一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统的制作方法

1.本发明涉及虚拟环境技术领域，尤其涉及一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统。


背景技术：

2.虚拟环境技术是具有沉浸感、交互性和构想性基本特征的计算机高级人机界面，是一门综合了多学科的技术包括计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能技术、仿真技术等发展起来的新兴技术，是一种先进的计算机用户接口技术，它通过给用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，可提供十分逼真的场景，且利用手势、语言等方式可与其实时交互，构造出一种适人化的多维信息空间。它可对多个领域进行研究，是21世纪一门重要发展学科，一项影响生产生活的重要技术，vr在问世之始就以其超越现实的虚拟性与身临其境的真实感就大大吸引了人们的眼球，目前，被广泛应用于军事、教育、医学、网络游戏、产品展示、培训及旅游等领域。
3.随着我国电力工业的迅猛发展，火电发电机组容量的不断增大和自动化程度的不断提高，火电发电设备的可靠性、可用性、可维修与安全性的问题日益突出；为了更好的预防设备故障，减少事故发生，保障设备安全，结合实际生产情况，针对锅炉系统的设备特性，提出了一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中无法对火力发电设备的可靠性、可用性、可维修与安全性的问题得到更好的解决；以及更好的预防设备故障，减少事故发生，保障设备安全的问题，而提出的一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统，包括三维虚拟可视化系统，所述三维虚拟可视化系统包括三维虚拟环境、模型动画仿真、三维数据可视化、交互行为和信息说明；
7.所述三维虚拟环境用于对火电场设备、自然环境、运动仿真进行实时的动态模拟，并且以最自然的动作任意与此虚拟的现实进行交互；所述模型动画仿真用于再现辅机设备组以及其他设备的一些动态表现；所述三维数据可视化用于将科学计算中产生的数字信息转换成直观的图形和图像信息，并且将随时间和空间变化的物理现象或物理量形象地呈现出来，以获得对数据的理解与洞察；所述交互行为用于将三维场景中的物体或属性进行各种方式的互动，从而实现系统的实时交互功能；所述信息说明用于提供更为直观的感受，并且能进一步提供更加深刻和具体的信息。
8.优选地，所述三维虚拟环境包括三维模型、场景环境和场景特效；
9.所述三维模型用于实现三维虚拟环境的表达，并逐级对虚拟环境中的设备、设备的内外组成部分和各组成部分中的零、部件逐级进行建模；所述场景环境用于对火电厂真实环境的模拟；所述场景特效用于表现三维模型的颜色、光泽、质感等细节，以达到更加真实的效果。
10.优选地，所述模型动画仿真包括机组部件运动仿真、风吹树动和随机风场模拟；
11.所述机组部件运动仿真用于对叶轮部分、增速箱部分、传动轴等主要件的运动进行仿真，通过动画控制器和链接约束控制器来辅助完成一些结构复杂、运动轨迹比较繁复的功能；所述风吹树动通过treestorm插件自身的库文件创建出非常逼真的树木模型和动画效果；所述随机风场模拟用于模拟火力发电机组的实际工作环境，并运用粒子系统简单模拟了辅机设备组运行时风的运动状态效果。
12.优选地，所述三维数据可视化包括adams运动仿真和ansys有限元分析；
13.所述adams运动仿真用于对传动装置的多柔体叶轮、轮毂、主轴等系统进行动力学运动仿真；所述ansys有限元分析用于对进行的多柔体仿动力学进行仿真分析。
14.优选地，所述交互行为包括自动漫游、手动漫游和实时交互；
15.所述自动漫游用于系统处于无人操作时自动改变三维场景中视点的位置和视线的方向；所述手动漫游用于用户通过鼠标、键盘和脚本编辑等形式来改变三维场景中视点的位置和视线的方向；所述实时交互用于用户对三维场景中的物体或属性进行各种方式的互动。
16.优选地，所述信息说明包括风机参数信息、动力学仿真的数据信息和风电场的信息；
17.所述信息说明还用于实时显示辅机设备参数信息、火电厂的地理位置等详细内容以及动力学仿真数据信息。
18.优选地，所述粒子系统包括粒子的产生、粒子的属性、粒子的运动状态、粒子的消亡和粒子的绘制；
