專利名稱：水電站三維精確建模及可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及其實施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機應(yīng)用設(shè)計領(lǐng)域，具體是一種基于三維虛擬現(xiàn)實的培訓(xùn)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前水電站、變電站普遍采用傳統(tǒng)的課堂講授法及師帶徒弟，很難做到演示、實踐和反饋同步進行，且?guī)煾当旧砟芰窒薏⒅荒軐κ苡?xùn)者進行某一技藝或工作的培訓(xùn)且?guī)煄脚嘤?xùn)會持續(xù)好幾年，培訓(xùn)的周期過長。大部分課件或是專業(yè)性較強，深度、廣度不適合于員工培訓(xùn)使用；或是指向性較強，內(nèi)容局限在教學(xué)的某一個領(lǐng)域，單獨使用僅限于部分教學(xué)理論與技能的培訓(xùn)；或是理論性較強，不符合員工培訓(xùn)“提升教學(xué)技能”的目標要求；不能滿足員工的個性需求；容易導(dǎo)致理論與實踐相脫節(jié)；沒有直觀鮮明，以給員工留下深刻印象的資料。由紙質(zhì)資料轉(zhuǎn)變?yōu)槿S虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)難點是針對水電站、變電站設(shè)備的專業(yè)性及完成大量建模工作、三維軟件中模型相互調(diào)用，然后對這些模型進行動畫設(shè)計、虛擬現(xiàn)實場景大小的控制，確保使用對象長時間使用不至于出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。此外，三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)涉及到的數(shù)千個三維模型、數(shù)百個動畫有機的進行整合，以方便使用者調(diào)用，這也是開發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)所需解決的問題。中國專利申請:三維可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及其方法(公開號:CN102360535A，
公開日:2012.02.22)，公開了一種用于發(fā)電廠等系統(tǒng)對員工進行專業(yè)培訓(xùn)的系統(tǒng)，采用三維可視化的培訓(xùn)方式。該專利申請只是給出了系統(tǒng)框架和總體思路，并未具體公開如何實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實場景的控制方式，以及對三維模型、動畫的有機整合技術(shù)，而發(fā)電設(shè)備中涉及大量零部件，需建立大量模型進行動畫設(shè)計及虛擬現(xiàn)實場景的控制，使用容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，畫面不流暢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)使用過程中畫面不流暢，長期使用容易出現(xiàn)卡機現(xiàn)象等問題，提出一種基于三維虛擬的水電站培訓(xùn)系統(tǒng)及其實施方法。本發(fā)明提出一種基于三維虛擬的水電站培訓(xùn)系統(tǒng)，包括:數(shù)據(jù)資源層、核心服務(wù)層、應(yīng)用層，數(shù)據(jù)資源層包括:CAD設(shè)計單元、動畫處理單元、非線性編輯單元，數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、及標準規(guī)范；核心服務(wù)層實施對應(yīng)用層的各種子系統(tǒng)的管理和控制，核心服務(wù)層中各模塊根據(jù)數(shù)據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的設(shè)備圖紙、檢修作業(yè)手冊、設(shè)備、設(shè)施說明書，以及各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立；應(yīng)用層包括:三維模型子系統(tǒng)、虛擬維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。更進一步，數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫具體為=CAD設(shè)計單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備各部分零部件特征、部件之間相對位置關(guān)系建立實體模型，形成裝配數(shù)據(jù)庫；對實體模型進行網(wǎng)格化得到有限元模型，建立模型數(shù)據(jù)庫；動畫處理單元為低面數(shù)模型貼紋理、設(shè)置燈光、相機、物件運動軌跡，渲染得到三維動畫序列文件，形成動畫數(shù)據(jù)庫；非線性編輯單元對三維動畫序列文件、配音文件進行合成完成三維動畫，完成屬性數(shù)據(jù)庫。所述核心服務(wù)層包括:工業(yè)設(shè)計仿真單元、工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊、虛擬現(xiàn)實引擎，工業(yè)設(shè)計仿真單元對三維模型進行裝配關(guān)系設(shè)置、檢查干涉情況，生成虛擬維修子系統(tǒng)；工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)模型，三維模型標注注釋，生成三維模型子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎組裝虛擬現(xiàn)實模型庫的*.cry格式的模型文件、設(shè)置對應(yīng)的*.mtl的材質(zhì)貼圖文件及設(shè)置對應(yīng)的活動區(qū)域，形成虛擬漫游子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎場景中設(shè)置事故處理預(yù)案的交互，實現(xiàn)事故預(yù)演子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎的API接口調(diào)用水電站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實時刷新顯示，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)值刷新動態(tài)點，實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。