动力设备可视化如何建?

特约撰稿人:山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂 李柏震 尚昆 李桐

动力设备可视化如何建?

特约撰稿人:山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂 李柏震 尚昆 李桐

核心提示制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基.当前,在新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成的历史交汇时期,济南卷烟厂在基于虚拟现实技术的动力设备可视化管理系统方面,取得了工作成效,为打造企业核心竞争力奠定了坚实的基础.

车间动力设备相关管路涉及范围广、走向复杂,同时由于具有锅炉和空压机等特种设备,给维护管理带来了一定的难度.为了提高工作效率,基于虚拟现实技术,利用三维建模软件和人机交互软件,开发了动力设备可视化管理系统.该系统可以帮助用户在虚拟环境中,根据自己的意愿进行漫游和观察设备,同时具有危险源提示和模拟常用视频监控等功能,有利于员工分析设备环境以及培训和学习.

构建虚拟环境

济南卷烟厂能源动力中心负责全厂的能源供应.其中供水、锅炉与空压系统的相关管线和设备涉及分布范围广、走向复杂,且经过多年的设备改造和增减,更增加了复杂程度,使得日常管理及管路分析的工作量非常大,如图1、2所示.由于锅炉系统和空压系统含有多种特种设备,工作人员不能擅自拆解进行维修或者学习,这给维修人员或者新员工的培训学习带来了困难,也不利于运行人员及时了解设备的内部构造来优化工作方式;能源动力中心设备数量大、种类多,因此不可避免的存在很多危险源,仅靠相关文件描述很难使员工快速了解并定位每一个危险源的具体位置以及危险性.

综合以上问题,致使员工在故障分析、设备管理、教学培训等工作中,增加了难度.为了解决以上问题,提高工作效率,研发了一套基于虚拟现实技术的动力设备可视化管理系统.通过三维建模软件SolidWorks,对能源动力中心的动力设备及管线进行三维建模和虚拟装配,构建了完整的虚拟环境;使用人机交互软件VirTools进行人机交互设计,包括导入虚拟人物、设置虚拟摄像机、设计交互规则等.系统允许使用者在虚拟的设备三维坏境中进行漫游,以不同的视角,对设备及管线进行观察,同时具备危险源提示和模拟常用视频监控的功能.

图1 锅炉系统相关管线

图2 供水系统相关管线

实施过程quot;四步走quot;

根据需求,系统的具体实施过程分为以下几个步骤:梳理相关动力设备、建立三维模型、虚拟装配、人机交互设计和系统调试.

梳理相关动力设备

通过分析能源动力中心的设备情况,决定将相对复杂的供水、锅炉和空压系统纳入可视化管理系统之内.根据实地考察及仔细梳理,主要涉及的设备有:全自动软水器、软化水箱、凝结水箱、分水器、换热器、凝结水回收器、燃气锅炉、除氧罐、排污扩容器、分汽缸、空压机、储气罐、冷却水循环泵及管道和附属设备.

建立三维模型

通过对目前的各种三维建模软件进行比较分析,选择工作效率较高的SolidWorks作为本系统的三维建模软件.对前期梳理好的设备,分别进行与实物比例为1:1的三维建模,同时,对能源动力中心和联合工房的房屋结构进行同比例建模,如图3～5所示.

图3 锅炉系统相关设备

图4 锅炉内部构造

图5 空压机

虚拟装配

三维模型建好后,需要对其按照现场的位置进行虚拟装配,才能构建出一个反应真实现场的虚拟环境.使用SolidWorks进行虚拟装配,如图6～8所示.

图6 锅炉、供水、锅炉系统设备虚拟装配

图7 空压机系统虚拟装配

图8 能源动力中心通往联合工房各生产区域的空压气管道(绿色)

人机交互设计

人机交互设计是用户与计算机交流的基础,为了用户能够根据自己的意图,达到在自由的虚拟环境中漫游以及切换视角的目的,采用VirTools软件通过以下步骤进行交互设计:

(1)导入三维模型

SolidWorks软件与VirTools软件的接口是3DXML文件,所以将建立并虚拟装配好的车间和设备的三维模型文件转换成3DXML文件,然后通过VirTools的导入功能进行导入,见下页图9所示.

(2)导入虚拟人物

为了增强系统的真实感,导入了虚拟人物模型并设计了其行走动作,见下页图10所示.

图9 三维模型导入VirTools

图10 导入人物模型

(3)添加虚拟摄像机

为了模拟出人在真实场景中漫游的效果,需要设置不同的虚拟摄像机来实现不同的视角.虚拟摄像机在系统中的作用即是模拟人的眼睛,它的方向即是人眼视线的方向,主要设置的虚拟摄像机有第一视角摄像机和第三视角摄像机,如图11所示.

(4)设计行为模块

为了使虚拟人物模型能够在虚拟车间内模拟人真实的行走,需要给模型设计必要的行为模块,如地板属性、碰撞检测、键盘控制、消息的发送与接收等,如图12所示.

