特約撰稿人:山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠 李柏震 尚昆 李桐

動力設(shè)備可視化如何建?

特約撰稿人:山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠 李柏震 尚昆 李桐

核心提示制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體,是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基.當(dāng)前,在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成的歷史交匯時期,濟(jì)南卷煙廠在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng)方面,取得了工作成效,為打造企業(yè)核心競爭力奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ).

車間動力設(shè)備相關(guān)管路涉及范圍廣、走向復(fù)雜,同時由于具有鍋爐和空壓機(jī)等特種設(shè)備,給維護(hù)管理帶來了一定的難度.為了提高工作效率,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),利用三維建模軟件和人機(jī)交互軟件,開發(fā)了動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng).該系統(tǒng)可以幫助用戶在虛擬環(huán)境中,根據(jù)自己的意愿進(jìn)行漫游和觀察設(shè)備,同時具有危險源提示和模擬常用視頻監(jiān)控等功能,有利于員工分析設(shè)備環(huán)境以及培訓(xùn)和學(xué)習(xí).

構(gòu)建虛擬環(huán)境

濟(jì)南卷煙廠能源動力中心負(fù)責(zé)全廠的能源供應(yīng).其中供水、鍋爐與空壓系統(tǒng)的相關(guān)管線和設(shè)備涉及分布范圍廣、走向復(fù)雜,且經(jīng)過多年的設(shè)備改造和增減,更增加了復(fù)雜程度,使得日常管理及管路分析的工作量非常大,如圖1、2所示.由于鍋爐系統(tǒng)和空壓系統(tǒng)含有多種特種設(shè)備,工作人員不能擅自拆解進(jìn)行維修或者學(xué)習(xí),這給維修人員或者新員工的培訓(xùn)學(xué)習(xí)帶來了困難,也不利于運(yùn)行人員及時了解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造來優(yōu)化工作方式;能源動力中心設(shè)備數(shù)量大、種類多,因此不可避免的存在很多危險源,僅靠相關(guān)文件描述很難使員工快速了解并定位每一個危險源的具體位置以及危險性.

綜合以上問題,致使員工在故障分析、設(shè)備管理、教學(xué)培訓(xùn)等工作中,增加了難度.為了解決以上問題,提高工作效率,研發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng).通過三維建模軟件SolidWorks,對能源動力中心的動力設(shè)備及管線進(jìn)行三維建模和虛擬裝配,構(gòu)建了完整的虛擬環(huán)境;使用人機(jī)交互軟件VirTools進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計,包括導(dǎo)入虛擬人物、設(shè)置虛擬攝像機(jī)、設(shè)計交互規(guī)則等.系統(tǒng)允許使用者在虛擬的設(shè)備三維壞境中進(jìn)行漫游,以不同的視角,對設(shè)備及管線進(jìn)行觀察,同時具備危險源提示和模擬常用視頻監(jiān)控的功能.

圖1 鍋爐系統(tǒng)相關(guān)管線

圖2 供水系統(tǒng)相關(guān)管線

實(shí)施過程quot;四步走quot;

根據(jù)需求,系統(tǒng)的具體實(shí)施過程分為以下幾個步驟:梳理相關(guān)動力設(shè)備、建立三維模型、虛擬裝配、人機(jī)交互設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試.

梳理相關(guān)動力設(shè)備

通過分析能源動力中心的設(shè)備情況,決定將相對復(fù)雜的供水、鍋爐和空壓系統(tǒng)納入可視化管理系統(tǒng)之內(nèi).根據(jù)實(shí)地考察及仔細(xì)梳理,主要涉及的設(shè)備有:全自動軟水器、軟化水箱、凝結(jié)水箱、分水器、換熱器、凝結(jié)水回收器、燃?xì)忮仩t、除氧罐、排污擴(kuò)容器、分汽缸、空壓機(jī)、儲氣罐、冷卻水循環(huán)泵及管道和附屬設(shè)備.

建立三維模型

通過對目前的各種三維建模軟件進(jìn)行比較分析,選擇工作效率較高的SolidWorks作為本系統(tǒng)的三維建模軟件.對前期梳理好的設(shè)備,分別進(jìn)行與實(shí)物比例為1:1的三維建模,同時,對能源動力中心和聯(lián)合工房的房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行同比例建模,如圖3～5所示.

