CN103093663A - 水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站三维虚拟培训系统及其实现方法，主要用于水电站、变电站等员工在设备运行、检修方面的专业培训及一般工程问题处理决策。包括三维模型子系统、虚拟维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。结合计算机软硬件技术的飞速发展，三维技术模拟真实物体的方式为员工提供一种全新培训模式。具有针对性、实用性强，可不限时间、空间的进行的新培训方法。也是真正意义的数字化实用培训系统。

Description

水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统及其实施方法

技术领域

本发明涉及计算机应用设计领域，具体是一种基于三维虚拟现实的培训系统及其实现方法。

背景技术

目前水电站、变电站普遍采用传统的课堂讲授法及师带徒弟，很难做到演示、实践和反馈同步进行，且师傅本身能力局限并只能对受训者进行某一技艺或工作的培训且师带徒培训会持续好几年，培训的周期过长。

大部分课件或是专业性较强，深度、广度不适合于员工培训使用；或是指向性较强，内容局限在教学的某一个领域，单独使用仅限于部分教学理论与技能的培训；或是理论性较强，不符合员工培训“提升教学技能”的目标要求；不能满足员工的个性需求；容易导致理论与实践相脱节；没有直观鲜明，以给员工留下深刻印象的资料。

由纸质资料转变为三维虚拟培训系统的开发难点是针对水电站、变电站设备的专业性及完成大量建模工作、三维软件中模型相互调用，然后对这些模型进行动画设计、虚拟现实场景大小的控制，确保使用对象长时间使用不至于出现卡顿现象。此外，三维虚拟培训系统涉及到的数千个三维模型、数百个动画有机的进行整合，以方便使用者调用，这也是开发培训系统所需解决的问题。

中国专利申请：三维可视化仿真培训系统及其方法（公开号：CN102360535A，公开日：2012.02.22），公开了一种用于发电厂等系统对员工进行专业培训的系统，采用三维可视化的培训方式。该专利申请只是给出了系统框架和总体思路，并未具体公开如何实现对虚拟现实场景的控制方式，以及对三维模型、动画的有机整合技术，而发电设备中涉及大量零部件，需建立大量模型进行动画设计及虚拟现实场景的控制，使用容易出现卡顿现象，画面不流畅。

发明内容

本发明针对现有三维虚拟培训系统使用过程中画面不流畅，长期使用容易出现卡机现象等问题，提出一种基于三维虚拟的水电站培训系统及其实施方法。

本发明提出一种基于三维虚拟的水电站培训系统，包括：数据资源层、核心服务层、应用层，数据资源层包括：CAD设计单元、动画处理单元、非线性编辑单元，数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库、及标准规范；核心服务层实施对应用层的各种子系统的管理和控制，核心服务层中各模块根据数据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的设备图纸、检修作业手册、设备、设施说明书，以及各零部件相对位置关系及连接方式，完成应用层各子系统的建立；应用层包括：三维模型子系统、虚拟维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。

更进一步，数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库具体为：CAD设计单元调用数据库中设备各部分零部件特征、部件之间相对位置关系建立实体模型，形成装配数据库；对实体模型进行网格化得到有限元模型，建立模型数据库；动画处理单元为低面数模型贴纹理、设置灯光、相机、物件运动轨迹，渲染得到三维动画序列文件，形成动画数据库；非线性编辑单元对三维动画序列文件、配音文件进行合成完成三维动画，完成属性数据库。

所述核心服务层包括：工业设计仿真单元、工业虚拟现实模块、虚拟现实引擎，工业设计仿真单元对三维模型进行装配关系设置、检查干涉情况，生成虚拟维修子系统；工业虚拟现实模块调用三维模型数据库中相应模型，三维模型标注注释，生成三维模型子系统；虚拟现实引擎组装虚拟现实模型库的*.cry格式的模型文件、设置对应的*.mtl的材质贴图文件及设置对应的活动区域，形成虚拟漫游子系统；虚拟现实引擎场景中设置事故处理预案的交互，实现事故预演子系统；虚拟现实引擎的API接口调用水电站、变电站监控系统数据库，实时刷新显示，并根据实时数据值刷新动态点，实现运行状态监控子系统。

本发明还提出一种三维虚拟培训系统实现方法，包括步骤：在数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库、及标准规范；核心服务层中各控制管理模块调用数据库和标准规范，建立三维动画序列文件、配音文件并合成三维动画；核心服务层中各控制管理模块根据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的各零部件相对位置关系及连接方式，完成应用层各子系统的建立。

核心服务层中各控制管理模块根据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的各零部件相对位置关系及连接方式，调用数据库中三维动画，完成应用层各子系统的建立。

