水电机组设备结构学习培训系统的应用

本文是机械工程论文，该培训系统具有简洁易学的操作方式，丰富自由的交互功能和逼真的现场情景再现体验。相比较传统培训模式，交互式的虚拟培训方式降低了学习成本且提高了学习效率，没有安全隐患，不受工期、地点、人数的限制，具有巨大的优势，也是相关行业发展的趋势。本文主要完成的工作成果如下：（1）分析了水利发电行业的发展和培训的现状，提出开发水电机组设备结构学习培训系统，根据实际情况设计了用户需求的交互功能。（2）以某水电厂水轮机为样本，使用UG12建模软件建立了水轮机的三维几何模型，通过探索和试验后，最终利用3DMax软件作为中间转换软件，选定了一种高效的、合适的模型文件格式转换方式，最终把模型文件导入Unity3D开发引擎进行后续的开发。（3）为了方便用户操作使用，对系统的资源做了必要的优化和整合，一方面提升了培训系统的画面质量和运算效率，增强用户的操作体验；另一方面减少了用户计算机的内存占用、提升程序性能，避免用户因计算机硬件配置不足的问题无法使用学习培训系统。（5）完成全部功能和需求后，将工程打包发布成可执行的.exe文件。为了让用户在使用水电机组设备机构学习培训系统时，获得最真实的沉浸式操作感受，故选择体验感受更好的第一人称视角来实现漫游交互。用户通过控制角色以第一人称的视角漫游整个厂区，自由交互厂区中的水电机组设备.角色的行动需要角色控制器组件来实现，角色控制器是Unity3D软件自身具有的一个组件，利用该组件可以降低开发工作量、减少开发难度。

1绪论

本论文严格遵守培训类系统的开发流程，首先调查了现有的水电厂培训方面存在的问题以及培训人员的需求，重点学习了水轮机日常运行工作所需的重要设备及其结构，其次针对水电厂的员工培训计划，设想如何将虚拟现实技术与水电机组设备结构学习培训相结合，并设计相应功能模块，达成以下优势：（1）虚拟现实学习培训系统应基于云峰电厂现场设备的设计图纸，利用三维建模直观、真实的展示设备结构，加入详细的设备铭牌以及参数信息，搭配动画效果可以全方位展示模型各个部件，方便培训人员学习设备结构以及获取设备信息，提高培训效率。（2）虚拟现实培训方式和以前的传统培训方式相比，具有很多优点：投入较低研发的成本即可投入运行，系统维护方便快捷，并且具有很高的安全性。传统的培训方式往往受限于场地与安全性等因素，时间和资金等投入较多，而且某些危险、不便观察的区域学员无法涉足，大大降低了培训体验与效率。在虚拟现实培训中，培训人员只需要使用个人计算机，就可以自由选择想要了解学习的设备及相关区域，不受场地和机组运行的约束，避免了传统方法造成的安全隐患及限制。（3）虚拟现实培训方式可以对设备的构造进行全方位的、系统性的学习，传统培训方式只能让培训学员凭想象在脑海中构建立体图像，很难做到系统性学习。

全国电力装机结构

2交互式虚拟培训系统的整体设计

2.1系统整体框架

水电机组设备结构学习培训系统采用UG12为水轮机建模工具，Unity3D为开发平台，脚本汇编语言选择Unity官方推荐的C#，模型数据和脚本数据均存储在计算机本地，通过数据库访问设备属性及其他信息，最终实现第一人称视角漫游的交互式水电机组设备结构学习培训系统。系统整体层次框架图，如图2-1所示。水电机组设备结构学习培训系统是一套桌面式VR系统，这套系统以个人电脑为核心、键盘鼠标等外围设备为辅助。培训人员只需要通过个人电脑等基础设备使用该系统，就能达到虚拟交互的目的。这套系统前期研发投入成本较低，能快速培训员工、深化员工能力，因此应用价值较为广泛。除此之外，学习培训系统的后期升级、维护也极为便利[21]。对于模型的尺寸精度也要精准一点，一方面增加还原度，给人更真实的操作体验；另一方面如果有机会继续向下研发，模型精准可以方便后续二次开发，比如流场的测算等。计算机建模技术发展迅速，三维建模软件种类越来越多，每一款软件的技术特点和侧重点都不同。根据本课题所研发系统的要求及工具自身特点，通过综合比较，选择UG12作为三维建模的软件。UG系列是德国西门子公司开发的一个交互式CAD/CAE/CAM软件，在该领域是全球使用范围最广泛的软件之一。水电机组设备结构学习培训系统在场景和模型上有一个基础要求，就是尽可能的还原现场真实的情况，这样才能使用户产生身临其境的感受。它具有强大的功能，使用户可以轻松构建各种复杂实体及模型。

