CN108230440A - 基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统及方法。本发明的目的是使受训者最大限度的贴近实际操作，提高受训效果。本发明的技术方案是：一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：具有三维数字情景仿真模块、虚拟现实交互模块、三维虚拟人物动作模块、虚拟现实/增强现实接口模块、数据信息采集模块、信息感知融汇模块、多源数据搜索模块和设备连接控制模块；所述三维数字情景仿真模块，用于建立三维数字化模型；所述虚拟现实交互模块，用于用户通过虚拟现实的硬件设备实现与由所述三维数字情景仿真模块所建立的三维数字化模型进行交互。本发明适用于计算机辅助设计及工业设计领域。

Description

基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统及方法。适用于计算机辅助设计及工业设计领域。

背景技术

学校化工系学生、化工企业新员工对化工工艺不了解，对设备的操作流程和操作规范不熟悉，只靠书本和操作制度的学习是无法胜任实际工作的。采用仿真系统进行培训是一种效果很好的培训方式，目前多采用图文、计算机画面(2D)、计算机动画(3D)模拟工厂现场进行培训，然而现有的培训方式很难极其逼真的模拟培训的相应场景，对受训者的培训效果还是不够理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统及方法，以使受训者最大限度的贴近实际操作，提高受训效果。

本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：具有三维数字情景仿真模块、虚拟现实交互模块、三维虚拟人物动作模块、虚拟现实/增强现实接口模块、数据信息采集模块、信息感知融汇模块、多源数据搜索模块和设备连接控制模块；

所述三维数字情景仿真模块，用于建立三维数字化模型；

所述虚拟现实交互模块，用于用户通过虚拟现实的硬件设备实现与由所述三维数字情景仿真模块所建立的三维数字化模型进行交互；

所述三维虚拟人物动作模块，用于通过键盘和鼠标控制虚拟人物在由所述三维数字化模型构建的三维虚拟场景中的体态动作；

所述虚拟现实/增强现实接口模块，用于实现与虚拟现实/增强现实的硬件设备数据交互；

所述数据信息采集模块，用于在在线模式下提供数据信息的数据采集和数据传输；

所述信息感知融汇模块，通过所述数据信息采集模块获取现场信息，实时反映到由所述三维数字化模型构建的三维虚拟场景，建立真实场景在三维虚拟场景中的实时镜像；

所述多源数据搜索模块，兼容多种数据源，用于进行数据查询及更新；

设备连接控制模块，兼容多种硬件通讯连接方式，实现与第三方系统硬件的数据交互。

所述虚拟显示交互模块包括高亮显示模块，高亮显示模块用于高亮显示被用户通过硬件设备交互时选择的模型。

所述三维虚拟人物动作模块具有碰撞检测算法模块，碰撞检测算法模块用于检测模型之间的碰撞情况，并根据预先设定的约束条件处理碰撞后相应模型的动作。

所述三维虚拟人物动作模块具有工具栏模块、细节展现模块和放大展示模块，其中放大展示模块用于用户操作设备模型时放大展示设备细节。

所述硬件设备具有陀螺仪、加速度计、光斑定位器和/或体感控制器。

所述三维数字情景仿真模块采用激光扫描仪进行1：1激光扫描建模。

所述数据信息采集模块与外界数据库进行数据对接时，采用数据转换模块将各方数据协议统一。

一种应用所述基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统进行操作的方法，其特征在于：

S1，通过三维数字情景仿真模块依照图纸、照片、使用手册完成设备本体、厂房环境、专用工器具、操作过程及操作逻辑相关的三维数字化模型创建及渲染；

S2，通过化工仿真软件为三维数字化模型中的设备模型建立联系；

S3，通过硬件设备中的输出设备向用户展示由三维数字化模型构建的三维虚拟场景；

S4，用户通过硬件设备的中输入设备对三维虚拟场景中的设备模型进行培训操作。

本发明的有益效果是：本发明依照图纸、照片、使用手册等资料建立设备本体、厂房环境、专用工器具、操作过程及操作逻辑等相关的三维数字化模型，并通过硬件设备实现受训者与三维数字化模型的交互，使受训者最大限度的贴近实际操作，提高受训效果。

具体实施方式

本实施例为一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，具有三维数字情景仿真模块、虚拟现实交互模块、三维虚拟人物动作模块、虚拟现实/增强现实接口模块、数据信息采集模块、信息感知融汇模块、多源数据搜索模块和设备连接控制模块。

本例中三维数字情景仿真模块依照图纸、照片、使用手册等资料完成设备本体、厂房环境、专用工器具、操作过程及操作逻辑等相关的三维数字化模型创建及渲染，建立三维数字虚拟场景，模拟真实场景，使操作人员产生沉浸感。条件允许的情况下采用激光扫描仪对厂区进行1：1激光扫描建模。设备结构完整明确，坐标准确，符合实际要求，能够表达建筑主体和设备本身的空间位置，几何形态和外观效果。