19.所述粒子系统对于不同的对象的描述方式可以随意调整，所述粒子系统粒子的生成由随机过程控制，可以动态改变，并且粒子系统的模型是过程化的，可以满足不同细节的需求。
20.优选地，所述手动漫游包括鼠标漫游、键盘漫游和路径漫游；
21.所述鼠标漫游用于用户通过操纵鼠标来实现在三维场景中的精准漫游；所述键盘漫游用于根据键盘漫游命令连续不断改变视点位置或视线方向并渲染场景，在系统相应键盘前进操作时的计算公式为：
[0022][0023]
式中：campos为视点当前的空间坐标；angy为视线绕y轴的旋转角度；seepd为视点前进的步长；
[0024]
所述路径漫游是将视线和路径方向保持一致的漫游方式。
[0025]
优选地，所述三维虚拟可视化系统还包括脚本语言的控制；
[0026]
所述脚本语言的控制用于对各类行为设计可以通过脚本程序来实现更加丰富的
试验效果；
[0027]
所述三维虚拟可视化系统还能自动完成对任意复杂场景的高效碰撞检测，并设置隐形墙用以限制主角的活动范围。
[0028]
优选地，所述三维虚拟可视化系统在完成整个虚拟可视化系统的三维虚拟环境、模型动画仿真、动力学数据可视化、交互行为和信息说明各个部分的设置后，可对整个虚拟场景文件进行发布、输出。
[0029]
相比现有技术，本发明的有益效果为：
[0030]
1、本发明对于锅炉辅机这种大型复杂设备，将虚拟现实技术应用于实际生产状况监测，处理分析结果，不仅能够增加产品模型和数据感知性，而且能够增强产品开发的自由度和获得更高层次的信息细节，使即使没有相关技术背景的非专家人员也更容易理解；较好的沉浸感和较高层次的信息细节使之在虚拟仿真培训、应用研究等领域均有非常广阔的应用前景。
[0031]
2、本发明以虚拟现实技术为出发点，详细阐述了虚拟现实系统中的三维虚拟环境模型的创建、运动仿真、可视化以及漫游交互等实现技术，并将其运用于火力发电机组虚拟可视化仿真系统的实现中，建立了多种层次、细节丰富的虚拟模型，真实再现了火力发电机组的实际工作环境，不仅可以使参与者沉浸在其中，而且能够实现参与者与三维仿真系统之间的实时漫游交互；而且将虚拟现实技术应用于动力学分析，处理分析结果，构建了一个更为直观的空间数据可视化分析环境，不仅能够增加产品模型和数据感知性，而且能够增强产品开发的自由度和获得更高层次的信息细节，具有较好的易用性、实用性和可操作性。
[0032]
3、本发明实现了对电厂锅炉辅机设备的三维数字化建模，通过锅炉部件指标数据、检修维护数据的综合有效关联，在虚拟现实环境中实现锅炉辅机设备的拆解、装配、查看，并以虚拟现实动态虚拟的方式表现了各类辅机设备的运行原理、检修仿真，同时三维模型能与实时数据以及关系数据库进行关联开发，实现了数据与模型的集成统一，减少管理层与锅炉专业人员信息传递损失，提高工作效率，对巩固设备理论知识、提升设备检维修业务能力、提升电厂锅炉辅机设备的事故分析及风险防范能力，有效掌握锅炉设备的结构特性与运行规律，提高设备检维修效率、降低检维修成本，增强机组设备可靠性等，为现代化的设备采用精细化的管理提供了三维可视化技术支撑，进一步提高了锅炉辅机设备的管理水平和技术水平。
附图说明
[0033]
图1为本发明提出的一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统的系统体系结构图；
[0034]
图2为本发明提出的一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统的界面布局图；
[0035]
图3为本发明提出的一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统的粒子系统流程图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0037]
参照图1
‑
3，一套基于虚拟环境技术的电站锅炉转运设备沉浸式交互软件系统，包括三维虚拟可视化系统，三维虚拟可视化系统包括三维虚拟环境、模型动画仿真、三维数据可视化、交互行为和信息说明；
[0038]
三维虚拟环境用于对火电场设备、自然环境、运动仿真进行实时的动态模拟，并且以最自然的动作任意与此虚拟的现实进行交互；模型动画仿真用于再现辅机设备组以及其他设备的一些动态表现；三维数据可视化用于将科学计算中产生的数字信息转换成直观的图形和图像信息，并且将随时间和空间变化的物理现象或物理量形象地呈现出来，以获得对数据的理解与洞察；交互行为用于将三维场景中的物体或属性进行各种方式的互动，从而实现系统的实时交互功能；信息说明用于提供更为直观的感受，并且能进一步提供更加深刻和具体的信息。
