鐘登華，谷金操，佟大威

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

水電站廠房是由廠房建筑物、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)站及其內(nèi)部多種設(shè)備構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)．其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所含設(shè)備種類多樣，數(shù)量繁多，信息量大，管理困難．國(guó)內(nèi)外對(duì)設(shè)備可視化管理已有許多研究．近幾年國(guó)外出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的設(shè)備管理軟件，如Maximo[1]；國(guó)內(nèi)也相應(yīng)地開發(fā)了一系列設(shè)備可視化管理系統(tǒng)，如油港設(shè)備可視化維修管理系統(tǒng)[2]、發(fā)電廠設(shè)備基礎(chǔ)信息可視化平臺(tái)[3]等．內(nèi)外的設(shè)備可視化管理系統(tǒng)主要是針對(duì)設(shè)備生存周期的采購、運(yùn)行、維護(hù)方面的管理或?qū)?shù)據(jù)信息集成分析、將信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為圖形曲線信息[4]，很少涉及設(shè)備的空間關(guān)系與設(shè)備特征，降低了設(shè)備管理效率.也有學(xué)者開發(fā)設(shè)備可視化管理系統(tǒng)[5]，實(shí)現(xiàn)了通過設(shè)備查詢?cè)O(shè)備信息以及輸入設(shè)備信息查詢對(duì)應(yīng)設(shè)備的功能，但不具備漫游、碰撞檢測(cè)、聽覺交互和鏡面反射等真實(shí)感虛擬交互內(nèi)容，也未探討如何在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)環(huán)境下對(duì)設(shè)備查詢定位及如何突出所選設(shè)備．

傳統(tǒng)的水利水電工程設(shè)備可視化管理方法對(duì)設(shè)備的屬性數(shù)據(jù)有較好的集成分析，但仍處在對(duì)設(shè)備屬性信息的管理層面，無法直觀地表達(dá)設(shè)備的空間信息，且未能將設(shè)備的空間外形信息與其屬性信息建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成設(shè)備與設(shè)備相關(guān)屬性信息割裂，降低了管理效率．為此，筆者集成三維實(shí)體建模、Phong光照模型、場(chǎng)景漫游、碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)廠房場(chǎng)景的交互漫游，并基于動(dòng)態(tài)音頻交互實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行聲音的感知；基于三維查詢定位、射線拾取、動(dòng)態(tài)更改模型材質(zhì)、數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過廠房?jī)?nèi)部設(shè)備查詢?cè)O(shè)備信息以及通過設(shè)備信息查詢定位設(shè)備；最后結(jié)合某電站工程實(shí)例，開發(fā)了水電站廠房和設(shè)備交互仿真系統(tǒng)，提高了工程人員對(duì)設(shè)備管理的效率．

1 水利水電工程廠房及設(shè)備交互仿真系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)具有碰撞、實(shí)時(shí)鏡面反射的漫游功能．工程人員可在場(chǎng)景中自由漫游，與場(chǎng)景進(jìn)行交互，較為真實(shí)地還原了廠房的真實(shí)場(chǎng)景．

通過設(shè)備模型實(shí)時(shí)查詢?cè)O(shè)備臺(tái)賬．工程人員在場(chǎng)景漫游過程中可點(diǎn)選場(chǎng)景中的三維設(shè)備模型，系統(tǒng)將自動(dòng)以窗口形式彈出設(shè)備模型的編號(hào)、名稱、生產(chǎn)廠商、樓層和房間等設(shè)備模型的相關(guān)屬性信息，使工程人員更加便捷地對(duì)廠房中的設(shè)備進(jìn)行信息查詢．

通過設(shè)備臺(tái)賬信息進(jìn)行設(shè)備定位功能．本系統(tǒng)利用自定義的 GUI圖形用戶接口，實(shí)現(xiàn)了通過輸入或者選擇設(shè)備相關(guān)信息，如輸入設(shè)備的編號(hào)、生產(chǎn)廠商等對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果以列表形式顯示出來，最后點(diǎn)擊設(shè)備信息定位設(shè)備，或者通過樓層、房間號(hào)選擇查詢?cè)O(shè)備信息，并進(jìn)行定位．

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)是劃分出組成系統(tǒng)各物理元素的構(gòu)成、聯(lián)系及其定義描述．基于用戶需求分析，結(jié)合工程實(shí)際情況，提出了如圖 1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of the system

2 廠房仿真交互場(chǎng)景建立

2.1 三維可視化場(chǎng)景建立

2.1.1 三維實(shí)體建模

系統(tǒng)場(chǎng)景所涉及的實(shí)體模型種類眾多，根據(jù)其是否具有行為特性將其分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩類.

