CN112528525B - 一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，涉及仿真建模、虚拟现实和图形学与图像处理技术领域。所述平台包括3d模型管理器模块、仿真分析模块、大屏编辑器模块、数据源管理模块、业务应用模块。该基于建模技术的可视化工业流程管控平台具有模型高度仿真、多维度、多尺度数据源的实时采集、统一数据采集参数及格式、多维度、多层级数据分析、内嵌组态、各种图表等支撑组件、图形化界面操作、多主体样式设计和3d轻量化技术等优点，方便使用者通过该管控平台对设备运作状态进行了解和掌握，当设备出现故障时能够第一时间进行检修工作，有效的防止不必要的经济损失，提高工业生产的生产效率。

Description

一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台

技术领域

本发明涉及仿真建模、虚拟现实和图形学与图像处理技术领域，具体为一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台。

背景技术

随着新基建的推动，数字化转型是我国经济设备未来发展的必由之路。未来，所有的企业都将成为数字化公司，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段链接企业的内部和外部环境。通过仿真建模、虚拟现实、数据驱动、可视化交互实现现实物理系统向数字化模型的转变，基于仿真模型进行现状监控、预测分析、可视化展示，是实现安全生产和智能制造的关键；主要价值在于仿真建模、可视化、数据交互、分析推理、预测优化。

目前，现行的仿真技术解决了物理实体对象的仿真建模，应用仿真硬件与软件，借助某些数值计算和问题求解，反映系统的行为或过程。但是，仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界，无法实现数据实时传输，随时间轴变化对物理实体进行表征；不具备模型定义、数据驱动能力以及为用户提供数据获取、建立数字化模型，譬如几何建模、网格剖分、系统建模、流程建模、组织建模等，是后续数据分析、仿真预测的基础；无法建立数字模型，不具备分析优化功能，通过物理学规律和机理来计算和预测物理对象的未来状态；随着信息化、大数据等技术发展，国内出现了一些可视化产品、系统，但是主要功能实现是数据展示，平台不具备数据计算功能，无法实现物理实体状态、属性、内在机理的实时可视化展现，与物理对象动态交互的能力。国内集仿真建模、模型数字化定义于一体的产品，软件能力都比较弱，以采购国外软件为主，在多年使用和代理国外产品经验基础上产生了替代方案，但目前还无法达到国外先进水平；同时，没有一体化平台同时实现虚体模型的色彩渲染、美化设计带来美学体验，配合使用可视化图表、文本 、媒体、地图等组件元素进行场景信息内容展示，如设备基本信息、人员基本信息、历史告警信息、维修频率等，帮助用户进行理解、分析、决策

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，解决了上述背景技术提到的问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，所述平台包括3d模型管理器模块、仿真分析模块、大屏编辑器模块、数据源管理模块、业务应用模块。

所述3d模型管理器模块包括模型导入模块、模型转化模块和模型管理模块，所述模型导入模块实现数据获取和3d数字化模型的建立，所述模型转化模块实现模型数据的转化和处理功能，所述模型管理模块实现场景管理功能。

所述仿真分析模块包括模型定义模块、数据绑定模块和属性绑定模块，所述模型定义模块实现数据模型的数字化定义，所述数据绑定模块对各种算法进行数据分析，所述属性绑定模块对数据进行驱动整理。

所述大屏编辑器模块，包括矢量图库模块、常规组件模块以及配置编辑模块，所述矢量图库模块在代码层接入图形技术，所述常规组件模块包括Java后端和Vue前端，所述配置编辑模块基于数据实时渲染技术。

所述数据源管理模块，包括平台数据储存模块和数据连接模块，所述平台数据储存模块实现数据上传与下载，所述数据连接模块实现数据与数据间的传输与连接。

所述业务应用模块，包括用户管理模块、分组管理模块和画板编辑模块，所述用户管理模块实现用户个人信息的管理和配置，所述分组管理模块实现对大屏类别的管理，所述画板编辑模块为可视化设计，通过常规组件模块实现包括但不限于柱状图、饼状图、折线图、气泡图、散点图、雷达图、词云在线制作与导入以及三维场景模型可视化展示。