圖3 鍋爐系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備

圖4 鍋爐內(nèi)部構(gòu)造

圖5 空壓機(jī)

虛擬裝配

三維模型建好后,需要對其按照現(xiàn)場的位置進(jìn)行虛擬裝配,才能構(gòu)建出一個反應(yīng)真實(shí)現(xiàn)場的虛擬環(huán)境.使用SolidWorks進(jìn)行虛擬裝配,如圖6～8所示.

圖6 鍋爐、供水、鍋爐系統(tǒng)設(shè)備虛擬裝配

圖7 空壓機(jī)系統(tǒng)虛擬裝配

圖8 能源動力中心通往聯(lián)合工房各生產(chǎn)區(qū)域的空壓氣管道(綠色)

人機(jī)交互設(shè)計

人機(jī)交互設(shè)計是用戶與計算機(jī)交流的基礎(chǔ),為了用戶能夠根據(jù)自己的意圖,達(dá)到在自由的虛擬環(huán)境中漫游以及切換視角的目的,采用VirTools軟件通過以下步驟進(jìn)行交互設(shè)計:

(1)導(dǎo)入三維模型

SolidWorks軟件與VirTools軟件的接口是3DXML文件,所以將建立并虛擬裝配好的車間和設(shè)備的三維模型文件轉(zhuǎn)換成3DXML文件,然后通過VirTools的導(dǎo)入功能進(jìn)行導(dǎo)入,見下頁圖9所示.

(2)導(dǎo)入虛擬人物

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的真實(shí)感,導(dǎo)入了虛擬人物模型并設(shè)計了其行走動作,見下頁圖10所示.

圖9 三維模型導(dǎo)入VirTools

圖10 導(dǎo)入人物模型

(3)添加虛擬攝像機(jī)

為了模擬出人在真實(shí)場景中漫游的效果,需要設(shè)置不同的虛擬攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)不同的視角.虛擬攝像機(jī)在系統(tǒng)中的作用即是模擬人的眼睛,它的方向即是人眼視線的方向,主要設(shè)置的虛擬攝像機(jī)有第一視角攝像機(jī)和第三視角攝像機(jī),如圖11所示.

(4)設(shè)計行為模塊

為了使虛擬人物模型能夠在虛擬車間內(nèi)模擬人真實(shí)的行走,需要給模型設(shè)計必要的行為模塊,如地板屬性、碰撞檢測、鍵盤控制、消息的發(fā)送與接收等,如圖12所示.

圖11 虛擬環(huán)境中攝像機(jī)

圖12 設(shè)計行為模塊

除了虛擬人物行走和視角切換等功能,本系統(tǒng)還設(shè)計了重點(diǎn)危險源提示模塊及常用視頻監(jiān)控模塊.重點(diǎn)危險源提示模塊使用警示標(biāo)志,為操作人員提示重點(diǎn)危險源的位置以及應(yīng)急處置預(yù)案,如圖13所示.常用視頻監(jiān)控模塊使操作者熟悉常用視頻監(jiān)控地點(diǎn)及攝像頭位置,同時與真實(shí)攝像頭預(yù)留通訊接口,后期可以顯示真實(shí)環(huán)境中的現(xiàn)場實(shí)況,如圖14所示.

圖13 重點(diǎn)危險源提示

圖14 常用視頻監(jiān)控模擬

系統(tǒng)實(shí)施需四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支撐

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng)在初步完成以后,需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,查找漏洞及不完善的地方.通過技術(shù)人員及車間員工試操作以后,找出并匯總一些細(xì)節(jié)方面的問題,經(jīng)過討論確定了修改方案后,并且順利實(shí)施,達(dá)到系統(tǒng)調(diào)試的目的,使該系統(tǒng)更加完善.

系統(tǒng)實(shí)施過程中涉及以下關(guān)鍵技術(shù):虛擬場景的渲染、模型的三維變換、碰撞檢測、多視口實(shí)時顯示技術(shù).

虛擬場景的渲染

在可視化系統(tǒng)中,虛擬場景的顯示對于操作者來說非常重要,只有屏幕中顯示的圖像符合真實(shí)的運(yùn)動規(guī)律及空間特征,才能增加系統(tǒng)的真實(shí)感和沉浸感,使操作者體驗(yàn)到身臨其境的感覺,有利于發(fā)揮系統(tǒng)的功用.

本系統(tǒng)使用DirectX11作為圖形渲染引擎,從讀取三維模型數(shù)據(jù)到把該模型顯示到屏幕上需要一系列過程,見下頁圖15所示.