在場(chǎng)景靜態(tài)模型建模的過程中，依據(jù)構(gòu)造方式可將其分為規(guī)則模型和非規(guī)則模型．對(duì)于規(guī)則模型如控制柜，本系統(tǒng)采用參數(shù)化建模[6]的思想構(gòu)建，即由一系列特征參數(shù)和參數(shù)之間所滿足的幾何關(guān)系來構(gòu)建，這種建模方法簡(jiǎn)化了建模過程，提高了建模效率．對(duì)于不規(guī)則模型，如水輪機(jī)、離心風(fēng)機(jī)等，則用AutoCAD、3DS等軟件依據(jù)物體的外形輪廓由基本的點(diǎn)、線、多邊形來構(gòu)建．

場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)模型例如電梯，具有行為特性，需進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，采用的方法為關(guān)鍵幀法，即首先生成運(yùn)動(dòng)軌跡上的關(guān)鍵幀畫面，然后用插值法生成中間幀畫面．動(dòng)態(tài)模型的建立豐富和生動(dòng)了系統(tǒng)場(chǎng)景．

2.1.2 基于Phong模型的鏡面反射效果

Phong光照模型[7]是三維電腦圖像的繪圖技巧之一，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面、金屬材料等光滑物體進(jìn)行真實(shí)地模擬．本文采用的Phong模型可表示為

式中：Ip為入射光源強(qiáng)度；kd為漫反射系數(shù)；ks為鏡面反射系數(shù)；n為高光指數(shù)；L、N、H 分別為入射、法線和L與視角V半角方向的單位矢量，見圖2．

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

本系統(tǒng)中廠房地面等關(guān)鍵部位運(yùn)用了此模型，可實(shí)現(xiàn)在交互過程中實(shí)時(shí)地觀察到由地面反射的廠房效果，大大提高了系統(tǒng)的真實(shí)度．圖 3為采用 Phong模型前后的廠房?jī)?nèi)部效果對(duì)比．

2.2 可交互場(chǎng)景建立

2.2.1 場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游是指用戶可通過鍵盤或鼠標(biāo)控制角色在場(chǎng)景中行走或飛行，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)(后退)、上升(下降)、左移(右移)、左轉(zhuǎn)(右轉(zhuǎn))和仰視(俯視)等控制，使用戶更便捷地尋找設(shè)備，或細(xì)致觀察場(chǎng)景局部，增加用戶的沉浸感．

圖3 采用Phong模型前后的廠房?jī)?nèi)部效果Fig.3 Powerhouse internal effect before and after using the Phong model

本文場(chǎng)景漫游是通過控制視點(diǎn) E1和參考點(diǎn) D1之間視線向量的坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的[8]．通過左右平移，漫游控制數(shù)學(xué)模型如圖4所示．

圖4 視線平移數(shù)學(xué)模型Fig.4 Mathematical model diagram of the sight translation

圖 4中，E1D1為初始視線向量；E2D2為平移后的視線向量；E1'、E2'分別為視點(diǎn) E1和 E2在 XY平面上的投影；α為E1′ E2′與 X軸的夾角．當(dāng)視線向量E1D1平移到 E2D2時(shí)，新的視點(diǎn) E2坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中 M 為視線的平移量，由鍵盤控制．參考點(diǎn) D2坐標(biāo)的計(jì)算公式同式(2)．

2.2.2 碰撞檢測(cè)

