動力設備可視化如何建?

特約撰稿人:山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠 李柏震 尚昆 李桐

動力設備可視化如何建?

特約撰稿人:山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠 李柏震 尚昆 李桐

核心提示制造業是國民經濟的主體,是立國之本、興國之器、強國之基.當前,在新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成的歷史交匯時期,濟南卷煙廠在基于虛擬現實技術的動力設備可視化管理系統方面,取得了工作成效,為打造企業核心競爭力奠定了堅實的基礎.

車間動力設備相關管路涉及范圍廣、走向復雜,同時由于具有鍋爐和空壓機等特種設備,給維護管理帶來了一定的難度.為了提高工作效率,基于虛擬現實技術,利用三維建模軟件和人機交互軟件,開發了動力設備可視化管理系統.該系統可以幫助用戶在虛擬環境中,根據自己的意愿進行漫游和觀察設備,同時具有危險源提示和模擬常用視頻監控等功能,有利于員工分析設備環境以及培訓和學習.

構建虛擬環境

濟南卷煙廠能源動力中心負責全廠的能源供應.其中供水、鍋爐與空壓系統的相關管線和設備涉及分布范圍廣、走向復雜,且經過多年的設備改造和增減,更增加了復雜程度,使得日常管理及管路分析的工作量非常大,如圖1、2所示.由于鍋爐系統和空壓系統含有多種特種設備,工作人員不能擅自拆解進行維修或者學習,這給維修人員或者新員工的培訓學習帶來了困難,也不利于運行人員及時了解設備的內部構造來優化工作方式;能源動力中心設備數量大、種類多,因此不可避免的存在很多危險源,僅靠相關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、設備管理、教學培訓等工作中,增加了難度.為了解決以上問題,提高工作效率,研發了一套基于虛擬現實技術的動力設備可視化管理系統.通過三維建模軟件SolidWorks,對能源動力中心的動力設備及管線進行三維建模和虛擬裝配,構建了完整的虛擬環境;使用人機交互軟件VirTools進行人機交互設計,包括導入虛擬人物、設置虛擬攝像機、設計交互規則等.系統允許使用者在虛擬的設備三維壞境中進行漫游,以不同的視角,對設備及管線進行觀察,同時具備危險源提示和模擬常用視頻監控的功能.

圖1 鍋爐系統相關管線

圖2 供水系統相關管線

實施過程quot;四步走quot;

根據需求,系統的具體實施過程分為以下幾個步驟:梳理相關動力設備、建立三維模型、虛擬裝配、人機交互設計和系統調試.

梳理相關動力設備

通過分析能源動力中心的設備情況,決定將相對復雜的供水、鍋爐和空壓系統納入可視化管理系統之內.根據實地考察及仔細梳理,主要涉及的設備有:全自動軟水器、軟化水箱、凝結水箱、分水器、換熱器、凝結水回收器、燃氣鍋爐、除氧罐、排污擴容器、分汽缸、空壓機、儲氣罐、冷卻水循環泵及管道和附屬設備.

建立三維模型

通過對目前的各種三維建模軟件進行比較分析,選擇工作效率較高的SolidWorks作為本系統的三維建模軟件.對前期梳理好的設備,分別進行與實物比例為1:1的三維建模,同時,對能源動力中心和聯合工房的房屋結構進行同比例建模,如圖3～5所示.

圖3 鍋爐系統相關設備

圖4 鍋爐內部構造

圖5 空壓機

虛擬裝配

三維模型建好后,需要對其按照現場的位置進行虛擬裝配,才能構建出一個反應真實現場的虛擬環境.使用SolidWorks進行虛擬裝配,如圖6～8所示.

圖6 鍋爐、供水、鍋爐系統設備虛擬裝配

圖7 空壓機系統虛擬裝配

圖8 能源動力中心通往聯合工房各生產區域的空壓氣管道(綠色)

人機交互設計

人機交互設計是用戶與計算機交流的基礎,為了用戶能夠根據自己的意圖,達到在自由的虛擬環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行交互設計:

(1)導入三維模型

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備的三維模型文件轉換成3DXML文件,然后通過VirTools的導入功能進行導入,見下頁圖9所示.