本發(fā)明還提出一種三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)方法，包括步驟:在數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、及標準規(guī)范；核心服務(wù)層中各控制管理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫和標準規(guī)范，建立三維動畫序列文件、配音文件并合成三維動畫；核心服務(wù)層中各控制管理模塊根據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立。核心服務(wù)層中各控制管理模塊根據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中三維動畫，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立。應(yīng)用層子系統(tǒng)包括:三維模型子系統(tǒng)、三維維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。本發(fā)明針對發(fā)電設(shè)備中大量零部件建立模型進行動畫設(shè)計、虛擬現(xiàn)實場景大小的控制，對培訓(xùn)中涉及到的各種模型能夠?qū)崿F(xiàn)方便調(diào)用，確保使用對象長時間使用不至于出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2本發(fā)明實施流程圖。
具體實施例方式如圖1所示為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)資源層、核心服務(wù)層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)資源層建立各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫，及標準規(guī)范。核心服務(wù)層是本系統(tǒng)管理控制核心，實施對應(yīng)用層的各種子系統(tǒng)的管理和控制，包括碰撞干涉檢查模塊、虛擬樣機管理模塊、場景管理模塊、運行控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。應(yīng)用層包括:三維模型子系統(tǒng)、虛擬維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。三維模型子系統(tǒng)，表明零部件相對裝配關(guān)系，可任意隱藏，多角度旋轉(zhuǎn)，任意剖切、數(shù)據(jù)精確可查。虛擬維修子系統(tǒng)，方便在無法觀看實物的情況下借助本模型分析技術(shù)難點，在虛擬場景中實現(xiàn)零部件屬性查詢、二維圖紙查詢、交互安裝、裝配方案評估。
虛擬漫游子系統(tǒng)，實現(xiàn)對水電站、水輪機、控制柜以及其他輔助設(shè)備的自主可控漫游，并可深入到設(shè)備內(nèi)部進行漫游，對水電站的概況介紹和全景虛擬現(xiàn)實描述。事故預(yù)演子系統(tǒng)，通過虛擬三維場景，展現(xiàn)真實事故發(fā)生的情景。通過大屏幕投影系統(tǒng)，提供專業(yè)人員分析現(xiàn)場發(fā)生的實際故障，找出原因，發(fā)現(xiàn)解決方法。運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)，把部分設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)控信息顯示在虛擬模型中的對應(yīng)位置，使信息更加形象直觀。如圖2所示為本發(fā)明三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)實施工作流程。1.在數(shù)據(jù)資源層建立原始數(shù)據(jù)庫及模型數(shù)據(jù)庫。從設(shè)備各零部件圖及裝配圖中采集設(shè)備零部件形狀、幾何尺寸等部件特征、及零部件之間相對位置關(guān)系，建立原始數(shù)據(jù)庫。調(diào)用數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)和標準規(guī)范，建立三維動畫序列文件、配音文件并合成為三維動畫。以水電站、變電站新員工崗位成長路線為基礎(chǔ)，結(jié)合老員工、培訓(xùn)專家的經(jīng)驗，采集發(fā)電設(shè)備加工、安裝圖紙、檢修作業(yè)手冊、設(shè)備、設(shè)施說明書、圖片素材、圖紙資料及相關(guān)工程資料、標準規(guī)范中相關(guān)特征信息分類處理，建立CAD三維工業(yè)模型數(shù)據(jù)庫、虛擬仿真VR模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫。同時，數(shù)據(jù)庫中存入標準規(guī)范和知識資源。a、CAD設(shè)計單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備各部分零部件特征、部件之間相對位置關(guān)系建立1:1的實體模型，并形成裝配數(shù)據(jù)庫；
