持的能力。因此,研究水电站设备检修数字化的关键技术、理论和方法,构建设备虚拟检修系统,对提升水电站设备维护水平具有重要工程应用价值。在水电站设备检修数字化中,传统的二维动画或者三维过程模拟方法,缺乏人机互动,制约了用户的主动参与,为此本文深入研究了交互检修仿真环境的构建方法;同时,为了提高检修自动支持能力,进一步开展了设备检修拆解序列自动规划问题研究,探索更优的拆解序列求解方法;另外,为了全面掌握设备及其组成系统的运行过程,开展了设备系统的多工况运行过程的可视化仿真研究。最后,在水电站设备检修数字化技术的基础上,开展了虚拟检修应用实践。论文的主要工作及创新性成果如下:(1)研究了设备虚拟检修的数字化方法。首先,针对水电站设备虚拟检修的要求,提出并建立了水电站设备虚拟检修的三维数字化框架,为水电站设备检修学习、培训、支持中的三维数字化确定了基本技术路线。其次,提出了从几何结构、约束关系、检修知识、检修任务、检修过程、检修记录等方面构建水电站设备检修数字信息化的方法。然后,提出了基于层次分析法和模糊综合评价方法,对人员的检修综合素质进行评价,从基础知识、操作熟练度和操作完成度三个方面建立了评价指标体系。最后,研究了设备虚拟检修数据管理方法,为开展设备检修的自动规划、三维可视化仿真和数字化服务奠定了基础。(2)针对检修人员主动参与学习的需求,在设备检修数字化的基础上,开展了交互式检修训练仿真环境的构建方法研究。首先,建立了实际检修操作中人、工具、零部件之间的作用关系模型,制定了从零部件逐步组建设备环境的策略。其次,提出了交互式虚拟元件的概念和构建方法,较好解决了包含复杂作用关系和操作过程的设备检修交互仿真环境的构建。该方法避免了复杂的分析,提高了仿真零部件的重复利用率。应用实例可知,只需要通过对13类零部件仿真即可实现对水轮机导轴承设备全部197个零部件交互仿真,验证了该方法的有效性。(3)为了实现水电站设备检修作业指导自动化,开展了水电站设备检修拆解序列规划问题研究。首先,根据设备的实际拆解过程,制定了分组规划的策略以降低规划计算复杂度。其次,明确目标拆解序列,在拆解序列评价的目标函数中引入空间移动代价。然后,提出了TBGA方法求解拆解序列,引入多团队竞争和更新机制到遗传算法中,提高全局寻优能力;采用优先保护交叉、多点启发变异和往返优化算子相结合的方式,强化局部寻优能力和速度,同时抑制算法陷入局部最优序列。试验结果表明提出的TBGA在拆解序列规划中,用了不到其它算法25%的时间得到了更优的拆解方案。(4)研究了典型设备系统的多运行工况的可视化仿真方法。提出了基于设备系统动态仿真模型和基于有限状态机模型驱动的水电站设备系统的多工况运行三维可视化仿真方法。研究了通用的动态仿真模型结构,实现了正常运行、任务执行、人为操作、设备故障等多种工况的综合。通过进水阀控制油系统的实例建模,在虚拟环境中实现了系统的正常运行、开关进水阀、人工启停设备、有泵效率下降和油路外漏等故障的可视化动态仿真,验证了提出的可视化仿真方法的有效性。(5)开展了服务于水电站的设备虚拟检修应用实践。对水电站设备虚拟检修系统结构、功能和数据组织进行了设计,并通过设备检修基础知识学习、检修技能交互训练、三维可视化的检修作业指导以及人员检修知识的考核,验证了本课题研究的可行性和实用性。


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