在漫游的過程中采用碰撞檢測(cè)技術(shù)[9]，對(duì)場(chǎng)景中物體添加方盒碰撞體．有效地規(guī)范了用戶的活動(dòng)范圍，避免在漫游過程中穿入所經(jīng)過的建筑物、地面和設(shè)備等，使用戶更真實(shí)自然地與場(chǎng)景進(jìn)行交互．

理論上完全采用原物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)雖然精確，但是效率很低，且耗費(fèi)資源．本系統(tǒng)采用包圍體(bounding volumes，BV)法進(jìn)行碰撞檢測(cè)，即將物體用具有簡(jiǎn)單形狀的包圍體包圍起來．首先用物體的BV進(jìn)行布爾運(yùn)算，如果兩個(gè)物體的 BV不相交，則兩個(gè)物體一定不相交；如果兩個(gè)物體的 BV相交，則繼續(xù)判斷內(nèi)部物體是否發(fā)生碰撞相交．可以采用多個(gè)多邊形來表示包圍體，這些多邊形將物體包裹起來，并且代替物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)，多邊形劃分得越細(xì)，則碰撞檢測(cè)越精確．

2.2.3 聽覺交互

聽覺交互是指用戶與用戶在場(chǎng)景中漫游時(shí)，可根據(jù)與設(shè)備的距離來對(duì)設(shè)備運(yùn)行聲音的強(qiáng)度進(jìn)行感知，使工程人員更為直觀地了解設(shè)備．

創(chuàng)建聽覺交互分為 3步：①創(chuàng)建 Audio Source，在場(chǎng)景中設(shè)備處添加聲音源并設(shè)置循環(huán)播放；②創(chuàng)建Audio Listener，對(duì)虛擬漫游角色添加音頻接收模塊；③建立音響關(guān)系曲線，即用戶所能聽到的設(shè)備運(yùn)行聲音強(qiáng)度v和虛擬角色與設(shè)備相對(duì)位置d的關(guān)系曲線，如圖5所示．

圖5 動(dòng)態(tài)聲音強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.5 Curve of dynamic sound intensity

3 設(shè)備可視化管理功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

設(shè)備管理工作涉及到廠房運(yùn)行的各個(gè)方面，各部門涉及到設(shè)備管理信息繁多．為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和同步性，節(jié)省各個(gè)部門的工作量，本系統(tǒng)選擇了 C/S(客戶/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)[10]．

C/S結(jié)構(gòu)是將整個(gè)系統(tǒng)分為應(yīng)用程序(工作站)和后臺(tái)服務(wù)器兩部分．其優(yōu)點(diǎn)在于：對(duì)數(shù)據(jù)完整性和同步性的可靠控制；較好的開放性和易擴(kuò)充性；高效的應(yīng)用程序開發(fā)．

3.2 設(shè)備數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

設(shè)備數(shù)據(jù)是表示設(shè)備信息的數(shù)、字母和符號(hào)的集合，包括定量、定性的數(shù)據(jù)，文字說明及各種設(shè)備圖形．將設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織和分類，以便構(gòu)成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)據(jù)庫．本系統(tǒng)將設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為 3類：①設(shè)備屬性信息結(jié)構(gòu)，包括所有的設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱、設(shè)備所在樓層號(hào)、設(shè)備所在房間號(hào)；②設(shè)備圖件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括各種平面圖信息，該數(shù)據(jù)主要是通過點(diǎn)、線和多邊形等圖形來表示，由 AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行操作和存儲(chǔ)；③設(shè)備屬性體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即前兩種數(shù)據(jù)經(jīng)過分析映射到三維空間的體圖形數(shù)據(jù)庫．所有設(shè)備數(shù)據(jù)可以基于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理．

基于上述3種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫．主要工作可分為兩部分：建立三維空間圖形數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)；建立綜合設(shè)備數(shù)據(jù)庫的信息管理和查詢，以三維設(shè)備模型為中心，將各類數(shù)據(jù)關(guān)系和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)歸納(見圖6)．

圖6 三維設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)Fig.6 3D equipment information database design

