張全貴，李 鑫，王 普

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105；2.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124）

0 引 言

組態(tài)軟件作為數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，使用靈活的組態(tài)方式為自動(dòng)化軟件工程師提供快速構(gòu)建監(jiān)控監(jiān)測(cè)軟件的工具。用戶(hù)使用組態(tài)軟件以 “搭積木”的方式來(lái)完成自己所需的自動(dòng)化監(jiān)控軟件的功能，一般不需要編程或者只需要簡(jiǎn)單的腳本編程［1］。使用組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，大部分時(shí)間是對(duì)組件進(jìn)行配置即組態(tài)的過(guò)程。由于其簡(jiǎn)便性和靈活性，組態(tài)軟件在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，人們對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控軟件的要求也越來(lái)越高，尤其是對(duì)用戶(hù)界面和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仿真度的更高要求。傳統(tǒng)的二維用戶(hù)界面已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控軟件的需求，因?yàn)槠浜茈y直觀的地反映工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況及生產(chǎn)過(guò)程，仿真度低。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維圖形學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些研究人員開(kāi)始進(jìn)行三維監(jiān)控軟件的研究與開(kāi)發(fā)，用三維監(jiān)控用戶(hù)界面替代傳統(tǒng)二維用戶(hù)界面，如文獻(xiàn) ［2－4］。開(kāi)發(fā)三維用戶(hù)界面監(jiān)控軟件的難度要比二維用戶(hù)界面監(jiān)控軟件大很多，不僅需要較高的程序設(shè)計(jì)能力，一定的自動(dòng)化領(lǐng)域知識(shí)，還需要一定的三維圖形學(xué)知識(shí)。如果能以組態(tài)的方式來(lái)設(shè)計(jì)三維監(jiān)控軟件，則將大大降低三維監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)的難度?；诖?，本文基于X3D，使用開(kāi)源的Xj3D圖形工具包設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了組態(tài)軟件三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎，使用該引擎可以以組態(tài)方式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三維監(jiān)控軟件。

1 設(shè)計(jì)思想

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎建立在傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件之上，將二維組態(tài)軟件的用戶(hù)界面組態(tài)功能由二維用戶(hù)界面組態(tài)替換為三維用戶(hù)界面組態(tài)。這樣即避免了重復(fù)開(kāi)發(fā)，又能充分利用傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件的成熟性。

傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件一般由用戶(hù)界面組態(tài)模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)模塊、設(shè)備接口組態(tài)模塊和系統(tǒng)運(yùn)行模塊構(gòu)成［5］。這四個(gè)模塊是使用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的四個(gè)強(qiáng)有力的工具。加入三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎后其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎負(fù)責(zé)建立三維監(jiān)控人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，提供工藝流程仿真的圖形對(duì)象開(kāi)發(fā)環(huán)境。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)模塊負(fù)責(zé)定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)來(lái)源、I/O設(shè)備以及數(shù)據(jù)類(lèi)型等相關(guān)參數(shù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與管理。設(shè)備接口組態(tài)模塊提供各種外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)從設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將相關(guān)的設(shè)備操作指令下達(dá)到具體設(shè)備，同時(shí)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信。系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)好的圖形監(jiān)控系統(tǒng)或工藝仿真系統(tǒng)提供運(yùn)行所需的環(huán)境。

圖1 三維組態(tài)軟件體系架構(gòu)

2 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎設(shè)計(jì)

2.1 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎功能

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎的主要功能是實(shí)現(xiàn)可視化直接操控方式的組態(tài)平臺(tái)，用戶(hù)可以使用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)進(jìn)行三維用戶(hù)界面的組態(tài)。具體包括模型的調(diào)入、合成、編輯、顯示以及場(chǎng)景文件生成等功能。用戶(hù)界面如圖2所示。主要功能包括模型調(diào)入、場(chǎng)景對(duì)象組態(tài)、模型編輯、場(chǎng)景顯示和文件保存等。

圖2 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎用戶(hù)界面

（1）模型調(diào)入，用戶(hù)從場(chǎng)景對(duì)象列表中選擇要加入到當(dāng)前場(chǎng)景中的對(duì)象，對(duì)象預(yù)覽窗口將顯示該對(duì)象。同時(shí)，主窗口右側(cè)將顯示該對(duì)象的屬性，用戶(hù)可以修改相關(guān)屬性，修改結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)顯示在對(duì)象預(yù)覽窗口中。

