水电站厂房及设备可视化交互仿真建模方法与应用

钟登华，谷金操，佟大威

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

水电站厂房是由厂房建筑物、水轮机、发电机、变压器、开关站及其内部多种设备构成的复杂系统．其空间结构复杂，所含设备种类多样，数量繁多，信息量大，管理困难．国内外对设备可视化管理已有许多研究．近几年国外出现了很多优秀的设备管理软件，如Maximo[1]；国内也相应地开发了一系列设备可视化管理系统，如油港设备可视化维修管理系统[2]、发电厂设备基础信息可视化平台[3]等．内外的设备可视化管理系统主要是针对设备生存周期的采购、运行、维护方面的管理或将数据信息集成分析、将信息系统中的数据信息转化为图形曲线信息[4]，很少涉及设备的空间关系与设备特征，降低了设备管理效率.也有学者开发设备可视化管理系统[5]，实现了通过设备查询设备信息以及输入设备信息查询对应设备的功能，但不具备漫游、碰撞检测、听觉交互和镜面反射等真实感虚拟交互内容，也未探讨如何在复杂空间结构环境下对设备查询定位及如何突出所选设备．

传统的水利水电工程设备可视化管理方法对设备的属性数据有较好的集成分析，但仍处在对设备属性信息的管理层面，无法直观地表达设备的空间信息，且未能将设备的空间外形信息与其属性信息建立对应关系，造成设备与设备相关属性信息割裂，降低了管理效率．为此，笔者集成三维实体建模、Phong光照模型、场景漫游、碰撞检测实现了对厂房场景的交互漫游，并基于动态音频交互实现对设备运行声音的感知；基于三维查询定位、射线拾取、动态更改模型材质、数据库等关键技术，实现了通过厂房内部设备查询设备信息以及通过设备信息查询定位设备；最后结合某电站工程实例，开发了水电站厂房和设备交互仿真系统，提高了工程人员对设备管理的效率．

1 水利水电工程厂房及设备交互仿真系统分析

1.1 系统功能分析

系统具有碰撞、实时镜面反射的漫游功能．工程人员可在场景中自由漫游，与场景进行交互，较为真实地还原了厂房的真实场景．

通过设备模型实时查询设备台账．工程人员在场景漫游过程中可点选场景中的三维设备模型，系统将自动以窗口形式弹出设备模型的编号、名称、生产厂商、楼层和房间等设备模型的相关属性信息，使工程人员更加便捷地对厂房中的设备进行信息查询．

通过设备台账信息进行设备定位功能．本系统利用自定义的 GUI图形用户接口，实现了通过输入或者选择设备相关信息，如输入设备的编号、生产厂商等对设备信息进行查询，并将查询结果以列表形式显示出来，最后点击设备信息定位设备，或者通过楼层、房间号选择查询设备信息，并进行定位．

1.2 系统结构分析

系统结构分析的主要任务是划分出组成系统各物理元素的构成、联系及其定义描述．基于用户需求分析，结合工程实际情况，提出了如图 1所示的系统总体结构．

图1 系统结构示意Fig.1 Structural diagram of the system

2 厂房仿真交互场景建立

2.1 三维可视化场景建立

2.1.1 三维实体建模

系统场景所涉及的实体模型种类众多，根据其是否具有行为特性将其分为静态模型和动态模型两类.

在场景静态模型建模的过程中，依据构造方式可将其分为规则模型和非规则模型．对于规则模型如控制柜，本系统采用参数化建模[6]的思想构建，即由一系列特征参数和参数之间所满足的几何关系来构建，这种建模方法简化了建模过程，提高了建模效率．对于不规则模型，如水轮机、离心风机等，则用AutoCAD、3DS等软件依据物体的外形轮廓由基本的点、线、多边形来构建．

场景中的动态模型例如电梯，具有行为特性，需进行动态建模，采用的方法为关键帧法，即首先生成运动轨迹上的关键帧画面，然后用插值法生成中间帧画面．动态模型的建立丰富和生动了系统场景．