3.3 設(shè)備信息可視化雙向查詢

3.3.1 點(diǎn)選設(shè)備模型查詢?cè)O(shè)備屬性信息

系統(tǒng)提供了在虛擬三維仿真環(huán)境中對(duì)廠房?jī)?nèi)部設(shè)備信息的查詢．通過鼠標(biāo)點(diǎn)選任意設(shè)備模型可以實(shí)時(shí)查詢?cè)O(shè)備的型號(hào)、尺寸和生產(chǎn)廠家等．場(chǎng)景設(shè)備信息查詢方案如下所述．

(1)獲取所選設(shè)備ID．本系統(tǒng)用射線拾取技術(shù)[11]對(duì)模型進(jìn)行拾取，即將攝像機(jī)觀察點(diǎn)設(shè)定為空間坐標(biāo)原點(diǎn)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊獲得屏幕坐標(biāo)并轉(zhuǎn)化為視錐體近截面的坐標(biāo)點(diǎn)，與攝像機(jī)原點(diǎn)構(gòu)成射線，則與該射線相交的最近的面所在的模型即為拾取模型．實(shí)現(xiàn)過程如下所述．

繪制高亮包圍盒

當(dāng)點(diǎn)選非設(shè)備模型以及每次點(diǎn)選新設(shè)備時(shí)，則自動(dòng)消失舊選設(shè)備高亮．

(3)根據(jù)設(shè)備 ID獲得該設(shè)備屬性信息．本系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫，通過空間設(shè)備 ID與屬性數(shù)據(jù) ID的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)廠房設(shè)備屬性信息的可視化查詢．表 1給出了設(shè)備主要屬性信息的存儲(chǔ)格式．

工程人員可根據(jù)點(diǎn)選設(shè)備模型獲取設(shè)備ID來了解設(shè)備信息．

表1 設(shè)備主要屬性信息存儲(chǔ)格式Tab.1 Equipment main attribute information storage formats schemes

3.3.2 輸入設(shè)備屬性信息定位設(shè)備模型

設(shè)備屬性信息定位設(shè)備模型是指用戶可輸入設(shè)備的部分信息，如類型、編號(hào)或房間進(jìn)行查詢，來定位到模型的實(shí)際位置，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行直觀的分析．

1) 三維查詢定位

通過設(shè)備信息在三維場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，可方便快捷地到達(dá)某一設(shè)備．

查詢定位實(shí)現(xiàn)的步驟依次如下：輸入查詢信息；結(jié)合查詢信息構(gòu)造SQL查詢語句；數(shù)據(jù)庫連接；執(zhí)行SQL查詢語句，從設(shè)備庫中取得滿足要求的記錄，并以列表形式顯示；獲取設(shè)備位置屬性信息，點(diǎn)擊設(shè)備列表中信息，確定所查三維場(chǎng)景中設(shè)備ID，進(jìn)而獲取設(shè)備空間位置坐標(biāo) ID.(X，Y，Z)；定位顯示，調(diào)用動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)攝像機(jī)，對(duì)所查詢?cè)O(shè)備進(jìn)行定位顯示．

其中動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)攝像機(jī)是指將場(chǎng)景中攝像機(jī)位置(X，Y，Z)以及攝像機(jī)視鏡角度(U，V，W)與設(shè)備模型信息 ID 進(jìn)行關(guān)聯(lián)．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分別為某設(shè)備的空間橫、縱、豎坐標(biāo)，u.ID、v.ID、w.ID為某設(shè)備所對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)的視鏡角度．即在定位時(shí)攝像機(jī)的位置始終與模型相對(duì)距離保持一定，而攝像機(jī)視鏡角度根據(jù)不同設(shè)備ID進(jìn)行調(diào)整．

2) 模糊搜索

查詢?cè)O(shè)備信息時(shí)，對(duì)設(shè)備信息的描述往往是不準(zhǔn)確、不完備的，因此系統(tǒng)提供模糊搜索功能，來處理不準(zhǔn)確的設(shè)備信息表述，使用戶可根據(jù)印象輸入關(guān)鍵詞，系統(tǒng)列出所有與之相關(guān)的設(shè)備信息以供選擇，快捷地找到目標(biāo)．