b、對實體模型進行網(wǎng)格化得到有限元模型。以本方案CAD設(shè)計單元制作的三維模型為例，模型擁有較多量的多邊型面，影響直接動畫制作效率，及制作虛擬現(xiàn)實的效率，無論在動畫渲染、還是虛擬現(xiàn)實中，需占用較大的硬件資源。因此，需先行將實體模型轉(zhuǎn)換為外觀一樣的“低面數(shù)模型”，提高計算機使用效率，形成VR虛擬現(xiàn)實模型數(shù)據(jù)庫，具體步驟為:動畫處理單元(3DsMax)利用編輯網(wǎng)格下的頂點子物體，刪除或焊接多余頂點，減少物體的分段數(shù)，再使用虛擬現(xiàn)實引擎導(dǎo)出*.cry格式的模型文件及*.mtl的材質(zhì)貼圖文件，獲得有限元模型，以形成虛擬現(xiàn)實(vr)模型庫。C、制定三維動畫策劃書，動畫處理單元為低面數(shù)模型貼紋理、設(shè)置燈光、相機、物件運動軌跡等，渲染得到三維動畫序列文件，形成動畫數(shù)據(jù)庫。d、利用非線性編輯Edius單元(視頻處理)對三維動畫序列文件、配音文件進行合成完成三維動畫。e、利用非線性編輯單元(視頻處理)單元對平面照片、效果圖、錄像、配音文件等合成完成平面類型的講解視頻。2.核心服務(wù)層中各控制管理模塊根據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立。應(yīng)用層子系統(tǒng)包括:三維模型子系統(tǒng)、三維維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。具體包括:
a、工業(yè)設(shè)計仿真單元(Solidwork)對三維模型進行設(shè)置的裝配關(guān)系、檢查干涉情況等，生成三維維修子系統(tǒng)。b、工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊(eDrawings)調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)模型，三維模型標注注釋，實現(xiàn)模型的任意旋轉(zhuǎn)、剖切功能，生成三維模型子系統(tǒng)。C、虛擬現(xiàn)實引擎(cryengine)組裝虛擬現(xiàn)實(vr)模型庫的*.cry格式的模型文件、設(shè)置對應(yīng)的*.mtl的材質(zhì)貼圖文件及設(shè)置對應(yīng)的活動區(qū)域、簡單交互功能形成虛擬漫游子系統(tǒng)。e、仿真操作和事故處理培訓(xùn)需要建立一個逼真的仿真環(huán)境在此環(huán)境中受訓(xùn)者能監(jiān)視和控制施工設(shè)備的運行同時完成施工過程中的各種操作。在虛擬現(xiàn)實引擎(cryengine)場景中設(shè)置相應(yīng)事故處理預(yù)案的交互，實現(xiàn)事故預(yù)演子系統(tǒng)。常見事故及復(fù)雜事故發(fā)生后，將引起繼電保護的連鎖動作和設(shè)備工況變化，并顯示越限設(shè)備的報警提示。f、通過虛擬現(xiàn)實引擎(cryengine)的API接口調(diào)用水電站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存放的已知數(shù)據(jù)及其他重要傳感器信息，如有功/無功給定值、導(dǎo)葉開度、發(fā)電機輸出電壓、電流等，在虛擬現(xiàn)實引擎(cryengine)場景中實時刷新顯示將其中定義的各種圖形顯示出來，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)值刷新動態(tài)點。以實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)，對設(shè)備實時監(jiān)控數(shù)據(jù)再現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種水電站三維精確建模及可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于，包括:數(shù)據(jù)資源層、核心服務(wù)層、應(yīng)用層，數(shù)據(jù)資源層包括:CAD設(shè)計單元、動畫處理單元、非線性編輯單元，數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、及標準規(guī)范；核心服務(wù)層實施對應(yīng)用層的各種子系統(tǒng)的管理和控制，核心服務(wù)層中各模塊根據(jù)數(shù)據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的設(shè)備圖紙、檢修作業(yè)手冊、設(shè)備、設(shè)施說明書，以及各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立；應(yīng)用層包括:三維模型子系統(tǒng)、虛擬維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫具體為=CAD設(shè)計單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備各部分零部件特征、部件之間相對位置關(guān)系建立實體模型，形成裝配數(shù)據(jù)庫；對實體模型進行網(wǎng)格化得到有限元模型，建立模型數(shù)據(jù)庫；動畫處理單元為低面數(shù)模型貼紋理、設(shè)置燈光、相機、物件運動軌跡，渲染得到三維動畫序列文件，形成動畫數(shù)據(jù)庫；非線性編輯單元對三維動畫序列文件、配音文件進行合成完成三維動畫,完成屬性數(shù)據(jù)庫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于，所述核心服務(wù)層包括:工業(yè)設(shè)計仿真單元、工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊、虛擬現(xiàn)實引擎，工業(yè)設(shè)計仿真單元對三維模型進行裝配關(guān)系設(shè)置、檢查干涉情況，生成虛擬維修子系統(tǒng)；工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)模型，三維模型標注注釋，生成三維模型子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎組裝虛擬現(xiàn)實模型庫的*.cry格式的模型文件、設(shè)置對應(yīng)的*.mtl的材質(zhì)貼圖文件及設(shè)置對應(yīng)的活動區(qū)域，形成虛擬漫游子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎場景中設(shè)置事故處理預(yù)案的交互，實現(xiàn)事故預(yù)演子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎的API接口調(diào)用水電站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實時刷新顯示，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)值刷新動態(tài)點，實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。