2.1.2 基于Phong模型的镜面反射效果

Phong光照模型[7]是三维电脑图像的绘图技巧之一，其功能是实现对镜面、金属材料等光滑物体进行真实地模拟．本文采用的Phong模型可表示为

式中：Ip为入射光源强度；kd为漫反射系数；ks为镜面反射系数；n为高光指数；L、N、H 分别为入射、法线和L与视角V半角方向的单位矢量，见图2．

图2 Phong模型各向量示意Fig.2 Schematic diagram of Phong model vectors

本系统中厂房地面等关键部位运用了此模型，可实现在交互过程中实时地观察到由地面反射的厂房效果，大大提高了系统的真实度．图 3为采用 Phong模型前后的厂房内部效果对比．

2.2 可交互场景建立

2.2.1 场景漫游

场景漫游是指用户可通过键盘或鼠标控制角色在场景中行走或飞行，实现前进(后退)、上升(下降)、左移(右移)、左转(右转)和仰视(俯视)等控制，使用户更便捷地寻找设备，或细致观察场景局部，增加用户的沉浸感．

图3 采用Phong模型前后的厂房内部效果Fig.3 Powerhouse internal effect before and after using the Phong model

本文场景漫游是通过控制视点 E1和参考点 D1之间视线向量的坐标变换来实现的[8]．通过左右平移，漫游控制数学模型如图4所示．

图4 视线平移数学模型Fig.4 Mathematical model diagram of the sight translation

图 4中，E1D1为初始视线向量；E2D2为平移后的视线向量；E1'、E2'分别为视点 E1和 E2在 XY平面上的投影；α为E1′ E2′与 X轴的夹角．当视线向量E1D1平移到 E2D2时，新的视点 E2坐标的计算公式如下：

式中 M 为视线的平移量，由键盘控制．参考点 D2坐标的计算公式同式(2)．

2.2.2 碰撞检测

在漫游的过程中采用碰撞检测技术[9]，对场景中物体添加方盒碰撞体．有效地规范了用户的活动范围，避免在漫游过程中穿入所经过的建筑物、地面和设备等，使用户更真实自然地与场景进行交互．

理论上完全采用原物体进行碰撞检测虽然精确，但是效率很低，且耗费资源．本系统采用包围体(bounding volumes，BV)法进行碰撞检测，即将物体用具有简单形状的包围体包围起来．首先用物体的BV进行布尔运算，如果两个物体的 BV不相交，则两个物体一定不相交；如果两个物体的 BV相交，则继续判断内部物体是否发生碰撞相交．可以采用多个多边形来表示包围体，这些多边形将物体包裹起来，并且代替物体进行碰撞检测，多边形划分得越细，则碰撞检测越精确．

2.2.3 听觉交互

听觉交互是指用户与用户在场景中漫游时，可根据与设备的距离来对设备运行声音的强度进行感知，使工程人员更为直观地了解设备．

创建听觉交互分为 3步：①创建 Audio Source，在场景中设备处添加声音源并设置循环播放；②创建Audio Listener，对虚拟漫游角色添加音频接收模块；③建立音响关系曲线，即用户所能听到的设备运行声音强度v和虚拟角色与设备相对位置d的关系曲线，如图5所示．

图5 动态声音强度关系曲线Fig.5 Curve of dynamic sound intensity

3 设备可视化管理功能实现

3.1 系统结构选择

设备管理工作涉及到厂房运行的各个方面，各部门涉及到设备管理信息繁多．为了保证系统数据的完整性和同步性，节省各个部门的工作量，本系统选择了 C/S(客户/服务器)结构[10]．

C/S结构是将整个系统分为应用程序(工作站)和后台服务器两部分．其优点在于：对数据完整性和同步性的可靠控制；较好的开放性和易扩充性；高效的应用程序开发．

3.2 设备数据库设计

设备数据是表示设备信息的数、字母和符号的集合，包括定量、定性的数据，文字说明及各种设备图形．将设备数据结构化是对数据进行合理的组织和分类，以便构成计算机可处理的数据库．本系统将设备数据结构分为 3类：①设备属性信息结构，包括所有的设备编号、设备名称、设备所在楼层号、设备所在房间号；②设备图件数据结构，包括各种平面图信息，该数据主要是通过点、线和多边形等图形来表示，由 AutoCAD平台进行操作和存储；③设备属性体数据结构，即前两种数据经过分析映射到三维空间的体图形数据库．所有设备数据可以基于该数据结构相互关联，进行设计和管理．