圖15 DirectX11的渲染過程

從圖中可見,模型的顯示需要經(jīng)過幾個變換過程,這些變換過程主要用于將三維模型從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個坐標(biāo)系.根據(jù)DirectX11的顯示過程,三維模型主要經(jīng)過世界變換、視圖變換、投影變換和視口變換,其坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換經(jīng)過本地坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、視圖坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系和視口坐標(biāo)系.

模型的三維變換

一般情況下,模型的三維變換主要通過變換矩陣來實(shí)現(xiàn).在虛擬環(huán)境中,變換矩陣主要可以完成以下功能:改變物體的位置,改變物體的角度,改變物體的大小,改變觀察的位置、方向和視角.

在虛擬環(huán)境中,若一個點(diǎn)的坐標(biāo)為(x, y, z),則可以通過一個4X4的矩陣把這點(diǎn)的坐標(biāo)變換為(x,,y,,z,),即:

所以:

該可視化系統(tǒng)中,若想實(shí)現(xiàn)虛擬人物的平移,即若要將虛擬人物從坐標(biāo)為(x0,y0,z0)的位置平移到坐標(biāo)為(x1,y1,z1)的位置,則可以使用以下平移矩陣來實(shí)現(xiàn):

碰撞檢測

為了使動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng)更加真實(shí),防止出現(xiàn)虛擬人物穿越車間墻體或者設(shè)備等漏洞的出現(xiàn),需要設(shè)置碰撞檢測來模擬真實(shí)的物體與物體之間的碰撞情況.采用的碰撞檢測法是用球形來近似地表示物體或物體的一部分,然后再判斷這些包圍球是否相交.這樣僅需要測試兩個球體中心的距離是否小于它們的半徑和,若小于,則認(rèn)為兩物體發(fā)生碰撞,否則,沒有發(fā)生碰撞.但是,簡單的運(yùn)算也會導(dǎo)致精確度降低,如圖16(A)所示,可以近似地認(rèn)為兩個物體已經(jīng)碰撞.在圖16(B)中,用這種方法檢測,兩個物體已經(jīng)發(fā)生了碰撞,但是事實(shí)并沒有.為了避免以上錯誤判斷,采用了更高精度的檢測,用一個大的球體代表整個對象,然后檢測它是否和其它的球體相交.如果檢測到發(fā)生了碰撞,那么就要進(jìn)一步提高精度,將大的球體分割成一系列小的球體,并檢查與各小球體是否發(fā)生碰撞,不斷地分割檢查,直到得到滿意的近似值為止,如圖16(C)所示.

圖16 外接球體的碰撞檢測

多視口實(shí)時顯示技術(shù)

在動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng)中,多視口實(shí)時顯示技術(shù)主要運(yùn)用在模擬常用監(jiān)控上.在實(shí)際情況中,能源動力中心內(nèi)安裝多個攝像頭,用來實(shí)時監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況,為了使系統(tǒng)更加真實(shí)的反應(yīng)作業(yè)環(huán)境,設(shè)置了虛擬攝像機(jī)來模擬常用監(jiān)控攝像頭,并且可以在主畫面中實(shí)時顯示多個攝像頭所監(jiān)控的圖像.不同虛擬攝像機(jī)所對應(yīng)的圖像可以使用不同的視口顯示出來,為了實(shí)現(xiàn)在一個屏幕中顯示多個不同的視口,在DirectX11渲染過程中,可以通過設(shè)置不同視口的優(yōu)先級,使優(yōu)先級大的視口覆蓋掉優(yōu)先級小的視口,使模擬監(jiān)控的圖像顯示于主屏幕之上.

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動力設(shè)備可視化管理系統(tǒng)通過在能源動力中心投入使用,大大提高了員工對相關(guān)設(shè)備的熟知程度和工作效率,有效輔助了設(shè)備改造和升級項(xiàng)目,同時提高了學(xué)員的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)效果.

本系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件系統(tǒng),主要針對擁有設(shè)備數(shù)量多、管線復(fù)雜的大型企業(yè).該類企業(yè)的常規(guī)工作方式方法很類似,且本系統(tǒng)提供了輔助常規(guī)工作的功能.同時由于本系統(tǒng)所涉及的設(shè)備大部分為通用設(shè)備,對于其他企業(yè)或者培訓(xùn)機(jī)構(gòu)具有一定的借鑒和學(xué)習(xí)意義,也大大提高了本系統(tǒng)的可推廣性.