CN107423458A - 钢铁生产过程仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢铁生产仿真系统集成了多种功能操作平台，采用模块化方法来组织，包括场景漫游模块、人机交互模块、生产计划输入模块、生产计划执行模块、仿真系统评价模块，构成整个系统的框架。本发明将虚拟环境技术引入钢铁生产的全过程中，建立了钢铁产线物理模型，使其在设计期间便能直观地了解到设备结构和投产后实际运行的性能和生产效率，对方案进行评价。通过仿真过程的三维图形的实时动态显示可启发设计者的思维，探索设计方案存在的问题，及时提出解决办法，从而避免设计失误，提高设计质量，缩短设计和制造周期，能有效节约设计规划成本。本发明解决了现有仿真系统画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂的诸多问题。

Description

钢铁生产过程仿真系统

技术领域

本发明涉及一种仿真系统，特别是涉及一种可视化仿真系统，应用于数字化钢铁厂生产过程辅助控制系统技术领域。

背景技术

由于我国钢铁产能过剩，企业通过扩大经济规模而获得成本优势的途径不再可行；而钢铁行业可大幅度提高生产率、降低消耗的新技术更加难以获得。在这种情况下，取得成本优势需要钢铁企业在较稳定的市场规模下通过对生产过程的精益化管控，控制并降低生产、销售、物流各环节的成本来实现。

随着仿真技术的发展和制造业的新需求，仿真技术已经进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面。特别在供应链管理方面，物流仿真正在成为企业提高精益生产管理水平普遍采用的技术。

然而，市场上主流的仿真展示系统普遍存在着画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂等诸多问题。近年来，虚拟现实环境技术逐渐成为计算机图形学领域的热点研究问题，它具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特征。其在虚拟场景展示、虚拟制造中得到广泛应用，人们在日常生活中已经可以通过虚拟现实场景体验到逼真的三维视觉效果，由此对工业仿真系统的逼真性、流畅性、交互性提出了更高的要求。为了解决这一系列问题，本发明采用一种基于3D游戏引擎的解决方案，旨在建造一个交互性强、更为流畅、逼真的钢铁生产仿真系统。

Unreal引擎是世界上流行时间最久，用于开发第三方游戏最多的引擎之一。UE4(Unreal Engine 4)是EpicGames公司发布的一款基于C++的新一代开源免费的开发工具，是一套为DirectX10/11PC、Xbox One、Android等平台准备的完整游戏开发框架。具有渲染效率高、物理属性逼真、与多种三维图形软件无缝相接等优势，最初主要用于游戏开发领域，其强大的物理引擎与粒子系统，能够很好地仿真现实世界中的物理现象，使其不仅仅局限于游戏开发领域，在工业系统仿真、建筑可视化等领域也有应该很好的应用价值，但还未见到有关将其应用于钢铁生产过程管理的相关报道。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种钢铁生产过程仿真系统，利用虚拟仿真的技术方案，对钢铁生产过程进行可视化仿真，能对钢铁产线进行动态模拟，对用户指令等做出实时响应，使计算机能够跟踪用户的输入，及时按输入修改模拟获得的虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一种实时交互性关系。使其在模型设计中就能够感受到设计的效果，根据过程评价结果能够改进模型设计，启发计划制定者，在决策过程中从系统中学习，有利于计划的重设计和深化设计。将本发明铁生产过程仿真系统应用于钢铁生产的辅助控制，提高资源管理和生产工艺的精益化管控能力，有效降低消耗，降低生产成本，可大幅度提高生产率，并通过控制并降低生产、销售、物流各环节的成本来实现保持成本优势。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种钢铁生产过程仿真系统，主要由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；

其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，主要包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据；

虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出；

应用层主要包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；

表现层主要包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；

整体系统的各控制单元具体为：

三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到三维模型生成子系统中，在三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，三维模型生成子系统与人机交互子系统信号连接，三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；

人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；

场景漫游子系统与人机交互子系统信号连接，场景漫游子系统能对三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过人机交互子系统对漫游速率进行调节；

计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；

计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由三维模型生成子系统生成的对钢铁产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。

仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。

在上述虚幻引擎服务层中，虚幻引擎优选采用Unreal引擎，优选利用Unreal引擎的蓝图系统中的Spawn节点创建出炼钢生产线上需要的虚拟模型。

在上述数据库层中，优选上述业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程模型的放大缩小、旋转平移、视角转换和动作触发数据信息。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，在三维模型生成子系统中，优选采用虚幻引擎构建钢铁生产仿真系统，包括如下步骤：

步骤1：进行钢铁生产的设备模型及场景模型的建立，利用3ds MAX和Solidworks对钢铁生产车间进行等价造型,获得虚拟空间的等价三维模型，其中，Solidworks输出数据为二进制文件格式，然后将Solidworks输出数据导入3ds MAX中，运用插件对模型进行减面处理，最后输出为OBJ或FBX格式的3D格式文件；

步骤2：利用3ds MAX软件以及Photoshop软件进行贴图材质的制作和渲染，以钢铁生产过程采用的真实设备模型的材质为参考，进行贴图、材质的制作与渲染；

步骤3：进行设备模型的导入和场景搭建，将在步骤1中输出的FBX和OBJ格式的文件导入虚幻引擎中，根据钢铁生产车间的布置和工艺流程的需求搭建钢铁生产线模型；

步骤4：进行光效果和粒子效果的表现处理，钢铁从钢水铸造为板坯到最后轧制的过程是炼钢的主要钢铁生产工艺流程，根据在真实钢铁生产过程中流体的运动和场景的灯光效果，运用虚幻引擎自带的粒子系统和光源系统，实现系统流体流动的可视化仿真和光照渲染；

步骤5：建立系统功能模块的信息连接逻辑关系，使三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统组成钢铁生产仿真系统。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，场景漫游子系统的移动速率由引擎UMG功能模块的滑动条形式调节，漫游部分支持各钢铁生产设备模型的不同视角的来回切换，还支持通过键盘输入方式的信息交互。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，场景漫游子系统能实现虚拟场景中虚拟人漫游，能进行视点切换、碰撞检测、地势追踪，能获取目标信息，能进行场景的缩放、旋转和平移，能调整照明、声音、动画，能进行事件感知。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，计划输入子系统能输入炼钢区域的炼钢计划、钢包转运计划、浇次计划、连铸计划、板坯库区域的板坯出入库计划、装炉计划、转库作业计划数据、热轧生产计划、订单信息。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，计划输入子系统能输入的炼钢计划主要包括板坯切割计划、板坯流向相关信息，热轧计划包括装炉计划、热轧批量计划/单元计划板坯序列计划、热轧卷精整计划、热轧卷/板流向相关信息，热轧生产计划包括热卷/板入库计划、转库计划、发货计划。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，仿真评价子系统能实时反馈仿真运行中出现的警告错误事件，能通过人机交互子系统至少显示输出钢铁生产设备的利用率和工位等待时间信息。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，在仿真评价子系统中进行虚拟仿真环境初始化时，首先对仿真开始时刻的炼钢产线、板坯库、热轧产线、热轧成品库的初始状态进行初始化，该状态随着仿真进程改变，炼钢产线初始化主要包括炼钢-连铸产线设备的状态、能力、工序间传搁时间，板坯库初始化主要包括板坯库设备状态、能力、空/满载运行速度、板坯堆放规则，热轧产线初始化主要包括热轧产线设备状态、能力，热轧成品库初始化主要包括热轧成品库设备状态、能力、运行速度、热卷堆放规则信息的初始化；在仿真评价子系统中进行炼钢-连铸生产过程仿真时，基于炼钢-连铸产线仿真环境，以炼钢计划为输入条件，三维虚拟仿真炼钢-连铸阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，主要包括各炉次钢水在各工序设备上冶炼过程仿真实绩、钢水在工序间传搁过程实绩信息；在仿真评价子系统中进行板坯库仿真时，基于板坯库仿真环境，以板坯入库计划、转库计划、发货计划、装炉顺计划为输入条件，仿真板坯库中板坯物流的执行过程，输出仿真观测值，主要包括板坯入库作业、转库作业、整理倒垛、装炉作业等过程仿真实绩信息；在仿真评价子系统中进行热轧生产过程仿真时，基于热轧产线仿真环境，以热轧计划为输入条件，仿真热轧生产阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，包括各块板坯/钢卷在热轧各阶段的加工开始时刻、完成时刻信息。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明系统模拟钢铁生产现场的真实情况，可在三维空间以任意角度缩放观看，直观性强；