[0039]
其中，三维虚拟环境包括三维模型、场景环境和场景特效；
[0040]
三维模型用于实现三维虚拟环境的表达，并逐级对虚拟环境中的设备、设备的内外组成部分和各组成部分中的零、部件逐级进行建模，以获得较强的仿真立体效果；场景环境用于对火电厂真实环境的模拟，主要是对火电厂地形、花草树木、公路、交通工具等目标进行建模；场景特效用于表现三维模型的颜色、光泽、质感等细节，以达到更加真实的效果。
[0041]
其中，模型动画仿真包括机组部件运动仿真、风吹树动和随机风场模拟；
[0042]
机组部件运动仿真用于对叶轮部分、增速箱部分、传动轴等主要件的运动进行仿真，对于一些结构复杂、运动轨迹比较繁复的，通过动画控制器和链接约束控制器来辅助完成这些功能；
[0043]
动画控制器用来控制物体运动轨迹规律的事件，它决定动画参数如何在每一帧动画中形成规律以及一个动画参数在每一帧的值；
[0044]
链接约束控制器用于对层次链中由一个物体向另一个物体链接转移的动画制作；指定作为链接对象的父物体后，可以对开始的时间进行控制；
[0045]
风吹树动通过treestorm插件自身的库文件创建出非常逼真的树木模型和动画效果；随机风场模拟用于模拟火力发电机组的实际工作环境，研究火力机与空气之间的相互作用，并运用粒子系统简单模拟了辅机设备组运行时风的运动状态效果，获得了较为逼真的运动效果；
[0046]
粒子系统包括粒子的产生、粒子的属性、粒子的运动状态、粒子的消亡和粒子的绘制；
[0047]
粒子系统对于不同的对象的描述方式可以随意调整，粒子系统粒子的生成由随机过程控制，可以动态改变，并且粒子系统的模型是过程化的，可以满足不同细节的需求；粒子系统中每个粒子的属性都是时间的函数，每个粒子各自有自己的生命周期，而且可以随着时间的改变而变化，粒子系统可将不规则模糊物体的动态和随机性充分体现出来。
[0048]
其中，三维数据可视化包括adams运动仿真和ansys有限元分析；
[0049]
adams运动仿真用于对传动装置的多柔体叶轮、轮毂、主轴等系统进行动力学运动仿真；ansys有限元分析用于对进行的多柔体仿动力学进行仿真分析。
[0050]
其中，交互行为包括自动漫游、手动漫游和实时交互；
[0051]
自动漫游用于系统处于无人操作时自动改变三维场景中视点的位置和视线的方
向；手动漫游用于用户通过鼠标、键盘和脚本编辑等形式来改变三维场景中视点的位置和视线的方向；实时交互用于用户对三维场景中的物体或属性进行各种方式的互动；
[0052]
手动漫游包括鼠标漫游、键盘漫游和路径漫游；
[0053]
鼠标漫游用于用户通过操纵鼠标来实现在三维场景中的精准漫游；键盘漫游用于根据键盘漫游命令连续不断改变视点位置或视线方向并渲染场景，在系统相应键盘前进操作时的计算公式为：
[0054][0055]
式中：campos为视点当前的空间坐标；angy为视线绕y轴的旋转角度；seepd为视点前进的步长；
[0056]
路径漫游是通过先设置漫游路径，然后在将视点沿着路径移动，并将视线和路径方向保持一致的漫游方式。
[0057]
其中，信息说明包括风机参数信息、动力学仿真的数据信息和风电场的信息；
[0058]
信息说明还用于实时显示辅机设备参数信息、火电厂的地理位置等详细内容以及动力学仿真数据信息。
[0059]
其中，三维虚拟可视化系统还包括脚本语言的控制；
[0060]
脚本语言的控制用于实现更加丰富的试验效果，可以对各类行为设计可以通过脚本程序来实现，每段脚本程序可作为独立的对象保存为行为库，方便对虚拟对象进行封装时进行调用；
[0061]
三维虚拟可视化系统还能自动完成对任意复杂场景的高效碰撞检测，并设置隐形墙用以限制主角的活动范围。
[0062]
其中，三维虚拟可视化系统在完成整个虚拟可视化系统的三维虚拟环境、模型动画仿真、动力学数据可视化、交互行为和信息说明各个部分的设置后，可以对整个虚拟场景文件进行发布、输出。
[0063]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0064]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0065]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。