图11 虚拟环境中摄像机

图12 设计行为模块

除了虚拟人物行走和视角切换等功能,本系统还设计了重点危险源提示模块及常用视频监控模块.重点危险源提示模块使用警示标志,为操作人员提示重点危险源的位置以及应急处置预案,如图13所示.常用视频监控模块使操作者熟悉常用视频监控地点及摄像头位置,同时与真实摄像头预留通讯接口,后期可以显示真实环境中的现场实况,如图14所示.

图13 重点危险源提示

图14 常用视频监控模拟

系统实施需四项关键技术支撑

虚拟现实技术的动力设备可视化管理系统在初步完成以后,需要对系统进行调试,查找漏洞及不完善的地方.通过技术人员及车间员工试操作以后,找出并汇总一些细节方面的问题,经过讨论确定了修改方案后,并且顺利实施,达到系统调试的目的,使该系统更加完善.

系统实施过程中涉及以下关键技术:虚拟场景的渲染、模型的三维变换、碰撞检测、多视口实时显示技术.

虚拟场景的渲染

在可视化系统中,虚拟场景的显示对于操作者来说非常重要,只有屏幕中显示的图像符合真实的运动规律及空间特征,才能增加系统的真实感和沉浸感,使操作者体验到身临其境的感觉,有利于发挥系统的功用.

本系统使用DirectX11作为图形渲染引擎,从读取三维模型数据到把该模型显示到屏幕上需要一系列过程,见下页图15所示.

图15 DirectX11的渲染过程

从图中可见,模型的显示需要经过几个变换过程,这些变换过程主要用于将三维模型从一个坐标系转换到另一个坐标系.根据DirectX11的显示过程,三维模型主要经过世界变换、视图变换、投影变换和视口变换,其坐标系的转换经过本地坐标系、世界坐标系、视图坐标系、投影坐标系和视口坐标系.

模型的三维变换

一般情况下,模型的三维变换主要通过变换矩阵来实现.在虚拟环境中,变换矩阵主要可以完成以下功能:改变物体的位置,改变物体的角度,改变物体的大小,改变观察的位置、方向和视角.

在虚拟环境中,若一个点的坐标为(x, y, z),则可以通过一个4X4的矩阵把这点的坐标变换为(x,,y,,z,),即:

所以:

该可视化系统中,若想实现虚拟人物的平移,即若要将虚拟人物从坐标为(x0,y0,z0)的位置平移到坐标为(x1,y1,z1)的位置,则可以使用以下平移矩阵来实现:

碰撞检测

为了使动力设备可视化管理系统更加真实,防止出现虚拟人物穿越车间墙体或者设备等漏洞的出现,需要设置碰撞检测来模拟真实的物体与物体之间的碰撞情况.采用的碰撞检测法是用球形来近似地表示物体或物体的一部分,然后再判断这些包围球是否相交.这样仅需要测试两个球体中心的距离是否小于它们的半径和,若小于,则认为两物体发生碰撞,否则,没有发生碰撞.但是,简单的运算也会导致精确度降低,如图16(A)所示,可以近似地认为两个物体已经碰撞.在图16(B)中,用这种方法检测,两个物体已经发生了碰撞,但是事实并没有.为了避免以上错误判断,采用了更高精度的检测,用一个大的球体代表整个对象,然后检测它是否和其它的球体相交.如果检测到发生了碰撞,那么就要进一步提高精度,将大的球体分割成一系列小的球体,并检查与各小球体是否发生碰撞,不断地分割检查,直到得到满意的近似值为止,如图16(C)所示.

图16 外接球体的碰撞检测

多视口实时显示技术

在动力设备可视化管理系统中,多视口实时显示技术主要运用在模拟常用监控上.在实际情况中,能源动力中心内安装多个摄像头,用来实时监控设备的运行情况,为了使系统更加真实的反应作业环境,设置了虚拟摄像机来模拟常用监控摄像头,并且可以在主画面中实时显示多个摄像头所监控的图像.不同虚拟摄像机所对应的图像可以使用不同的视口显示出来,为了实现在一个屏幕中显示多个不同的视口,在DirectX11渲染过程中,可以通过设置不同视口的优先级,使优先级大的视口覆盖掉优先级小的视口,使模拟监控的图像显示于主屏幕之上.

虚拟现实技术的动力设备可视化管理系统通过在能源动力中心投入使用,大大提高了员工对相关设备的熟知程度和工作效率,有效辅助了设备改造和升级项目,同时提高了学员的培训和学习效果.

本系统是基于虚拟现实技术的软件系统,主要针对拥有设备数量多、管线复杂的大型企业.该类企业的常规工作方式方法很类似,且本系统提供了辅助常规工作的功能.同时由于本系统所涉及的设备大部分为通用设备,对于其他企业或者培训机构具有一定的借鉴和学习意义,也大大提高了本系统的可推广性.