（2）場(chǎng)景對(duì)象組態(tài)，當(dāng)用戶(hù)從場(chǎng)景對(duì)象列表中選中某一對(duì)象時(shí)，主窗口左下方將會(huì)顯示該對(duì)象與當(dāng)前場(chǎng)景中的對(duì)象可能的組態(tài)關(guān)系，選擇一對(duì)或幾對(duì)組態(tài)關(guān)系，該對(duì)象將自動(dòng)調(diào)整大小及方向，并放置到場(chǎng)景窗口的合適位置上。如圖2所示，當(dāng)前場(chǎng)景中已經(jīng)存在地面和鍋爐支架，當(dāng)從場(chǎng)景對(duì)象列表中調(diào)入鍋爐模型后，由于鍋爐可以放置到地面上，也可以放置到鍋爐支架上，因此在左下方窗口中將顯示這兩種組態(tài)關(guān)系。用戶(hù)選擇其中一個(gè)組態(tài)關(guān)系，鍋爐將自動(dòng)與地面或鍋爐支架按照合適的位置合成為一個(gè)新的對(duì)象。

（3）模型編輯，用戶(hù)可以對(duì)當(dāng)前選中的對(duì)象進(jìn)行編輯，從屬性編輯框中修改該對(duì)象的屬性，同時(shí)可以恢復(fù)該對(duì)象的默認(rèn)屬性。修改后的效果會(huì)實(shí)時(shí)顯示在對(duì)象預(yù)覽窗口和場(chǎng)景瀏覽窗口中。另外，用戶(hù)也可以刪除當(dāng)前的場(chǎng)景對(duì)象。

（4）場(chǎng)景顯示，在場(chǎng)景瀏覽窗口中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的組態(tài)場(chǎng)景。

（5）文件保存，用戶(hù)可以將當(dāng)前場(chǎng)景保存為場(chǎng)景文件，以便在其他應(yīng)用程序中復(fù)用。

2.2 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎架構(gòu)

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎的架構(gòu)如圖3所示，由場(chǎng)景對(duì)象庫(kù)，X3D模型解析器、場(chǎng)景編輯器、三維場(chǎng)景文檔、X3D場(chǎng)景文件生成器、SAI接口和X3D瀏覽器組成。圖3中的箭頭表示了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動(dòng)方向。

圖3 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎架構(gòu)

（1）場(chǎng)景對(duì)象庫(kù)，它為三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎提供底層物理模型庫(kù)的支持。包括X3D物理模型和對(duì)象關(guān)聯(lián)器兩部分。物理模型庫(kù)的建立需要滿(mǎn)足以下要求，一是要按照領(lǐng)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行歸類(lèi)，這樣便于場(chǎng)景對(duì)象庫(kù)的管理。二是模型的表示應(yīng)該使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式，這樣可以比較容易地實(shí)現(xiàn)與其他格式之間的轉(zhuǎn)換。三是模型的表示應(yīng)該便于進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注，這樣能夠方便進(jìn)行模型與模型之間的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化場(chǎng)景組態(tài)。四是物理模型的表示應(yīng)該適合WEB方式的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟壳敖M態(tài)軟件的應(yīng)用不僅僅限于單機(jī)運(yùn)行，很多情況下需要支持WEB方式運(yùn)行。

為了滿(mǎn)足以上要求，我們采用X3D格式來(lái)存儲(chǔ)物理模型。X3D是由Web3D聯(lián)盟于1998年年底提出的。X3D規(guī)范使用 可擴(kuò)展 標(biāo)記語(yǔ) 言 XML（Extensible Markup Language）對(duì)VRML幾何造型和實(shí)體行為進(jìn)行描述［6－7］。XML提供結(jié)構(gòu)化文檔描述的數(shù)據(jù)格式，可以用來(lái)定義任意類(lèi)型的文檔，可以對(duì)所有類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。正是由于X3D基于XML格式開(kāi)發(fā)，因此可以直接使用XML DOM文檔樹(shù)、XML Schema校驗(yàn)技術(shù)和相關(guān)的XML編輯工具。目前X3D已經(jīng)是通過(guò)ISO認(rèn)證的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此使用X3D表示場(chǎng)景對(duì)象庫(kù)中的物理模型能夠滿(mǎn)足以上提出的要求。

對(duì)象關(guān)聯(lián)器定義了物理模型之間的各種組態(tài)關(guān)系，如鍋爐可以放置到地面上、鍋爐可以放置到鍋爐支架上，鍋爐支架可以放置到地面上等。借助于對(duì)象關(guān)聯(lián)器，用戶(hù)在進(jìn)行三維用戶(hù)界面組態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化組態(tài)，大大節(jié)省場(chǎng)景組態(tài)時(shí)間并降低組態(tài)復(fù)雜度。