进一步的，所述3d模型管理器模块采用3d引擎，3d引擎基于建模工具 FlexSim 研发，使用UML建模语言进行二次开发，用支持GIS、倾斜摄影解析加载、SVE工程装配、Unity导出的数据包转配和其它图形数据装配以及内存管理，通过编译成WebAssembly以及接口应用于web平台运行，编译DLL以及接口应用于Unity引擎做二次开发使用。

进一步的，所述3d引擎通过BSP/QuadTree/Portal算法建立场景图，实现一对多、多对一树形结构，允许子树进行Clone。

通过BSP算法实现物理世界物体与虚拟世界物体的从属、影响、被影响关系；在WebGL技术基础上引入Cannon.js物理引擎，开发逻辑层与底层渲染及API层的链接，结合脚本系统的设计和数据管理，实现用户在网页端与3d元素的互动，包括物理—物理、虚拟—虚拟、物理—虚拟三种人机交互方式。

进一步的，所述Java后端使用Spring Boot搭建，集成MyBatis框架封装数据接口实现对MySQL数据库的读写，操纵各种类型的数据完成和前台功能数据的交互、流转以及存储。

所述Vue前端使用桌面端组件库Element，提供了依托Echarts图表组件库的可视化平台，平台基于数据实时渲染技术，通过简单拖拽、配置操作就可以实现数据实时图形可视化、场景化以及实时交互。

进一步的，其中数据绑定模块对各种算法进行数据分析，使用iModel.js开源体系形成数据驱动，可对功能和模式建模，支持云计算模式，使用微内核，模型继承和模型接口技术提高软件复用度，开放扩充。

通过“基本模型+插件模型”的方法描述和构建系统，使用基本模型描述软件的基本功能，用插件模型描述特殊的业务功能，用模型引擎加载并运行模型，在运行态修改模型、调整插件，自动化运行模型算法，实现模型定义、运行指标的监测、预测与可视化。

进一步的，所述平台数据储存模块采用MySQL数据库存储，数据库存储可以储存包括用户信息、分组模块的信息、大屏的信息以及多种数据源的连接和配置情况，静态文件支持CSV、EXCEL、JSON本地文件上传转化为数据库数据，API数据源支持多种平台数据源。

进一步的，所述用户管理模块实现用户注册、登录和登出系统的功能。

进一步的，所述分组管理模块可以实现用户可通过分组完成对大屏类别的管理。

进一步的，在所述平台内实现高弧电路设备监控大屏的建立，具体实施步骤如下：

S1、构建高弧电路设备3d数字化模型建立与导入，通过3d引擎对设备进行三维建模，外观、复杂机械结构进行三维仿真显示,完成设备的建模、轻量化和分解工作；

S2、数据源连接，从相关系统内获取设备基本信息、报警信息、维护人员信息、故障分布、例行巡检、机房环境信息；并接入平台数据源；

S3、实时状态数据绑定与定义，接入关系型数据库（MYSQL、Oracle、SQL server），支持本地文件（CSV、JSON、EXCEL）上传，在线API接入，以及其他传感器实时上传的监测数据，与模型的内部结构属性配置进行绑定，通过数据驱动对模型姿态、动作、状态变化进行复杂控制，真实反映物理对象的运转过程和工作原理；

S4、使用支撑组件进行管理、环境类型数据实时展现，接入设备位置分布、运行环境、例行巡检、历史告警、应急处理数据，并匹配合适的组件进行设备位置分布、类型、运行环境、运维情况实时监控，并对设备运行异常实时告警以及设备详细信息查询，可辅助管理者直观掌握设备运行状态，及时发现设备安全隐患；

S5、渲染设计，对3d数字模型、支撑组件、场景进行尺寸、位置、形状、填充色、透明、动画渲染设计，增加可视化程度；

S6、仿真分析，自动运行离散时间仿真算法进行故障分布、故障时间、人员故障解决单位时间的分布预测；

S7、排版布局、样式编辑与设计，使用平台编辑器对模型、组件、页面进行布局设置、色彩渲染、大小样式设计。

（三）有益效果

本发明提供了一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台。具备以下有益效果：

1.模型高度仿真：3D建模，图像、动画和计算机程序控制技术与实际模型融合，在可视化平台内构建完全一致的对应模型，保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也保持高度仿真。