基于上述3种数据结构，可设计本系统设备数据库．主要工作可分为两部分：建立三维空间图形数据和非空间数据信息的关联；建立综合设备数据库的信息管理和查询，以三维设备模型为中心，将各类数据关系和数据库设计归纳(见图6)．

图6 三维设备信息数据库设计Fig.6 3D equipment information database design

3.3 设备信息可视化双向查询

3.3.1 点选设备模型查询设备属性信息

系统提供了在虚拟三维仿真环境中对厂房内部设备信息的查询．通过鼠标点选任意设备模型可以实时查询设备的型号、尺寸和生产厂家等．场景设备信息查询方案如下所述．

(1)获取所选设备ID．本系统用射线拾取技术[11]对模型进行拾取，即将摄像机观察点设定为空间坐标原点，通过鼠标点击获得屏幕坐标并转化为视锥体近截面的坐标点，与摄像机原点构成射线，则与该射线相交的最近的面所在的模型即为拾取模型．实现过程如下所述．

绘制高亮包围盒

当点选非设备模型以及每次点选新设备时，则自动消失旧选设备高亮．

(3)根据设备 ID获得该设备属性信息．本系统采用SQL Server数据库技术，建立设备信息数据库，通过空间设备 ID与属性数据 ID的一一对应关系，实现厂房设备属性信息的可视化查询．表 1给出了设备主要属性信息的存储格式．

工程人员可根据点选设备模型获取设备ID来了解设备信息．

表1 设备主要属性信息存储格式Tab.1 Equipment main attribute information storage formats schemes

3.3.2 输入设备属性信息定位设备模型

设备属性信息定位设备模型是指用户可输入设备的部分信息，如类型、编号或房间进行查询，来定位到模型的实际位置，进而对其进行直观的分析．

1) 三维查询定位

通过设备信息在三维场景中对设备进行定位，可方便快捷地到达某一设备．

查询定位实现的步骤依次如下：输入查询信息；结合查询信息构造SQL查询语句；数据库连接；执行SQL查询语句，从设备库中取得满足要求的记录，并以列表形式显示；获取设备位置属性信息，点击设备列表中信息，确定所查三维场景中设备ID，进而获取设备空间位置坐标 ID.(X，Y，Z)；定位显示，调用动态关联摄像机，对所查询设备进行定位显示．

其中动态关联摄像机是指将场景中摄像机位置(X，Y，Z)以及摄像机视镜角度(U，V，W)与设备模型信息 ID 进行关联．即(X＝ID.x+a，Y＝ID.y+b，Z＝ID.z+c)(U＝u.ID，V＝v.ID，W＝w.ID)，式中 ID.x、ID.y、ID.z分别为某设备的空间横、纵、竖坐标，u.ID、v.ID、w.ID为某设备所对应的摄像机的视镜角度．即在定位时摄像机的位置始终与模型相对距离保持一定，而摄像机视镜角度根据不同设备ID进行调整．

2) 模糊搜索

查询设备信息时，对设备信息的描述往往是不准确、不完备的，因此系统提供模糊搜索功能，来处理不准确的设备信息表述，使用户可根据印象输入关键词，系统列出所有与之相关的设备信息以供选择，快捷地找到目标．

本文采用SQL Server的查询语言中的模糊匹配功能，将用户的输入转为带通配符的 like子句，用SQL语句直接查询设备信息数据库表得到信息列表，供用户选择目标．

4 工程实例

某水电站厂房为坝后式厂房，内部包含 13个楼层、170余个房间，其内部设备专业种类分为控制柜、空气离心机、空调、压缩泵、油泵等，主要设备总数高达 420余台，分布在厂房内部各处，这使工程人员很难快速准确地找到相关设备或者设备信息．为此，根据该水电站厂房和设备的 CAD图纸，对厂房和设备进行了可视化建模，并根据设备实际位置，在厂房中对设备进行了定位．采用本文前述方法，开发了厂房和设备交互仿真系统．

在场景中根据厂房实际结构漫游到某设备面前，点选该设备时，设备会高亮显示，点选设备后系统会自动弹出窗口，显示设备台账中所包含的该设备所有信息(见图7)．

查询定位是本系统的核心部分．用户可根据对设备信息的了解输入设备信息，点击查询，系统将与输入信息相近的设备信息逐条列出．例如输入“风机”，则包含“风机”的相关设备信息就会在窗口中逐条显示出来，用户可根据所显示的信息列表进一步确定要找的设备，通过在窗口点击设备信息，则系统会自动定位到该设备并以高亮显示，提高了工程人员对设备管理的效率(见图8)．