（2）X3D模型解析器，負(fù)責(zé)讀取并解析X3D模型文件，將該文件轉(zhuǎn)換成內(nèi)存中的X3D文檔，以便其他組件通過(guò)XML DOM API［8］對(duì)其進(jìn)行操作。該引擎中使用XJ3D對(duì)X3D文件進(jìn)行裝載和解析，然后返回文檔對(duì)象。

（3）場(chǎng)景編輯器，使用XML DOM API對(duì)內(nèi)存中的X3D文檔進(jìn)行操作，包括添加對(duì)象，刪除對(duì)象和編輯對(duì)象（修改對(duì)象的屬性，如大小、顏色、材質(zhì)和貼圖等）。

（4）三維場(chǎng)景文檔，內(nèi)存中存儲(chǔ)的當(dāng)前場(chǎng)景的X3D文檔，通過(guò)XML DOM API可以與之交互。是場(chǎng)景編輯器的操作對(duì)象。

（5）X3D場(chǎng)景文件生成器，經(jīng)過(guò)調(diào)入對(duì)象，對(duì)象組態(tài)以及對(duì)象編輯后的場(chǎng)景可以存儲(chǔ)成X3D場(chǎng)景文件，以提供給其他組態(tài)模塊使用。該引擎中使用JAXP的一系列方法存儲(chǔ) X3D文件并使用 DOM4J［9－10］格式化文件。

（6）SAI接口，SAI是用來(lái)操作場(chǎng)景的API，它提供一系列的X3D訪問(wèn)接口［11］。VRML/X3D的主要功能是用來(lái)描述3D虛擬場(chǎng)景和場(chǎng)景中對(duì)象的屬性，如顏色、幾何形狀、材質(zhì)等。它沒(méi)有可編程的能力，只能通過(guò)一些簡(jiǎn)單的腳本進(jìn)行交互操作。這些腳本很難滿(mǎn)足VRML/X3D的應(yīng)用。VRML通過(guò) EAI（external authoring interface）接口與Java語(yǔ)言進(jìn)行交互。在X3D中除了保留了EAI接口外還提出了一個(gè)SAI接口。SAI接口統(tǒng)一了X3D的內(nèi)部和外部訪問(wèn)接口，它提供了功能更強(qiáng)大和更可靠的訪問(wèn)能力，通過(guò)提供的一系列服務(wù)訪問(wèn)X3D節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。用戶(hù)可以使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言通過(guò)SAI操作場(chǎng)景中的對(duì)象?？梢栽赬3D文檔中的Script節(jié)點(diǎn)內(nèi)使用SAI?；蛘咴谄渌麘?yīng)用程序中使用SAI操作X3D瀏覽器中的場(chǎng)景對(duì)象。SAI可以完成以下操作：新增或刪除節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生事件，建立路由（route），更改或讀取字段中的值，操作或控制X3D瀏覽器。

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎中使用Xj3DSAI訪問(wèn)X3D場(chǎng)景。Xj3D是Web3D委員會(huì)的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，目的是為VRML97和X3D建立一系列工具包。它完全用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。它一方面可以用來(lái)驗(yàn)證X3D新規(guī)范，另一方面作為一個(gè)類(lèi)庫(kù)，提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)基于X3D技術(shù)的應(yīng)用程序。Xj3D是一個(gè)高組件化的套件，用戶(hù)可以非常方便的選擇自己所需要的組件用于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)中。Xj3D的主要組件包括：DOM、VRML Implementation、SAI、EAI、渲染器、Java3D裝載器、Swing、X3D工具。

（7）X3D瀏覽器，用于顯示場(chǎng)景、處理場(chǎng)景事件。目前市場(chǎng)上的Internet瀏覽器（如Mozilla、火狐、IE等）不支持X3D文件格式。因此它需要額外的X3D瀏覽器顯示X3D內(nèi)容。

