（福建水口发电集团有限公司 福建福州 350004）
摘要：论文在分析升船机三维仿真培训需求的基础上，提出了基于WEB3D技术的升船机三维仿真培训系统，利用3Dmax进行第三方建模，采用Balder3D技术进行模型的二次开发导入，借助silverlight5进行三维场景的承载，结合ASP.NET平台实现了升船机三维仿真培训系统的开发，参考升船机系统故障树及其建树的方法，利用XAML逐级建立升船机系统故障树，实现了故障仿真，实际运行验证了系统的可行性和先进性。
关键词：升船机；故障树；运行仿真；故障仿真
1 引言
福建水口水电站2×500t级垂直升船机是国内首座大型湿运全平衡钢丝绳卷扬式垂直升船机，也是目前我国已建成的投运规模最大的垂直升船机，与相邻的一线三阶水口船闸一道承担闽江永久通航任务。水口升船机系统结构日趋复杂，这对升船机系统运行和维护等相关技术人员提出了更高的要求和标准。其自动化程度不断提高，迫切需要有一种现代化培训方式，让升船机运行维护和检修人员对升船机有一个全面、有效和系统的认知。以往的升船机运行人员的培训多半采取师傅教徒弟的传统培训方式，不利于运行人员自学和实时演练。国内外大量专家学者针对这一问题开展了大量的工作[1~4]，但真正用到生产实际的并不多，因此，开发一个高质量、便捷实用、沉浸感强、交互性好的升船机数字化仿真仿真系统势在必行。
本文结合福建水口发电集团公司升船机和虚拟现实技术，使用3dsMax建模，开发水力机械设备——运行和故障仿真系统，实践验证了本方案的可行性。
2系统设计
升船机运行和故障仿真系统在.NET框架下，以B/S结构的形式开发，借助Web服务器支持其运行。对于运行仿真，主要实现现地操作、现地液压系统、电气系统和升船机场景的二维或三维仿真，逻辑计算利用程序后台进行控制；对于故障仿真，结合故障树分析方法，将升船机运行过程中可能出现的故障集中建立故障树，并在程序中建立对应的模块，给出相应的解决方案。系统框架图如图1所示：
Fig.1 Frame of ship lift operation and Fault Simulation System
系统开发在.NET平台下采用面向对象开发语言C#进行后台开发，设计合理的数据结构进行信息的统计与传递。采用silverlight5与XAML进行对应的前台交互页面的设计；借助3DsMax完成3D模型与场景的绘制；利用Blend5结合Silverlight5实现某些局部设备（如撑紧）、现地液压系统、电气系统模型的绘制；采用Balder3D并结合silverlight5进行模型和场景的导入，在ASP.NET上进行模型与场景的承载，实现在Internet（局域网/广域网）上的信息共享与逻辑控制。具体实现方法如图2：
3 系统关键技术
3.1 Silverlight5
Silverlight是微软公司全力打造的一种跨平台、跨浏览器的富交互（RIA） 新技术，Silverlight给用户提供了一个强大的可以开发出具有专业图形、音频和视频的Web应用程序的平台。它将XAML语言作为前台界面编辑语言，以C#为后台编辑语言。XAML语言通过其易于扩展和定位的特点，实现与后台程序逻辑分离的用户界面的定义，C#则是一种简单、稳定、通用的，面向对象的编辑语言。这样，后台程序开发人员和前台界面设计人员可分别负责后台层序代码的编写和前台界面的设计，加强设计人员和开发人员的协作性，最大限度发挥各自的专长。
3.2 Blend5+Silverlight5
微软公司在推出Silverlight的同时，也推出了Silverlight的开发平台Expression Blend，在这个开发环境中色彩设计、动画设计、2D和3D图形的展示显得非常方便，用户几乎可以不用写代码就可以设计丰富界面项目。
Fig.2 Implementation of ship lift operation and fault simulation system
3.3 Balder3D+Silverlight5
Balder是一款开源的3D图形引擎。它支持Silverlight，Windows Phone7，XNA和OpenGL。本系统使用Balder+Silverlight5构建3D虚拟场景。3D模型导入虚拟场景的逻辑如图3所示：
Fig.3 Logic diagram of 3D model into the virtual scene
3.4 Balder Matrix 三维动画
在3D世界中，大部分3D模型的动作均是通过三维几何变换矩阵来实现的，Balder3D中Matrix矩阵类提供了旋转、平移、缩放三种矩阵运算，将模型的位移坐标、旋转角度或者是缩放比例转换成矩阵，进行矩阵乘法运算即可实现对应的动作。对于复杂的运动，无非是将几种矩阵运算结合起来，每次矩阵运算都要计算模型的每个基元，因此为了减少程序计算量，加快模型的绘制过程，可以事先将转换矩阵进行合并，配合灯光，摄像机，即可实现动画效果。
4 系统实现
基于以上设计理念，本文开发了升船机运行与故障仿真系统。系统主要分为运行仿真和故障仿真两部分，运行仿真一方面体现了升船机的操作规程以及控制原理，另一方面又展现升船机的结构、关键技术以及相关参数的动态变化。运行仿真功能实现了各系统手动操作仿真、单步操作结构场景展示、关键经技术参数的动态仿真、操作流程的逻辑处理、电气信号及信号状态的动态仿真、部分电气、油路、阀门状态的动态仿真。如图4为现地操作屏仿真图。
Fig.4 Simulation diagram of local operation control panel
故障仿真主要是为了让升船机运行管理人员对升船机系统各部分的故障以及相应的维修处理措施有一个全面而系统的认识，并当升船机系统发生故障时，运行管理人员可以通过该仿真系统对故障的定位及维修措施得到提示。
5 总结与展望
本文设计开发的升船机运行和故障仿真系统实现了升船机各子系统操作流程的仿真和常见故障的模拟，通过实际使用，验证了系统的可行性和实用性，大大提高了培训效果，得到了用户的好评。同时，在仿真系统开发的过程中，由于时间和技术方面的原因，没有把运行仿真和故障仿真集成起来，故障仿真的实现也相对比较单一，这是以后要努力的方向。
参考文献：
[1]李月莲，张琛. 长江三峡升船机运行状态故障诊断[J]. 上海交通大学学报，1997，31（11）：149-154.
[2]尹鹏吉，沈恺，张圣坤. 虚拟现实技术在三峡升船机仿真中的应用[J]. 计算机工程，28（11）：131-133.
[3]王平. 三峡升船机动态仿真模型的建立[J]. 兵工自动化，（2）：33-37.
[4]邓杰，王万鹏，刘娟. 三峡升船机设计仿真[J]. 水利水电技术，2007，38（11）：59-62.
收稿日期：
作者简介：
庄明（1969-），男，福建福州人，高级工程师，从事水电站生产技术管理工作。
论文作者:庄明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/10
标签：机运论文; 系统论文; 故障论文; 水口论文; 矩阵论文; 模型论文; 现地论文; 《电力设备》2017年第1期论文;