4.一種水電站三維精確建模及可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實施方法，其特征在于，包括步驟:在數(shù)據(jù)資源層建立發(fā)電設(shè)備各種零部件模型數(shù)據(jù)庫 、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、及標準規(guī)范；核心服務(wù)層中各控制管理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫和標準規(guī)范，建立三維動畫序列文件、配音文件并合成三維動畫；核心服務(wù)層中各控制管理模塊根據(jù)資源層中建立的各零部件的三維模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的各零部件相對位置關(guān)系及連接方式，完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立模型數(shù)據(jù)庫具體包括:從設(shè)備各零部件圖及裝配圖中采集設(shè)備零部件形狀、幾何尺寸、及零部件之間相對位置關(guān)系，調(diào)用標準規(guī)范，建立三維動畫序列文件、配音文件并合成為三維動畫。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立模型數(shù)據(jù)庫、裝配數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫具體包括=CAD設(shè)計單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備各部分零部件特征、部件之間相對位置關(guān)系建立實體模型，形成裝配數(shù)據(jù)庫；對實體模型進行網(wǎng)格化得到有限元模型；動畫處理單元為低面數(shù)模型貼紋理、設(shè)置燈光、相機、物件運動軌跡，渲染得到三維動畫序列文件，形成動畫數(shù)據(jù)庫；非線性編輯單元對三維動畫序列文件、配音文件進行合成完成三維動畫。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述核心服務(wù)層中各模塊完成應(yīng)用層各子系統(tǒng)的建立具體包括:工業(yè)設(shè)計仿真單元對三維模型進行裝配關(guān)系設(shè)置、檢查干涉情況，生成虛擬維修子系統(tǒng)；工業(yè)虛擬現(xiàn)實模塊調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)模型，三維模型標注注釋，生成三維模型子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎組裝虛擬現(xiàn)實模型庫的*.cry格式的模型文件、設(shè)置對應(yīng)的*.mtl的材質(zhì)貼圖文件及設(shè)置對應(yīng)的活動區(qū)域，形成虛擬漫游子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎場景中設(shè)置事故處理預(yù)案的交互，實現(xiàn)事故預(yù)演子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實引擎的API接口調(diào)用水電站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實時刷新顯示，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)值刷新動態(tài)點，實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述得到有限元模型具體為:動畫處理單元利用編輯網(wǎng)格下的頂點子物體，刪除或焊接多余頂點，減少物體的分段數(shù)，虛擬現(xiàn)實引擎導(dǎo)出*.cry格式的模型 文件及*.mtl的材質(zhì)貼圖文件，獲得有限元模型，形成虛擬現(xiàn)實模型庫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水電站三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，主要用于水電站、變電站等員工在設(shè)備運行、檢修方面的專業(yè)培訓(xùn)及一般工程問題處理決策。包括三維模型子系統(tǒng)、虛擬維修子系統(tǒng)、虛擬漫游子系統(tǒng)、事故預(yù)演子系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)。結(jié)合計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維技術(shù)模擬真實物體的方式為員工提供一種全新培訓(xùn)模式。具有針對性、實用性強，可不限時間、空間的進行的新培訓(xùn)方法。也是真正意義的數(shù)字化實用培訓(xùn)系統(tǒng)。
文檔編號G09B9/00GK103093663SQ20131005693
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月24日
發(fā)明者李定林, 周剛, 黃昆, 歐澤波, 相飛行, 陳謙, 張殿祥, 李應(yīng)剛, 柯維偉, 丘恩華 申請人:天生橋二級水力發(fā)電有限公司