主视角相机参数

2.2系统功能设计

本文设计并研发了一个具有交互功能的虚拟现实学习培训系统，系统中构建了一个虚拟的水电厂场景，培训者可以以第一人称视角在虚拟水电厂中漫游，仿佛置身其中，在漫游时可随时对重要设备进行属性查询、交互操作、反转查看、由用户更改保存的设备信息等。系统的人机交互界面简称为UI界面，用户可以通过鼠标键盘等在UI界面上进行交互操作。系统在UI功能上设置视角切换和设备属性查询等功能。除此之外，还应该对系统提出一些具体要求，比如在操作过程中应保证界面简单明了，交互操作方式应该适应培训人员平时的操作习惯并且方便操作[22]。如表2-1所示。当然在系统可以实现以上功能的同时，还应能保证运行良好。开发平台上本文选择Unity3D平台，Unity3D是一款经典的虚拟现实开发引擎，不仅操作简单、通俗易懂、使用灵活，而且相比较于其他平台，Unity3D更适合虚拟现实的初学者使用。使用该平台需要在其他软件上完成三维模型的制作和渲染，然后将模型文件导入Unity3D中，通过内置的各种功能组件或编写脚本来控制这些模型，与Unity3D内置编程接口结合来实现交互功能[23]。系统开发流程如图2-2所示。UG12在业界极富盛名，并且拥有众多的忠实用户，和其他的建模软件相比，UG12具有如下优势：（1）随用户一起成长的用户界面，极大提升、保持工作效率。UG系列从UG5至UG12，用户界面均为可成长的工具界面，这种一致性可以让用户在产品更新换代后也能快速上手，不用重新学习。UG12可以定制移动式的弹出工具条，用户通过定制工具条，让系统随自己的技能水平增长而成长，极大的保持了用户的工作效率。开发人员可以利用可移动的弹出工具条把常用功能集成到一起，这样不仅可以减少鼠标的操作量，还能将复杂的操作过程简单化。

3研发工具介绍...........................................................................................................11

3.1建模工具的选择.................................................................................................11

3.2系统开发引擎.....................................................................................................12

3.3系统数据库.........................................................................................................15
4水轮机模型设计.......................................................................................................18

4.1模型零件设计.....................................................................................................18

4.2水轮机装配.........................................................................................................21

4.3模型处理.............................................................................................................22
5学习培训系统的实现...............................................................................................26

5.1视觉功能的实现.................................................................................................26

5.2UI界面的构建....................................................................................................31