图8 输入设备信息定位设备模型Fig.8 Input equipment information to position equipment model

另外，漫游时为了方便用户在厂房中不同楼层之间切换，系统根据实际的楼层添加了对应的可点选标签，实现了用户在不同楼层之间的切换．点击电站全景，则可快速地将电站全貌展现在面前(见图 9)．点击设备清单，则所有的设备台账信息将在窗口中显示. 随着场景中虚拟角色与个别运行设备的距离变化，可感受到由此带来的设备运行声音音强的变化，增加了场景的真实度．

图9 电站漫游全景截图Fig.9 Power station roaming panorama

5 结 语

本文以水电站厂房及其设备为对象，采用了可视化交互仿真建模方法，对水电站厂房虚拟环境真实度表达及设备可视化管理进行了深入研究．通过碰撞检测、应用 Phong光照模型以及建立音频交互曲线提高了虚拟场景的真实度，通过数据库、射线拾取、动态更改模型材质等技术有机结合，实现了设备与设备信息的交互，解决了设备与设备台账相割裂的问题，提高了设备管理效率，具有较好的工程实用价值．可视化交互仿真建模方法推动了我国水利水电工程设计与管理科学化、智能化的发展．

［1］王晓峰. Maximo软件在油田设备维修管理中的应用浅析[J]. 数字技术与应用，2011(8)：140-142.

Wang Xiaofeng. Application analysis of maximo on oilfield equipment maintenance and management[J].Digital Technology and Application，2011(8)：140-142(in Chinese).

［2］田 辉. 油港设备可视化维修管理系统研究与开发[D]. 武汉：武汉理工大学能源与动力工程学院，2010.

Tian Hui. Research and Development for Oil Port Visual Maintenance Management System[D]. Wuhan：School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，2010(in Chinese).

［3］韩方运. 发电厂设备(设施)可视化基础信息平台的研究[D]. 济南：山东大学电气工程学院，2004.

Han Fangyun. Study on Visual Basic Information Platform of Power Plant Equipments[D]. Jinan：School of Electrical Engineering，Shandong University(in Chinese).

［4］Mahadi M F W，Maskat R. Equipment management system(EqMS)：Information visualization system perspectives[C]// 2010International Conference on User Science Engineering(i-USEr).Shah Alam，Malaysia，2010：214-219.

［5］Tu Haining，Zhang Hongjuan，Liu Jiansheng，et al.Dynamic 3D visualization research on equipment based on VRML[C]//World Congress on Software Engineering(WCSE). Xiamen，China，2009：55-59.

［6］Zhang Li，Zheng Guang. A roaming system of the residential building’s virtual internal scene based on VRML[C]// 2010 2nd International Workshop onIntelligent Systems and Applications(ISA). Wuhan，China，2010：1-4.

［7］Stavros G P，Nikos A A. Transformation and normal vector calculation of parametrically defined surfaces based on dual vectors and screw theory：Application to Phong's shading model[J].Computer Graphics Forum，2006，25(2)：183-195．

［8］钟登华，任炳昱，吴康新. 虚拟场景下高拱坝施工仿真建模理论与应用[J]. 系统仿真学报，2009，21(15)：4701-4705.

Zhong Denghua，Ren Bingyu，Wu Kangxin. Theory and application of high arch dam construction simulation modeling under virtual scene[J].Journal of System Simulation，2009，21(15)：4701-4705(in Chinese).

［9］Lai Kuan-Chen，Kang Shih-Chung. Collision detection strategies for virtual construction simulation[J].Automation in Construction，2008(8)：724-736.

［10］Cuppens Frederic，Gabillon Alban. Logical foundations of multilevel databases[J].Data & Knowledge Engineering，1999，29(3)：259-291.

［11］Wu Shin-Ting，Abrantes Marcel，Tost D，et al. Picking and snapping for 3D input devices[C]//XVI Brazilian Symposium onComputer Graphics and Image Processing. Brazil，2003：140-147.