本文采用SQL Server的查詢語言中的模糊匹配功能，將用戶的輸入轉(zhuǎn)為帶通配符的 like子句，用SQL語句直接查詢?cè)O(shè)備信息數(shù)據(jù)庫表得到信息列表，供用戶選擇目標(biāo)．

4 工程實(shí)例

某水電站廠房為壩后式廠房，內(nèi)部包含 13個(gè)樓層、170余個(gè)房間，其內(nèi)部設(shè)備專業(yè)種類分為控制柜、空氣離心機(jī)、空調(diào)、壓縮泵、油泵等，主要設(shè)備總數(shù)高達(dá) 420余臺(tái)，分布在廠房?jī)?nèi)部各處，這使工程人員很難快速準(zhǔn)確地找到相關(guān)設(shè)備或者設(shè)備信息．為此，根據(jù)該水電站廠房和設(shè)備的 CAD圖紙，對(duì)廠房和設(shè)備進(jìn)行了可視化建模，并根據(jù)設(shè)備實(shí)際位置，在廠房中對(duì)設(shè)備進(jìn)行了定位．采用本文前述方法，開發(fā)了廠房和設(shè)備交互仿真系統(tǒng)．

在場(chǎng)景中根據(jù)廠房實(shí)際結(jié)構(gòu)漫游到某設(shè)備面前，點(diǎn)選該設(shè)備時(shí)，設(shè)備會(huì)高亮顯示，點(diǎn)選設(shè)備后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出窗口，顯示設(shè)備臺(tái)賬中所包含的該設(shè)備所有信息(見圖7)．

查詢定位是本系統(tǒng)的核心部分．用戶可根據(jù)對(duì)設(shè)備信息的了解輸入設(shè)備信息，點(diǎn)擊查詢，系統(tǒng)將與輸入信息相近的設(shè)備信息逐條列出．例如輸入“風(fēng)機(jī)”，則包含“風(fēng)機(jī)”的相關(guān)設(shè)備信息就會(huì)在窗口中逐條顯示出來，用戶可根據(jù)所顯示的信息列表進(jìn)一步確定要找的設(shè)備，通過在窗口點(diǎn)擊設(shè)備信息，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)定位到該設(shè)備并以高亮顯示，提高了工程人員對(duì)設(shè)備管理的效率(見圖8)．

圖8 輸入設(shè)備信息定位設(shè)備模型Fig.8 Input equipment information to position equipment model

另外，漫游時(shí)為了方便用戶在廠房中不同樓層之間切換，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的樓層添加了對(duì)應(yīng)的可點(diǎn)選標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了用戶在不同樓層之間的切換．點(diǎn)擊電站全景，則可快速地將電站全貌展現(xiàn)在面前(見圖 9)．點(diǎn)擊設(shè)備清單，則所有的設(shè)備臺(tái)賬信息將在窗口中顯示. 隨著場(chǎng)景中虛擬角色與個(gè)別運(yùn)行設(shè)備的距離變化，可感受到由此帶來的設(shè)備運(yùn)行聲音音強(qiáng)的變化，增加了場(chǎng)景的真實(shí)度．

圖9 電站漫游全景截圖Fig.9 Power station roaming panorama

5 結(jié) 語

本文以水電站廠房及其設(shè)備為對(duì)象，采用了可視化交互仿真建模方法，對(duì)水電站廠房虛擬環(huán)境真實(shí)度表達(dá)及設(shè)備可視化管理進(jìn)行了深入研究．通過碰撞檢測(cè)、應(yīng)用 Phong光照模型以及建立音頻交互曲線提高了虛擬場(chǎng)景的真實(shí)度，通過數(shù)據(jù)庫、射線拾取、動(dòng)態(tài)更改模型材質(zhì)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與設(shè)備信息的交互，解決了設(shè)備與設(shè)備臺(tái)賬相割裂的問題，提高了設(shè)備管理效率，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值．可視化交互仿真建模方法推動(dòng)了我國(guó)水利水電工程設(shè)計(jì)與管理科學(xué)化、智能化的發(fā)展．

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