圖4 SAI訪問(wèn)模式

2.3 三維用戶(hù)界面組態(tài)流程

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎進(jìn)行場(chǎng)景組態(tài)時(shí)的流程如圖5所示，首先從場(chǎng)景對(duì)象樹(shù)中選取模型對(duì)象，然后對(duì)其屬性進(jìn)行編輯、設(shè)置，該對(duì)象選中以后將列出該對(duì)象與當(dāng)前場(chǎng)景中其他對(duì)象之間的組態(tài)約束關(guān)系，用戶(hù)選擇其中一個(gè)或幾個(gè)約束關(guān)系，在所選約束關(guān)系的約束下輔助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的組態(tài)。用戶(hù)可以對(duì)該對(duì)象組態(tài)后的場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行其他模型對(duì)象的組態(tài)，直到整個(gè)場(chǎng)景組態(tài)結(jié)束。

圖5 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎組態(tài)流程

2.4 三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎實(shí)現(xiàn)

三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎的開(kāi)發(fā)采用JAVA語(yǔ)言，原因如下：一是由于物理三維模型采用X3D表示，對(duì)于X3D場(chǎng)景的解析使用JAVA語(yǔ)言比較方便，有一些專(zhuān)門(mén)針對(duì)JAVA語(yǔ)言設(shè)計(jì)的X3D工具包（如XJ3D），而針對(duì)C/C＋＋語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的X3D工具包很少。二是考慮組態(tài)軟件的通用性以及對(duì)WEB運(yùn)行模式的需求，采用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)也比較合適。三是由于目前運(yùn)行組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)性能的提高，再加上引擎中的三維物理模型采用精簡(jiǎn)模型即可滿(mǎn)足組態(tài)軟件的要求，因此使用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和使用C/C＋＋語(yǔ)言開(kāi)發(fā)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的效率差別不大。

組態(tài)軟件三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎的實(shí)現(xiàn)主要包括3個(gè)核心模塊：組態(tài)場(chǎng)景解析模塊、組態(tài)場(chǎng)景編輯模塊和組態(tài)場(chǎng)景瀏覽模塊。

2.4.1 組態(tài)場(chǎng)景解析模塊實(shí)現(xiàn)

組態(tài)場(chǎng)景解析模塊主要負(fù)責(zé)裝載初始組態(tài)場(chǎng)景，即調(diào)入X3D文件，并返回場(chǎng)景對(duì)象。首先使用XJ3D的SAI BrowserFactory類(lèi)建立一個(gè)X3D對(duì)象。然后使用External－Browser接口建立一個(gè)X3D瀏覽器對(duì)象x3dBrowser，用于裝載X3D文件，并使用它建立新的節(jié)點(diǎn)。使用x3dBrowser對(duì)象裝載初始組態(tài)場(chǎng)景文件后返回X3D場(chǎng)景對(duì)象，并替換原來(lái)的空白場(chǎng)景。核心代碼如下：

2.4.2 組態(tài)場(chǎng)景編輯模塊

組態(tài)場(chǎng)景編輯模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)加入到當(dāng)前場(chǎng)景中的對(duì)象的屬性進(jìn)行修改，如顏色、材質(zhì)等，同時(shí)負(fù)責(zé)加入新的X3D模型節(jié)點(diǎn)。例如，要改變當(dāng)前場(chǎng)景中名稱(chēng)為theMaterial的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)的漫反射顏色，首先需要使用X3DScene類(lèi)的getNamedNode方法找到theMaterial節(jié)點(diǎn)，然后使用getField方法找到該節(jié)點(diǎn)的diffuseColor域并改變其顏色值。核心代碼如下：

2.4.3 組態(tài)場(chǎng)景瀏覽模塊

組態(tài)場(chǎng)景瀏覽模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示三維用戶(hù)界面的組態(tài)結(jié)果，并監(jiān)聽(tīng)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的變化。主要使用XJ3D的Browser對(duì)象顯示X3D場(chǎng)景。核心代碼如下：

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于X3D技術(shù)，使用開(kāi)源的XJ3D圖形開(kāi)發(fā)包設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了組態(tài)軟件三維用戶(hù)界面組態(tài)引擎，主要包括組態(tài)場(chǎng)景解析模塊、組態(tài)場(chǎng)景編輯模塊和組態(tài)場(chǎng)景瀏覽模塊。使用該引擎可以可視化的組態(tài)方式建立三維用戶(hù)界面。原型系統(tǒng)表明該引擎具有組態(tài)簡(jiǎn)便、效率高的特點(diǎn)。沒(méi)有三維圖形開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的自動(dòng)化軟件工程師短時(shí)間內(nèi)即可掌握該引擎的使用。同時(shí)，三維用戶(hù)界面的應(yīng)用使組態(tài)軟件的仿真度大大提高，可以從多視角瀏覽工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用前景。

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