2.利用本发明系统，能在生产计划真实投产之前就可将计划置于系统中运行一遍，及时发现生产瓶颈，辅助决策；

3.本发明系统将游戏引擎应用于流程工业仿真系统，直观且生动，市场上目前没有应用此类技术；

4.本发明系统采用三维虚拟仿真系统，区别于传统二维面板中各种表格和曲线，本发明三维虚拟仿真系统有效解决了传统信息表现方式中不直观，信息完整性、有效性差的问题；

5.本发明仿真系统可以输入并执行多种计划，并输出多种仿真结果，显示生产状态并评价计划优劣，对钢铁生产的辅助控制具有显著意义。

附图说明

图1为本发明实施例一钢铁生产过程仿真系统的主要系统组成部分的原理示意图。

图2为本发明实施例一钢铁生产过程仿真系统的工作流程的原理示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种钢铁生产过程仿真系统，由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据，即包括钢铁生产过程模型的放大缩小、旋转平移、视角转换和动作触发数据信息；虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出，虚幻引擎采用Unreal引擎，利用Unreal引擎的蓝图系统中的Spawn节点创建出炼钢生产线上需要的虚拟模型，Unreal引擎是一个全面整合的专业三维引擎，提供了具有柔和阴影与烘焙的高度完善的光影渲染系统和粒子系统，引擎具备开发过程技术要求高，高级渲染效果和用户定制支持远远高于其它的优势，非常适合虚拟展示和逼真表现的需求；应用层包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；表现层包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；

整体系统的各控制单元具体为：

三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到三维模型生成子系统中，在三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，三维模型生成子系统与人机交互子系统信号连接，三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；

人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；人机交互是在动画仿真过程中，虚幻引擎提供了用户界面图形建立的功能，根据此功能建立了人机交互界面，当用户利用人机交互界面手动双击钢包图标时，就能显示此时正在加工的设备所有信息，能根据需要修改它的参数，达到动态的修改炼钢连铸计划的目的；

场景漫游子系统与人机交互子系统信号连接，场景漫游子系统能对三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过人机交互子系统对漫游速率进行调节；本实施例场景漫游子系统支持任意方位的场景漫游及漫游速率的调节，由于虚幻引擎是实时视景仿真模拟驱动软件，本实施例利用虚幻引擎用于环境渲染、视觉特性定义和场景描述，能实现虚拟场景中虚拟人漫游，视点切换，碰撞检测，地势追踪，获取目标信息、场景的缩放、旋转和平移、照明、声音、动画、事件感知，增加交互的真实性和及时性；

计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；

计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由三维模型生成子系统生成的对钢铁产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。

仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。

在本实施例中，参见图1和图2，在三维模型生成子系统中，采用虚幻引擎构建钢铁生产仿真系统，包括如下步骤：

步骤1：进行钢铁生产的设备模型及场景模型的建立，利用3ds MAX和Solidworks对钢铁生产车间进行等价造型,获得虚拟空间的等价三维模型，其中，Solidworks输出数据为二进制文件格式，然后将Solidworks输出数据导入3ds MAX中，运用插件对模型进行减面处理，最后输出为OBJ或FBX格式的3D格式文件；

步骤2：利用3ds MAX软件以及Photoshop软件进行贴图材质的制作和渲染，以钢铁生产过程采用的真实设备模型的材质为参考，进行贴图、材质的制作与渲染；能够更细致地展现钢铁厂的真实面貌，使仿真效果更加真实；

步骤3：进行设备模型的导入和场景搭建，将在步骤1中输出的FBX和OBJ格式的文件导入虚幻引擎中，根据钢铁生产车间的布置和工艺流程的需求搭建钢铁生产线模型；

步骤4：进行光效果和粒子效果的表现处理，钢铁从钢水铸造为板坯到最后轧制的过程是炼钢的主要钢铁生产工艺流程，根据在真实钢铁生产过程中流体的运动和场景的灯光效果，运用虚幻引擎自带的粒子系统和光源系统，实现系统流体流动的可视化仿真和光照渲染，丰富仿真现象；

步骤5：建立系统功能模块的信息连接逻辑关系，使三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统组成钢铁生产仿真系统。实现数据的采集功能、数据文件的预处理功能、交互操作功能、2D及3D漫游导航功能、动画仿真表现、状态信息实时呈现功能、仿真结果输出与评价功能。