2.多维度、多尺度数据源的实时采集：支持多种数据源采集与绑定，包括物理数据、几何数据、时间数据，通过数字化的手段对实体对象作业过程、产生数据进行动态仿真、显示、检测、分析和控制；为设备运行现状、管理分析提供数据基础，可辅助查看、分析对象关键状态、动作，对设备运行、工作流程进行研究改进。

3.统一数据采集参数及格式，通过数据清洗，使数据交互、分析成为可能，提高数据处理速度、质量。超强集成、添加和替换模型能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型进行内容扩展。

4.多维度、多层级数据分析：通过建立数字化模型，描述物理实体的可视化模型和内在机理，使用算法实现对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数。

5.内嵌组态、各种图表支撑组件，支持分类、排序、组合显示每个维度的数据值，以便可以查看数据的多个属性或变量；丰富而有意义的图形有助于理解问题和做出决策。

6.图形化界面操作、多主体样式设计：平台支持模型、组态、各类支撑式组件样式编辑设计，实时渲染，无需编程技术，快速制作各式大屏。

7.3d轻量化技术，保留三维模型基本信息，将原视的文件进行压缩，实现百兆级以上数据的流畅浏览与操作，有利于信息交流、协同办公。

附图说明

图1为本发明平台的一种系统组成结构示意图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，所述平台包括3d模型管理器模块、仿真分析模块、大屏编辑器模块、数据源管理模块、业务应用模块。

所述3d模型管理器模块包括模型导入模块、模型转化模块和模型管理模块，所述模型导入模块实现数据获取和3d数字化模型的建立，所述模型转化模块实现模型数据的转化和处理功能，所述模型管理模块实现场景管理功能。

所述仿真分析模块包括模型定义模块、数据绑定模块和属性绑定模块，所述模型定义模块实现数据模型的数字化定义，所述数据绑定模块对各种算法进行数据分析，所述属性绑定模块对数据进行驱动整理。

所述大屏编辑器模块，包括矢量图库模块、常规组件模块以及配置编辑模块，所述矢量图库模块在代码层接入图形技术，所述常规组件模块包括Java后端和Vue前端，所述配置编辑模块基于数据实时渲染技术。

所述数据源管理模块，包括平台数据储存模块和数据连接模块，所述平台数据储存模块实现数据上传与下载，所述数据连接模块实现数据与数据间的传输与连接。

所述业务应用模块，包括用户管理模块、分组管理模块和画板编辑模块，所述用户管理模块实现用户个人信息的管理和配置，所述分组管理模块实现对大屏类别的管理，所述画板编辑模块为可视化设计，通过常规组件模块实现包括但不限于柱状图、饼状图、折线图、气泡图、散点图、雷达图、词云在线制作与导入以及三维场景模型可视化展示。

进一步的是，所述3d模型管理器模块采用3d引擎，3d引擎基于建模工具 FlexSim研发，使用UML建模语言进行二次开发，用支持GIS、倾斜摄影解析加载、SVE工程装配、Unity导出的数据包转配和其它图形数据装配以及内存管理，通过编译成WebAssembly以及接口应用于web平台运行，编译DLL以及接口应用于Unity引擎做二次开发使用。

进一步的是，所述3d引擎通过BSP/QuadTree/Portal算法建立场景图，实现一对多、多对一树形结构，允许子树进行Clone。

通过BSP算法实现物理世界物体与虚拟世界物体的从属、影响、被影响关系；在WebGL技术基础上引入Cannon.js物理引擎，开发逻辑层与底层渲染及API层的链接，结合脚本系统的设计和数据管理，实现用户在网页端与3d元素的互动，包括物理—物理、虚拟—虚拟、物理—虚拟三种人机交互方式。

进一步的是，所述Java后端使用Spring Boot搭建，集成MyBatis框架封装数据接口实现对MySQL数据库的读写，操纵各种类型的数据完成和前台功能数据的交互、流转以及存储。

所述Vue前端使用桌面端组件库Element，提供了依托Echarts图表组件库的可视化平台，平台基于数据实时渲染技术，通过简单拖拽、配置操作就可以实现数据实时图形可视化、场景化以及实时交互。