5学习培训系统的实现

5.1视觉功能的实现

用户通过眼睛来获取大部分教学信息，因此合适的视觉功能，是水电机组设备结构学习培训系统的基础。为了给培训学员提供最真实的学习体验，模拟出人类在现实情景中活动的各种感受，虚拟漫游功能是必不可少的，利用该功能与虚拟环境进行交互，能够达到以假乱真的程度。视角切换是现实中无法实现的能力，而在虚拟环境中，视角切换功能将提供给用户更多的观察角度，让用户在培训过程中拥有“上帝视角”，全方位观察理解水轮机的设备和结构[30]。角色控制问题得到解决后，实现第一人称视角还需要相机组件（Camera），该组件主要是用来模拟人的视线区域，模拟人的视觉效果。如表5-2所示。因此实现第一人称漫游功能的原理很简单,首先在空间场景中建立一个三维游戏对象胶囊体（Capsule），给该胶囊体添加角色控制器，赋予其行动的能力。再将该胶囊体作为父物体，为该胶囊体添加一个相机组件作为子物体，父、子物体绑定，共同移动，以此来实现第一人称视角漫游功能。相机组件在添加过程中，要注意调整相机高度来模拟成人视角相似的视角高度。为了用户使用方便，在角色控制器的交互功能设计上，与主流输入设备键盘、鼠标搭配。鼠标控制视角的转换，键盘控制行走。该交互功能的按键及指令设计如下表5-3所示。

5.2UI界面的构建

UI界面（UserInterface）就是用户界面，培训学员利用UI与系统之间进行信息交互，使得培训学员能够方便地、有效率地去操作系统，因此在实现学习培训系统功能的同时，还要建立一套与之相配的UI交互界面。本系统用到的UGUI控件包括文本控件（Text）、图像控件（Image）和按钮控件（Button）三种。文本控件可以用来显示文本内容，也可以作为其他UI控件的标题文字，根据培训系统的需求可以通过其属性面板对文字的大小、样式等进行相应的设置。图像控件用来显示非交互式图像，常作为背景装饰、图标和图样解析等。按钮控件可以用来回应来自系统培训学员的点击操作，点击事件将会触发或者确认相关事件，在脚本中使用OnClick（）函数来关联相应的触发事件，这样就可以将学员的鼠标点击这一行为和启动某项操作结合起来。将以上几种控件联合使用就可以实现用户界面的构建，完成用户和系统间的交互。具体实现步骤如下。使用UGUI创建一个UI物体,此时画布（Canvas）就会自动创建,因此从层级上划分,画布相当于所有UI元素的父物体.与此同时,建立画布时,还有一个事件系（EventSystem）随之创建,这是一个基于Input的事件系统，可以处理各种自定义输入如键盘、触摸、鼠标等输入。画布的基本设置如下图,在渲染模（RenderMode）选项中找到ScreenSpace-Overlay选项，即让UI始终位于界面最上面部分。UI缩放模式（UIScaleMode）选择ConstantPixelSize模式，该模式会根据自带的算法来计算UI位置和尺寸，使得屏幕尺寸发生改变时，UI不会跟着改变。BlockingObjects处选择None，即当UI前面有物体时，该物体不会阻挡培训学员看到、使用UI。具体设置如图5-3所示。

6总结和建议

本文设计并实现的水电机组设备结构学习培训系统基本达到了预期的功能和目标，但由于研发时间不足，本人能力有限，仍有许多工作存在不足需要完善，主要有以下几点：（1）水轮机的三维建模工作完成度不高，没有将所有细节完全还原，很多模型细节处理不够，导致模型真实度不够，因为时间有限，只做了水轮机部分的模型来实现系统功能，没有做发电机部分的模型。（2）前期的调查工作不够，对于软件应用的学习不足，并没有全部发挥这些软件在同类软件中的优势，计算机语言编程的学习不足，导致学习培训的系统功能设计较为简单。由于个人的编程能力有限，有些交互功能无法全部实现，逻辑性也不够严谨。对于设备的研究与学习往往需要对其结构进行划分，在传统培训中，拆装设备耗时耗力，而且存在安全隐患。而虚拟现实技术的应用，轻松地化解了这个问题，培训员工可以在其中对设备进行拆解，还可以对学习的内容进行标记或存档，提高了学习效率。且传统培训中，通常要求学员集中到教室培训或到场地观摩，今年由于防疫需要，学员们齐聚一堂或者跨地区到现场参观学习会变得更不方便，大批外来学员的到来也给现场工人师傅的防疫工作带来困扰，相比之下，能够线上学习，并且即学即用的虚拟培训系统正好可以避免这一问题，也非常适合当下疫情防控常态化的学习和工作环境。

参考文献（略）