构筑物结构、设备结构仿真，并根据甲方提供的数据模拟设备部件实际尺寸和装配结构。三维虚拟装置模型按照各实际装置的生产设备、管线、仪表和安全设施等布局现状为基准进行1:1定制开发。三维虚拟装置模型中的所有设备、设施在外形、尺寸、颜色、位置、材质、管线及连接关系、状态变化等方面的表现均与实际装置一致，并能逼真地模拟对应的各实际生产装置所处的物理环境。设备结构完整明确，坐标准确，符合实际要求，能够表达建筑主体和设备本身的空间位置，几何形态和外观效果。系统提供三维模型的动态加载，当用户与模型交互时，系统动态处理模型显示的精度，操作十分流畅。

虚拟现实交互模块用于用户通过虚拟现实的硬件设备实现与所述三维数字情景仿真模块所建立的三维数字化模型进行交互，采用FPS游戏类的操作模式，即每个使用者都通过三维虚拟现实控制技术虚拟人物的走、跑和操作各种设备来完成漫游等各种规定的过程操作，并且使用者可任意自行切换视角模式(第一视角或第三视角)。三维交互操作模型应能实现与物资储运数据览控系统软件、无线定位系统软件之间的实时交互通讯和现象反馈。虚拟现实交互模块具有高亮显示模块，当用户通过硬件设备选择模型时，将被选模型高亮显示。

三维人物角色可在虚拟环境中实现自主操控、按任意路径漫游，仿真度高。三维虚拟人物动作模块用于通过键盘和鼠标控制虚拟人物在由三维数字化模型构建的三维虚拟场景中的体态动作，完成向前、向后、向左、向右行走、转向、原地站立、跳跃、奔跑上楼梯、拾取工具、阀门操作、设备操作等功能。

三维虚拟人物动作模块具有碰撞检测算法模块，碰撞检测算法模块用于检测模型之间的碰撞情况，并根据预先设定的约束条件处理碰撞后相应模型的动作。能够正确的处理碰撞后沿墙面滑动(而不是停止)，楼梯的自动攀爬，对镂空形体(如栏杆)以及非凸多面体的精确碰撞，以及正确的处理多物体碰撞后过约束的情况。还可以实现碰撞面的单向通过，隐形墙以限制主角的活动范围功能。

本实施例中三维虚拟人物动作模块还具有工具栏模块、细节展现模块和放大展示模块，工具栏模块中包含地图、人物角色的选择、工具箱、时间、距离等；细节展现模块实现细节展现功能，可以调出全厂地图，并且每个角色在地图上有不同颜色标明，人物的朝向有箭头方向，有指南针功能；放大展示模块可在特殊操作时，放大特效展示，比如阀门操作、仪表变化等细节能将特写的场景表现出来。

虚拟现实/增强现实接口模块用于实现与虚拟现实/增强现实的硬件设备(输入和输出设备)数据交互。能够将图形服务器生成的实时动态的三维立体图像；具有听觉、触觉、力觉、运动等感知，通过头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作。由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的感知器官。图形服务器可提供强大的图形计算，提供仿真数据完成数据交互功能。具备软件开发接口，提供软件开发工具包，能够支持java，c，c++，C#等高级语言编程开发，具有成熟算法实现。

硬件设备内置陀螺仪，通过测量偏转、倾斜时的转动角速度，可以精确分析判断出使用者的实际动作。硬件设备内置加速度计，能够准确测量虚拟现实(VR)头盔及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，从而确定VR头盔的空间位置。硬件设备具有光斑定位器，采用激光定位技术，利用光斑定位器将目标位置的变化调制成光斑位置的改变，从而达到对目标进行遥测和非接触式位置测量。支持手部操作的体感控制器，完成更为复杂的操作动作。

数据状态的显示分为在线模式和离线模块，数据信息采集模块的功能是在线模式下提供数据信息的数据采集和数据传输。数据信息采集模块支持常见数据库传输方式ODBC、DAO，例如门禁数据库、人员巡检数据库；支持二次开发协议类型ActiveX、API，例如视频流媒体传输；支持自定义；采集模块与外界数据库如PLC、DCS、OTS等进行数据对接时，如三方无统一的数据传输协议，采用数据转换模块(即数据网关)将三方数据协议进行统一。

本实施例中信息感知融汇模块通过数据信息采集模块获取现场信息，实时反映到由三维数字化模型构建的三维虚拟场景，建立真实场景在三维虚拟场景中的实时镜像；通过对设备结构及环境及工况场景的模拟，实现设备运行、工作原理的三维动画仿真，同时配备置可选择的文字原理介绍及动画功能模块；演示界面通过简单操作可实现360°旋转功能、放大缩小功能、爆炸/组合功能(点击单独设备或零部件，具备查看该设备或零部件的名称及参数表功能；通过简单的播放按钮实现三维动画的演示、设备周边环境的虚拟漫游，通过该模块可以使维修人员对设备的基本原理和安装环境；通过数据采集模块接收现场设备的实时数据，能够在3D场景中实时展示设备的数据；通过数据采集模块接收现场设备的实时数据，能够在3D场景中通过虚拟设备、虚拟人物等实时反映该设备或人物的速度、位置、位移、时间等参数的变化。虚拟设备和虚拟人物的位移变化要平滑显示，不能离散显示，要符合真实情况的物理逻辑。