在本实施例中，参见图1，场景漫游子系统的移动速率由引擎UMG功能模块的滑动条形式调节，漫游部分支持各钢铁生产设备模型的不同视角的来回切换，还支持通过键盘输入方式的信息交互。场景漫游子系统能实现虚拟场景中虚拟人漫游，能进行视点切换、碰撞检测、地势追踪，能获取目标信息，能进行场景的缩放、旋转和平移，能调整照明、声音、动画，能进行事件感知。

在本实施例中，参见图1，计划输入子系统能输入炼钢区域的炼钢计划、钢包转运计划、浇次计划、连铸计划、板坯库区域的板坯出入库计划、装炉计划、转库作业计划数据、热轧生产计划、订单信息。计划输入子系统能输入的炼钢计划具体包括板坯切割计划、板坯流向相关信息，热轧计划包括装炉计划、热轧批量计划/单元计划板坯序列计划、热轧卷精整计划、热轧卷/板流向相关信息，热轧生产计划包括热卷/板入库计划、转库计划、发货计划，订单信息包括合同交货日期等信息。计划输入子系统支持与数据库的连接，能够进行动态导入数据。本实施例能在仿真周期内需要执行的有关生产和物流过程的所有计划，为仿真评价子系统的运行效果提供有效保障。

在本实施例中，参见图1，在仿真评价子系统中进行虚拟仿真环境初始化时，首先对仿真开始时刻的炼钢产线、板坯库、热轧产线、热轧成品库的初始状态进行初始化，该状态随着仿真进程改变，炼钢产线初始化主要包括炼钢-连铸产线设备的状态、能力、工序间传搁时间，板坯库初始化主要包括板坯库设备状态、能力、空/满载运行速度、板坯堆放规则，热轧产线初始化主要包括热轧产线设备状态、能力，热轧成品库初始化主要包括热轧成品库设备状态、能力、运行速度、热卷堆放规则信息的初始化，其中炼钢-连铸产线设备包括冶炼设备和运输设备，其中热轧产线设备包括加热炉、粗轧机组、精轧机组、层流冷却、卷曲机；在仿真评价子系统中进行炼钢-连铸生产过程仿真时，基于炼钢-连铸产线仿真环境，以炼钢计划为输入条件，三维虚拟仿真炼钢-连铸阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，包括各炉次钢水在各工序设备上冶炼过程仿真实绩、钢水在工序间传搁过程实绩信息；在仿真评价子系统中进行板坯库仿真时，基于板坯库仿真环境，以板坯入库计划、转库计划、发货计划、装炉顺计划为输入条件，仿真板坯库中板坯物流的执行过程，输出仿真观测值，主要包括板坯入库作业、转库作业、整理倒垛、装炉作业等过程仿真实绩信息；在仿真评价子系统中进行热轧生产过程仿真时，基于热轧产线仿真环境，以热轧计划为输入条件，仿真热轧生产阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，包括各块板坯/钢卷在热轧各阶段的加工开始时刻、完成时刻信息。

在本实施例中，参见图1和图2，本实施例计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，解析并执行相应计划，以数据驱动三维场景中的虚拟模型的运动，模拟生产实际。利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，动画演示钢铁生产流程，使本实施例钢铁生产过程仿真系统应用于辅助应用于钢铁生产流程控制成为可能。本实施例虚拟仿真评价子系统根据仿真运行情况，实时更新显示各设备状态信息，输出计划评价结果，及时反馈仿真运行中出现的警告错误事件。模型运行过程中，可以显示设备的利用率和工位等待时间，这些评价指标可以提示操作人员如何做出决策可以使这些指标更加符合实际需要，提高生产效率。