(2)導入虛擬人物

為了增強系統的真實感,導入了虛擬人物模型并設計了其行走動作,見下頁圖10所示.

圖9 三維模型導入VirTools

圖10 導入人物模型

(3)添加虛擬攝像機

為了模擬出人在真實場景中漫游的效果,需要設置不同的虛擬攝像機來實現不同的視角.虛擬攝像機在系統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,主要設置的虛擬攝像機有第一視角攝像機和第三視角攝像機,如圖11所示.

(4)設計行為模塊

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

圖11 虛擬環境中攝像機

圖12 設計行為模塊

除了虛擬人物行走和視角切換等功能,本系統還設計了重點危險源提示模塊及常用視頻監控模塊.重點危險源提示模塊使用警示標志,為操作人員提示重點危險源的位置以及應急處置預案,如圖13所示.常用視頻監控模塊使操作者熟悉常用視頻監控地點及攝像頭位置,同時與真實攝像頭預留通訊接口,后期可以顯示真實環境中的現場實況,如圖14所示.

圖13 重點危險源提示

圖14 常用視頻監控模擬

系統實施需四項關鍵技術支撐

虛擬現實技術的動力設備可視化管理系統在初步完成以后,需要對系統進行調試,查找漏洞及不完善的地方.通過技術人員及車間員工試操作以后,找出并匯總一些細節方面的問題,經過討論確定了修改方案后,并且順利實施,達到系統調試的目的,使該系統更加完善.

系統實施過程中涉及以下關鍵技術:虛擬場景的渲染、模型的三維變換、碰撞檢測、多視口實時顯示技術.

虛擬場景的渲染

在可視化系統中,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的運動規律及空間特征,才能增加系統的真實感和沉浸感,使操作者體驗到身臨其境的感覺,有利于發揮系統的功用.

本系統使用DirectX11作為圖形渲染引擎,從讀取三維模型數據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系轉換到另一個坐標系.根據DirectX11的顯示過程,三維模型主要經過世界變換、視圖變換、投影變換和視口變換,其坐標系的轉換經過本地坐標系、世界坐標系、視圖坐標系、投影坐標系和視口坐標系.

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現.在虛擬環境中,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.

在虛擬環境中,若一個點的坐標為(x, y, z),則可以通過一個4X4的矩陣把這點的坐標變換為(x,,y,,z,),即:

所以:

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

碰撞檢測

為了使動力設備可視化管理系統更加真實,防止出現虛擬人物穿越車間墻體或者設備等漏洞的出現,需要設置碰撞檢測來模擬真實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,則認為兩物體發生碰撞,否則,沒有發生碰撞.但是,簡單的運算也會導致精確度降低,如圖16(A)所示,可以近似地認為兩個物體已經碰撞.在圖16(B)中,用這種方法檢測,兩個物體已經發生了碰撞,但是事實并沒有.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.如果檢測到發生了碰撞,那么就要進一步提高精度,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

多視口實時顯示技術

在動力設備可視化管理系統中,多視口實時顯示技術主要運用在模擬常用監控上.在實際情況中,能源動力中心內安裝多個攝像頭,用來實時監控設備的運行情況,為了使系統更加真實的反應作業環境,設置了虛擬攝像機來模擬常用監控攝像頭,并且可以在主畫面中實時顯示多個攝像頭所監控的圖像.不同虛擬攝像機所對應的圖像可以使用不同的視口顯示出來,為了實現在一個屏幕中顯示多個不同的視口,在DirectX11渲染過程中,可以通過設置不同視口的優先級,使優先級大的視口覆蓋掉優先級小的視口,使模擬監控的圖像顯示于主屏幕之上.

虛擬現實技術的動力設備可視化管理系統通過在能源動力中心投入使用,大大提高了員工對相關設備的熟知程度和工作效率,有效輔助了設備改造和升級項目,同時提高了學員的培訓和學習效果.

本系統是基于虛擬現實技術的軟件系統,主要針對擁有設備數量多、管線復雜的大型企業.該類企業的常規工作方式方法很類似,且本系統提供了輔助常規工作的功能.同時由于本系統所涉及的設備大部分為通用設備,對于其他企業或者培訓機構具有一定的借鑒和學習意義,也大大提高了本系統的可推廣性.