应用层子系统包括：三维模型子系统、三维维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。

本发明针对发电设备中大量零部件建立模型进行动画设计、虚拟现实场景大小的控制，对培训中涉及到的各种模型能够实现方便调用，确保使用对象长时间使用不至于出现卡顿现象。

附图说明

图1本发明系统结构图；

图2本发明实施流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明系统结构图。系统包括：数据资源层、核心服务层、应用层。数据资源层建立各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库，及标准规范。核心服务层是本系统管理控制核心，实施对应用层的各种子系统的管理和控制，包括碰撞干涉检查模块、虚拟样机管理模块、场景管理模块、运行控制模块、数据管理模块。应用层包括：三维模型子系统、虚拟维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。

三维模型子系统，表明零部件相对装配关系，可任意隐藏，多角度旋转，任意剖切、数据精确可查。

虚拟维修子系统，方便在无法观看实物的情况下借助本模型分析技术难点，在虚拟场景中实现零部件属性查询、二维图纸查询、交互安装、装配方案评估。

虚拟漫游子系统，实现对水电站、水轮机、控制柜以及其他辅助设备的自主可控漫游，并可深入到设备内部进行漫游，对水电站的概况介绍和全景虚拟现实描述。

事故预演子系统，通过虚拟三维场景，展现真实事故发生的情景。通过大屏幕投影系统，提供专业人员分析现场发生的实际故障，找出原因，发现解决方法。

运行状态监控子系统，把部分设备运行状态实时监控信息显示在虚拟模型中的对应位置，使信息更加形象直观。

如图2所示为本发明三维虚拟培训系统实施工作流程。

1.在数据资源层建立原始数据库及模型数据库。从设备各零部件图及装配图中采集设备零部件形状、几何尺寸等部件特征、及零部件之间相对位置关系，建立原始数据库。

调用数据库中原始数据和标准规范，建立三维动画序列文件、配音文件并合成为三维动画。

以水电站、变电站新员工岗位成长路线为基础，结合老员工、培训专家的经验，采集发电设备加工、安装图纸、检修作业手册、设备、设施说明书、图片素材、图纸资料及相关工程资料、标准规范中相关特征信息分类处理，建立CAD三维工业模型数据库、虚拟仿真VR模型数据库、装配数据库、属性数据库。同时，数据库中存入标准规范和知识资源。

a、CAD设计单元调用数据库中设备各部分零部件特征、部件之间相对位置关系建立1:1的实体模型，并形成装配数据库；

b、对实体模型进行网格化得到有限元模型。

以本方案CAD设计单元制作的三维模型为例，模型拥有较多量的多边型面，影响直接动画制作效率，及制作虚拟现实的效率，无论在动画渲染、还是虚拟现实中，需占用较大的硬件资源。因此，需先行将实体模型转换为外观一样的“低面数模型”，提高计算机使用效率，形成VR虚拟现实模型数据库，具体步骤为：动画处理单元（3DsMax）利用编辑网格下的顶点子物体，删除或焊接多余顶点，减少物体的分段数，再使用虚拟现实引擎导出*.cry格式的模型文件及*.mtl的材质贴图文件，获得有限元模型，以形成虚拟现实(vr)模型库。

c、制定三维动画策划书，动画处理单元为低面数模型贴纹理、设置灯光、相机、物件运动轨迹等，渲染得到三维动画序列文件，形成动画数据库。

d、利用非线性编辑Edius单元（视频处理）对三维动画序列文件、配音文件进行合成完成三维动画。

e、利用非线性编辑单元（视频处理）单元对平面照片、效果图、录像、配音文件等合成完成平面类型的讲解视频。

2.核心服务层中各控制管理模块根据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的各零部件相对位置关系及连接方式，完成应用层各子系统的建立。应用层子系统包括：三维模型子系统、三维维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。具体包括：

a、工业设计仿真单元（Solidwork）对三维模型进行设置的装配关系、检查干涉情况等，生成三维维修子系统。

b、工业虚拟现实模块（eDrawings）调用三维模型数据库中相应模型，三维模型标注注释，实现模型的任意旋转、剖切功能，生成三维模型子系统。

c、虚拟现实引擎（cryengine）组装虚拟现实(vr)模型库的*.cry格式的模型文件、设置对应的*.mtl的材质贴图文件及设置对应的活动区域、简单交互功能形成虚拟漫游子系统。

e、仿真操作和事故处理培训需要建立一个逼真的仿真环境在此环境中受训者能监视和控制施工设备的运行同时完成施工过程中的各种操作。在虚拟现实引擎（cryengine）场景中设置相应事故处理预案的交互，实现事故预演子系统。常见事故及复杂事故发生后，将引起继电保护的连锁动作和设备工况变化，并显示越限设备的报警提示。

f、通过虚拟现实引擎（cryengine）的API接口调用水电站、变电站监控系统数据库中存放的已知数据及其他重要传感器信息，如有功/无功给定值、导叶开度、发电机输出电压、电流等，在虚拟现实引擎（cryengine）场景中实时刷新显示将其中定义的各种图形显示出来，并根据实时数据值刷新动态点。以实现运行状态监控子系统，对设备实时监控数据再现。