在本实施例中，参见图1和图2，本实施例系统是集成了多种功能的操作平台，其设计采用模块化的方法来组织。本实施例仿真系统是要实现一个模拟真实钢铁生产线的三维虚拟仿真系统，它可以对钢铁产线进行动态模拟，对用户指令等做出实时响应，并及时按输入修改模拟获得的虚拟环境，动画模拟钢铁产线的全过程，评价反馈生产计划的优劣结果。在实时仿真的过程中，用户可以对当前布局方案中的参数进行修改，仿真系统会根据修改后的参数显示新的运行情况，观察新的系统运行结果，有助于用户对方案做出进一步评价。可以在仿真运行过程中，通过方向键、快捷键、菜单等形式，对作业场景不同部位进行浏览，对局部进行详细的仿真分析。生产计划输入子系统能实现炉次、浇次和热轧等生产计划的编制和优化，用户可以手动输入生产计划数据，也可从服务器中动态导入，操作控制方案非常丰富。生产计划执行子系统能根据输入或导入的数据格式，解析并执行相应计划，以数据驱动三维场景中的虚拟模型的运动，模拟生产实际。利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，动画演示钢铁生产流程，效果逼真。仿真系统评价子系统能根据仿真运行情况，实时更新显示各设备状态信息，输出评价结果，及时反馈仿真运行中出现的警告错误事件。能显示设备的利用率和工位等待时间等，这些评价指标可以提示操作人员如何做出决策可以使这些指标更加符合实际需要，提高生产效率。本实施例基于虚幻引擎的钢铁生产仿真系统解决了目前现有的仿真系统画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂等诸多问题。本实施例将虚拟环境技术引入到钢铁生产的全过程中，建立了钢铁产线物理模型，使其在设计期间便能直观地了解到设备结构和投产后实际运行的性能和生产效率，对方案进行评价。通过仿真过程的三维图形的实时动态显示可启发设计者的思维，探索设计方案可能存在的问题，及时提出解决办法，从而避免设计中的失误。提高设计质量，缩短设计和制造周期，能最大的节约设计规划成本。

参见图1和图2，本实施例钢铁生产仿真系统采用了虚幻引擎技术基于B/S架构跨操作系统平台设计，系统分为数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层4层结构，并根据钢铁生产过程的特点，采用了一系列仿真系统核心模块；数据库通过文件集合来对系统关键数据进行存储，在平台中分为场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据包括建模、材质和动作，业务数据库的元数据包括设备坐标和生产信息，主要指系统的运行逻辑，包括模型的放大缩小、旋转平移、视角转换和动作触发。表现层包括用户界面和特效处理，特效处理包括动画效果和模型特效。虚幻引擎解析来自MES系统的动态数据，利用这些数据驱动等价三维模型，从而实现钢铁生产车间可视化的目的。控制部分是在上述的可视化界面中添加控制界面和生产计划操作界面，用户能通过这些界面下达生产计划执行命令，将指令发送给系统中的各个控制单元。本实施例通过对智能制造车间的研究，将MES系统生产计划和调度的状态信息用来驱动三维虚拟空间内的模型即虚拟空间的等价三维模型，从而用三维动画模拟生产车间的状态，并将车间状态显示在虚拟的空间内，以此直观地表现生产过程，及时发现生产瓶颈因素，指导决策。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，仿真评价子系统能实时反馈仿真运行中出现的警告错误事件，能通过人机交互子系统显示输出钢铁生产设备的利用率和工位等待时间信息。在同一虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，模型之间或模型内部元素之间都会涉及到碰撞问题，此时为保持环境的真实性，需要及时检测到这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则物体间会发生穿透现象，破坏虚拟环境的真实感和用户的沉浸感。因此，为了增加虚拟漫游真实感，本实施例系统还实现了碰撞检测功能，以此及时提示板坯、天车等模型的碰撞预警。通过虚幻引擎工具，基本可不用编写代码而实现此功能。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明钢铁生产过程仿真系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：主要由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；

其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，主要包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据；

虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出；

应用层主要包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；

表现层主要包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；

整体系统的各所述控制单元具体为：

所述三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到所述三维模型生成子系统中，在所述三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出所述三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，所述三维模型生成子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；

所述人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，所述人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过所述人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；

所述场景漫游子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述场景漫游子系统能对所述三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过所述人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过所述人机交互子系统对漫游速率进行调节；

所述计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过所述人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；

所述计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由所述三维模型生成子系统生成的对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过所述人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。

所述仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据所述计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。

2.根据权利要求1所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：在所述虚幻引擎服务层中，引擎采用Unreal引擎，利用Unreal引擎的蓝图系统中的Spawn节点创建出炼钢生产线上需要的虚拟模型。