本例中多源数据搜索模块为虚拟现实监控及仿真软件提供标准接口，兼容多种数据源，可进行数据查询及更新。设备静态数据主要包括设备的基础信息、设备讨账、部件台账、备品备件、变更登记等数据，建立与数据模型的关联。设备动态数据主要包括堆垛机等设备的速度、位置、时间等数据。多源数据搜索模块能够存储和搜索设备及其零部件、专用工器具等具体信息、备件型号等设备信息，便于在使用过程中了解重要设备及备件的的厂家、规格等信息。多源数据搜索模块支持静态数据的搜索，能够通过搜索栏录入搜索信息，通过静态数据的索引找到虚拟设备的，显示三维模型，并能展示其动态数据信息。

系统通过设备连接控制模块兼容多种硬件通讯连接方式，实现与第三方系统硬件设备的智能数据采集和保护、报警等联动控制。能够播放常见格式(*.AVI、*.RMVB、*.WMV、*.MP4等)的视频文件，能够接入和播放安防视频采集系统的视频文件。支持第三方硬件系统的接入，可支持的网络接口有以太网(RJ45)、光纤接入、公网及VPN专网、RS-485总线、RS-232串行口。支持第三方硬件系统的接入，可支持的常见的DCS、PLC、SCADA、智能仪表的信息接入，支持OPC协议、Modbus串行口RTU、ASCII协议、TCP/IP协议。

本实施例的操作方法如下：

S1，依照图纸、照片、使用手册等资料完成设备本体、厂房环境、专用工器具、操作过程及操作逻辑等相关的三维数字化模型创建及渲染，建立三维数字虚拟场景，模拟真实场景，使操作人员产生沉浸感；

S2，通过化工仿真软件(化工仿真软件采用现有的常用化工领域仿真软件)为三维数字化模型中的设备模型建立联系；

S3，通过硬件设备中的输出设备向用户展示由三维数字化模型构建的三维虚拟场景；

S4，用户通过硬件设备的中输入设备对三维虚拟场景中的设备模型进行培训操作。

Claims (8)

1.一种基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：具有三维数字情景仿真模块、虚拟现实交互模块、三维虚拟人物动作模块、虚拟现实/增强现实接口模块、数据信息采集模块、信息感知融汇模块、多源数据搜索模块和设备连接控制模块；

所述三维数字情景仿真模块，用于建立三维数字化模型；

所述虚拟现实交互模块，用于用户通过虚拟现实的硬件设备实现与由所述三维数字情景仿真模块所建立的三维数字化模型进行交互；

所述三维虚拟人物动作模块，用于通过键盘和鼠标控制虚拟人物在由所述三维数字化模型构建的三维虚拟场景中的体态动作；

所述虚拟现实/增强现实接口模块，用于实现与虚拟现实/增强现实的硬件设备数据交互；

所述数据信息采集模块，用于在在线模式下提供数据信息的数据采集和数据传输；

所述信息感知融汇模块，通过所述数据信息采集模块获取现场信息，实时反映到由所述三维数字化模型构建的三维虚拟场景，建立真实场景在三维虚拟场景中的实时镜像；

所述多源数据搜索模块，兼容多种数据源，用于进行数据查询及更新；

设备连接控制模块，兼容多种硬件通讯连接方式，实现与第三方系统硬件的数据交互。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述虚拟显示交互模块包括高亮显示模块，高亮显示模块用于高亮显示被用户通过硬件设备交互时选择的模型。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述三维虚拟人物动作模块具有碰撞检测算法模块，碰撞检测算法模块用于检测模型之间的碰撞情况，并根据预先设定的约束条件处理碰撞后相应模型的动作。

4.根据权利要求1或2所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述三维虚拟人物动作模块具有工具栏模块、细节展现模块和放大展示模块，其中放大展示模块用于用户操作设备模型时放大展示设备细节。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述硬件设备具有陀螺仪、加速度计、光斑定位器和/或体感控制器。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述三维数字情景仿真模块采用激光扫描仪进行1：1激光扫描建模。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统，其特征在于：所述数据信息采集模块与外界数据库进行数据对接时，采用数据转换模块将各方数据协议统一。

8.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于虚拟增强现实的化工全流程操作系统进行操作的方法，其特征在于：

S1，通过三维数字情景仿真模块依照图纸、照片、使用手册完成设备本体、厂房环境、专用工器具、操作过程及操作逻辑相关的三维数字化模型创建及渲染；

S2，通过化工仿真软件为三维数字化模型中的设备模型建立联系；

S3，通过硬件设备中的输出设备向用户展示由三维数字化模型构建的三维虚拟场景；

S4，用户通过硬件设备的中输入设备对三维虚拟场景中的设备模型进行培训操作。