进一步的是，其中数据绑定模块对各种算法进行数据分析，使用iModel.js开源体系形成数据驱动，可对功能和模式建模，支持云计算模式，使用微内核，模型继承和模型接口技术提高软件复用度，开放扩充；

通过“基本模型+插件模型”的方法描述和构建系统，使用基本模型描述软件的基本功能，用插件模型描述特殊的业务功能，用模型引擎加载并运行模型，在运行态修改模型、调整插件，自动化运行模型算法，实现模型定义、运行指标的监测、预测与可视化。

进一步的是，所述平台数据储存模块采用MySQL数据库存储，数据库存储可以储存包括用户信息、分组模块的信息、大屏的信息以及多种数据源的连接和配置情况，静态文件支持CSV、EXCEL、JSON本地文件上传转化为数据库数据，API数据源支持多种平台数据源。

进一步的是，所述用户管理模块实现用户注册、登录和登出系统的功能。

进一步的是，所述分组管理模块可以实现用户可通过分组完成对大屏类别的管理。

进一步的是，在所述平台内实现高弧电路设备监控大屏的建立，具体实施步骤如下：

S1、构建高弧电路设备3d数字化模型建立与导入，通过3d引擎对设备进行三维建模，外观、复杂机械结构进行三维仿真显示,完成设备的建模、轻量化和分解工作；

S2、数据源连接，从相关系统内获取设备基本信息、报警信息、维护人员信息、故障分布、例行巡检、机房环境信息；并接入平台数据源；

S3、实时状态数据绑定与定义，接入关系型数据库（MYSQL、Oracle、SQL server），支持本地文件（CSV、JSON、EXCEL）上传，在线API接入，以及其他传感器实时上传的监测数据，与模型的内部结构属性配置进行绑定，通过数据驱动对模型姿态、动作、状态变化进行复杂控制，真实反映物理对象的运转过程和工作原理；

S4、使用支撑组件进行管理、环境类型数据实时展现，接入设备位置分布、运行环境、例行巡检、历史告警、应急处理数据，并匹配合适的组件进行设备位置分布、类型、运行环境、运维情况实时监控，并对设备运行异常实时告警以及设备详细信息查询，可辅助管理者直观掌握设备运行状态，及时发现设备安全隐患；

S5、渲染设计，对3d数字模型、支撑组件、场景进行尺寸、位置、形状、填充色、透明、动画渲染设计，增加可视化程度；

S6、仿真分析，自动运行离散时间仿真算法进行故障分布、故障时间、人员故障解决单位时间的分布预测；

S7、排版布局、样式编辑与设计，使用平台编辑器对模型、组件、页面进行布局设置、色彩渲染、大小样式设计。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述平台包括3d模型管理器模块、仿真分析模块、大屏编辑器模块、数据源管理模块、业务应用模块；

所述3d模型管理器模块包括模型导入模块、模型转化模块和模型管理模块，所述模型导入模块实现数据获取和3d数字化模型的建立，所述模型转化模块实现模型数据的转化和处理功能，所述模型管理模块实现场景管理功能；

所述仿真分析模块包括模型定义模块、数据绑定模块和属性绑定模块，所述模型定义模块实现数据模型的数字化定义，所述数据绑定模块对各种算法进行数据分析，所述属性绑定模块对数据进行驱动整理；

所述大屏编辑器模块，包括矢量图库模块、常规组件模块以及配置编辑模块，所述矢量图库模块在代码层接入图形技术，所述常规组件模块包括Java后端和Vue前端，所述配置编辑模块基于数据实时渲染技术；

所述数据源管理模块，包括平台数据储存模块和数据连接模块，所述平台数据储存模块实现数据上传与下载，所述数据连接模块实现数据与数据间的传输与连接；

所述业务应用模块，包括用户管理模块、分组管理模块和画板编辑模块，所述用户管理模块实现用户个人信息的管理和配置，所述分组管理模块实现对大屏类别的管理，所述画板编辑模块为可视化设计，通过常规组件模块实现包括但不限于柱状图、饼状图、折线图、气泡图、散点图、雷达图、词云在线制作与导入以及三维场景模型可视化展示；