Claims (8)

1.一种水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统，其特征在于，包括：数据资源层、核心服务层、应用层，数据资源层包括：CAD设计单元、动画处理单元、非线性编辑单元，数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库、及标准规范；核心服务层实施对应用层的各种子系统的管理和控制，核心服务层中各模块根据数据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的设备图纸、检修作业手册、设备、设施说明书，以及各零部件相对位置关系及连接方式，完成应用层各子系统的建立；应用层包括：三维模型子系统、虚拟维修子系统、虚拟漫游子系统、事故预演子系统、运行状态监控子系统。

2.根据权利要求1所述的培训系统，其特征在于，数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库具体为：CAD设计单元调用数据库中设备各部分零部件特征、部件之间相对位置关系建立实体模型，形成装配数据库；对实体模型进行网格化得到有限元模型，建立模型数据库；动画处理单元为低面数模型贴纹理、设置灯光、相机、物件运动轨迹，渲染得到三维动画序列文件，形成动画数据库；非线性编辑单元对三维动画序列文件、配音文件进行合成完成三维动画，完成属性数据库。

3.根据权利要求1所述的培训系统，其特征在于，所述核心服务层包括：工业设计仿真单元、工业虚拟现实模块、虚拟现实引擎，工业设计仿真单元对三维模型进行装配关系设置、检查干涉情况，生成虚拟维修子系统；工业虚拟现实模块调用三维模型数据库中相应模型，三维模型标注注释，生成三维模型子系统；虚拟现实引擎组装虚拟现实模型库的*.cry格式的模型文件、设置对应的*.mtl的材质贴图文件及设置对应的活动区域，形成虚拟漫游子系统；虚拟现实引擎场景中设置事故处理预案的交互，实现事故预演子系统；虚拟现实引擎的API接口调用水电站、变电站监控系统数据库，实时刷新显示，并根据实时数据值刷新动态点，实现运行状态监控子系统。

4.一种水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统实施方法,其特征在于，包括步骤：在数据资源层建立发电设备各种零部件模型数据库、装配数据库、属性数据库、及标准规范；核心服务层中各控制管理模块调用数据库和标准规范，建立三维动画序列文件、配音文件并合成三维动画；核心服务层中各控制管理模块根据资源层中建立的各零部件的三维模型，调用数据库中存储的各零部件相对位置关系及连接方式，完成应用层各子系统的建立。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立模型数据库具体包括：从设备各零部件图及装配图中采集设备零部件形状、几何尺寸、及零部件之间相对位置关系，调用标准规范，建立三维动画序列文件、配音文件并合成为三维动画。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立模型数据库、装配数据库、属性数据库具体包括：CAD设计单元调用数据库中设备各部分零部件特征、部件之间相对位置关系建立实体模型，形成装配数据库；对实体模型进行网格化得到有限元模型；动画处理单元为低面数模型贴纹理、设置灯光、相机、物件运动轨迹，渲染得到三维动画序列文件，形成动画数据库；非线性编辑单元对三维动画序列文件、配音文件进行合成完成三维动画。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述核心服务层中各模块完成应用层各子系统的建立具体包括：工业设计仿真单元对三维模型进行装配关系设置、检查干涉情况，生成虚拟维修子系统；工业虚拟现实模块调用三维模型数据库中相应模型，三维模型标注注释，生成三维模型子系统；虚拟现实引擎组装虚拟现实模型库的*.cry格式的模型文件、设置对应的*.mtl的材质贴图文件及设置对应的活动区域，形成虚拟漫游子系统；虚拟现实引擎场景中设置事故处理预案的交互，实现事故预演子系统；虚拟现实引擎的API接口调用水电站、变电站监控系统数据库，实时刷新显示，并根据实时数据值刷新动态点，实现运行状态监控子系统。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述得到有限元模型具体为：动画处理单元利用编辑网格下的顶点子物体，删除或焊接多余顶点，减少物体的分段数，虚拟现实引擎导出*.cry格式的模型文件及*.mtl的材质贴图文件，获得有限元模型，形成虚拟现实模型库。

Images