3.根据权利要求1所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：在所述数据库层中，所述业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程模型的放大缩小、旋转平移、视角转换和动作触发数据信息。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：在所述三维模型生成子系统中，采用虚幻引擎构建钢铁生产仿真系统，包括如下步骤：

步骤1：进行钢铁生产的设备模型及场景模型的建立，利用3ds MAX和Solidworks对钢铁生产车间进行等价造型,获得虚拟空间的等价三维模型，其中，Solidworks输出数据为二进制文件格式，然后将Solidworks输出数据导入3ds MAX中，运用插件对模型进行减面处理，最后输出为OBJ或FBX格式的3D格式文件；

步骤2：利用3ds MAX软件以及Photoshop软件进行贴图材质的制作和渲染，以钢铁生产过程采用的真实设备模型的材质为参考，进行贴图、材质的制作与渲染；

步骤3：进行设备模型的导入和场景搭建，将在所述步骤1中输出的FBX和OBJ格式的文件导入虚幻引擎中，根据钢铁生产车间的布置和工艺流程的需求搭建钢铁生产线模型；

步骤4：进行光效果和粒子效果的表现处理，钢铁从钢水铸造为板坯到最后轧制的过程是炼钢的主要钢铁生产工艺流程，根据在真实钢铁生产过程中流体的运动和场景的灯光效果，运用虚幻引擎自带的粒子系统和光源系统，实现系统流体流动的可视化仿真和光照渲染；

步骤5：建立系统功能模块的信息连接逻辑关系，使三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统组成钢铁生产仿真系统。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：所述场景漫游子系统的移动速率由引擎UMG功能模块的滑动条形式调节，漫游部分支持各钢铁生产设备模型的不同视角的来回切换，还支持通过键盘输入方式的信息交互。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：所述场景漫游子系统能实现虚拟场景中虚拟人漫游，能进行视点切换、碰撞检测、地势追踪，能获取目标信息，能进行场景的缩放、旋转和平移，能调整照明、声音、动画，能进行事件感知。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：所述计划输入子系统能输入炼钢区域的炼钢计划、钢包转运计划、浇次计划、连铸计划、板坯库区域的板坯出入库计划、装炉计划、转库作业计划数据、热轧生产计划、订单信息。

8.根据权利要求7所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：所述计划输入子系统能输入的炼钢计划主要包括板坯切割计划、板坯流向相关信息，热轧计划包括装炉计划、热轧批量计划/单元计划板坯序列计划、热轧卷精整计划、热轧卷/板流向相关信息，热轧生产计划包括热卷/板入库计划、转库计划、发货计划。

9.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：所述仿真评价子系统能实时反馈仿真运行中出现的警告错误事件，能通过所述人机交互子系统显示输出钢铁生产设备的利用率和工位等待时间信息。

10.根据权利要求1～3中任意一项所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：在所述仿真评价子系统中进行虚拟仿真环境初始化时，首先对仿真开始时刻的炼钢产线、板坯库、热轧产线、热轧成品库的初始状态进行初始化，该状态随着仿真进程改变，炼钢产线初始化主要包括炼钢-连铸产线设备的状态、能力、工序间传搁时间，板坯库初始化主要包括板坯库设备状态、能力、空/满载运行速度、板坯堆放规则，热轧产线初始化主要包括热轧产线设备状态、能力，热轧成品库初始化主要包括热轧成品库设备状态、能力、运行速度、热卷堆放规则信息的初始化；在所述仿真评价子系统中进行炼钢-连铸生产过程仿真时，基于炼钢-连铸产线仿真环境，以炼钢计划为输入条件，三维虚拟仿真炼钢-连铸阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，主要包括各炉次钢水在各工序设备上冶炼过程仿真实绩、钢水在工序间传搁过程实绩信息；在所述仿真评价子系统中进行板坯库仿真时，基于板坯库仿真环境，以板坯入库计划、转库计划、发货计划、装炉顺计划为输入条件，仿真板坯库中板坯物流的执行过程，输出仿真观测值，主要包括板坯入库作业、转库作业、整理倒垛、装炉作业等过程仿真实绩信息；在所述仿真评价子系统中进行热轧生产过程仿真时，基于热轧产线仿真环境，以热轧计划为输入条件，仿真热轧生产阶段各计划的执行过程，输出仿真观测值，包括各块板坯/钢卷在热轧各阶段的加工开始时刻、完成时刻信息。