所述3d模型管理器模块采用3d引擎，3d引擎基于建模工具 FlexSim 研发，使用UML建模语言进行二次开发，用支持GIS、倾斜摄影解析加载、SVE工程装配、Unity导出的数据包转配和其它图形数据装配以及内存管理，通过编译成WebAssembly以及接口应用于web平台运行，编译DLL以及接口应用于Unity引擎做二次开发使用。

2.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述3d引擎通过BSP/QuadTree/Portal算法建立场景图，实现一对多、多对一树形结构，允许子树进行Clone；

通过BSP算法实现物理世界物体与虚拟世界物体的从属、影响、被影响关系；在WebGL技术基础上引入Cannon.js物理引擎，开发逻辑层与底层渲染及API层的链接，结合脚本系统的设计和数据管理，实现用户在网页端与3d元素的互动，包括物理—物理、虚拟—虚拟、物理—虚拟三种人机交互方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述Java后端使用Spring Boot搭建，集成MyBatis框架封装数据接口实现对MySQL数据库的读写，操纵各种类型的数据完成和前台功能数据的交互、流转以及存储；

所述Vue前端使用桌面端组件库Element，提供了依托Echarts图表组件库的可视化平台，平台基于数据实时渲染技术，通过简单拖拽、配置操作就可以实现数据实时图形可视化、场景化以及实时交互。

4.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：其中数据绑定模块对各种算法进行数据分析，使用iModel.js开源体系形成数据驱动，可对功能和模式建模，支持云计算模式，使用微内核，模型继承和模型接口技术提高软件复用度，开放扩充；

通过“基本模型+插件模型”的方法描述和构建系统，使用基本模型描述软件的基本功能，用插件模型描述特殊的业务功能，用模型引擎加载并运行模型，在运行态修改模型、调整插件，自动化运行模型算法，实现模型定义、运行指标的监测、预测与可视化。

5.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述平台数据储存模块采用MySQL数据库存储，数据库存储可以储存包括用户信息、分组模块的信息、大屏的信息以及多种数据源的连接和配置情况，静态文件支持CSV、EXCEL、JSON本地文件上传转化为数据库数据，API数据源支持多种平台数据源。

6.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述用户管理模块实现用户注册、登录和登出系统的功能。

7.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述分组管理模块可以实现用户可通过分组完成对大屏类别的管理。

8.根据权利要求1所述的一种基于建模技术的可视化工业流程管控平台，其特征在于：所述平台内实现高弧电路设备监控大屏的建立，具体实施步骤如下：

S1、构建高弧电路设备3d数字化模型建立与导入，通过3d引擎对设备进行三维建模，外观、复杂机械结构进行三维仿真显示,完成设备的建模、轻量化和分解工作；

S2、数据源连接，从相关系统内获取设备基本信息、报警信息、维护人员信息、故障分布、例行巡检、机房环境信息；并接入平台数据源；

S3、实时状态数据绑定与定义，接入关系型数据库（MYSQL、Oracle、SQL server），支持本地文件（CSV、JSON、EXCEL）上传，在线API接入，以及其他传感器实时上传的监测数据，与模型的内部结构属性配置进行绑定，通过数据驱动对模型姿态、动作、状态变化进行复杂控制，真实反映物理对象的运转过程和工作原理；

S4、使用支撑组件进行管理、环境类型数据实时展现，接入设备位置分布、运行环境、例行巡检、历史告警、应急处理数据，并匹配合适的组件进行设备位置分布、类型、运行环境、运维情况实时监控，并对设备运行异常实时告警以及设备详细信息查询，可辅助管理者直观掌握设备运行状态，及时发现设备安全隐患；

S5、渲染设计，对3d数字模型、支撑组件、场景进行尺寸、位置、形状、填充色、透明、动画渲染设计，增加可视化程度；

S6、仿真分析，自动运行离散时间仿真算法进行故障分布、故障时间、人员故障解决单位时间的分布预测；

S7、排版布局、样式编辑与设计，使用平台编辑器对模型、组件、页面进行布局设置、色彩渲染、大小样式设计。

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