黄骅港港口煤炭装卸生产管控一体化可视化系统研究

黄骅港港口煤炭装卸生产管控一体化可视化系统研究摘要:黄骅港煤炭码头管控一体化可视化系统是基于虚拟现实技术、信息技术、网络技术等,在网络环境下,实现港口的三维可视化仿真,并通过系统进行港口的管理与控制

关键词:管控一体化可视化虚拟现实技术

1 项目背景

黄骅港位于河北省渤海湾西南岸,大口河河口外北侧海区,距黄骅市约45km,距沧州市约90km。神华集团主要通过神朔铁路和朔黄铁路将煤炭运往黄骅港,乌海、宁夏、万利、准格尔、神东五大矿区煤炭在神池南汇和,由神朔线转向朔黄线,抵达黄骅港,黄骅港的煤炭全部通过铁路运输集港。黄骅港建设规模为:黄骅港煤码头一期建设四个泊位,年吞吐量3500万t,黄骅港煤码头二期建设四个泊位,年吞吐量4300万t,正在建设的三期工程,建设4个泊位,年装船能力5000万t。

2 总体结构设计

黄骅港煤炭码头管控一体化可视化系统(简称可视化生产系统)总体结构设计如下:(如图1)

黄骅港煤炭码头可视化生产系统分为两大部分:管控系统和虚拟现实系统。管控系统与虚拟现实系统通过数据库的接口进行数据交互,实现三维场景中设备模型与管控系统的生产流程数据同步。

3 主要工作及关键技术

黄骅港煤炭码头可视化生产系统中的虚拟现实系统部分主要有以下三部分工作。

3.1 三维虚拟场景构建和优化

港口工程场景的模型较多,数据量大,其可分为三类:相机模型、实体模型和天气模型。相机模型使得用户可以在场景中进行交互漫游,并记录下漫游路径,以便于自动浏览回放。实体模型分为静态模型和动态模型,静态模型包括自然模型和建筑模型,动态模型包括作业指挥人员和作业机械设备,实体模型是场景的主体模型。天气模型主要通过天空球、粒子系统、光晕等技术来构造工程场景的白天、夜晚和雾天等天气景观。港口工程场景模型组织结构如下图所示。(如图2)

实体模型根据模型是否具有行为特性分为静态模型和动态模型。静态模型包括地形模型、地质模型、水工结构模型、机械设备模型、公路铁路模型、辅助建筑模型、管线模型、绿化物模型和波浪模型等,其中地质模型、水工结构模型、机械设备模型、公路铁路模型、辅助建筑模型、管线模型可在今后系统中进行扩展,规则物体三维模型的构造方法有边界表示法、构造实体几何法和空间分解法等,一般不规则物体三维模型的构造可采用曲面建模方法,云彩、树木等这类不规则物体采用随机的分形几何建模方法,火花、烟雾、水流等不规则模糊物体采用粒子系统建模。具体的建模技术有CAD建模技术、特征建模技术和参数化建模技术。静态模型需要采用纹理映射技术进行形象建模,实质上就是把二维图像位图上的像素映射到三维模型对象的相应顶点上,从而增强了模型的真实感。

动态模型具有行为特性,不仅丰富工程场景,而且还能逼真地表现港区作业工艺过程。动态模型需要进行运动建模,运动建模的方法有

关键帧法和样条驱动画法。关键帧法是先生成运动轨迹上的关键帧画面,然后用插值法生成中间帧画面;样条驱动画法是由用户指定物体的运动轨迹样条,根据运动向量由初始状态生成运动状态。

港口工程场景数据量大,为了提高显示的速度,通常采用场景分割、采用多分辨率模型、采用多分辨率纹理贴图和以面代体等场景优化策略。将整个场景数据一次性读入内存需要较长的时间,所以需要进行场景分割,确定每一块场景的大小,实时显示时只拾取可视范围内的场景模型。采用多分辨率模型是引用LOD技术,根据视点距场景的距离和观察的角度来确定模型的精细程度。采用多分辨率纹理贴图是根据视点的变化为模型选择不同分辨率的纹理贴图。以面代体是用二维图像代替三维实体来构造树木等场景模型。

3.2 网络环境下三维虚拟场景发布

即应用网络虚拟现实平台,将港口工程三维虚拟场景发布到网络环境下,在网络环境下的三维虚拟场景具备与单机版同样的系统功能,可让用户通过互联网对三维场景进行浏览与交互。

其技术特点和功能如下:

(1)具有国内Web3D最高画质;

(2)支持大场景动态调度,低端硬件兼容性好;

(3)支持脚本编程;

(4)可在窗口中嵌入FLASH、视频、图片和网页;

(5)支持各种逼真的生态环境和特效,特别是海水模拟;

(6)支持数据库连接和属性查询;

(7)支持指南针和地图导航;

(8)支持自动漫游、手动漫游,漫游轨迹可保存;

(9)支持骨骼动画、刚体动画、柔体动画;

(10)高效高精度碰撞检测算法;

(11)支持各种交互设备,支持环幕投影和立体投影。

3.3 网络环境下系统功能开发

VRP虚拟现实平台能够在多种编程语言环境下使用,其能够稳定运行的开发环境包括VC、VB、DELPHI、C++、、JSP等。用户能够将VRP的三维显示窗口嵌入到用户的应用系统中去,使得系统具备三维场景展示浏览功能。VRP-SDK支持常用的数据库系统如Access、MySQL、SQL Server、Oracel的连接和数据查询。

基于对三维虚拟场景源码级函数库的开发,可以实现:

(1)将三维显示窗口嵌入到用户的应用系统中,使用户应用系统具备三维场景展示功能;

(2)实现用户应用系统对窗口中三维场景的控制,如改变模型状态等;

(3)通过事件回调机制将用户在三维场景中执行的操作,比如点击鼠标等消息,送到应用系统中,应用系统在得到这些消息后可根据系统需要做灵活处理。

由此,通过与信息系统进行三维图形变换数据的交互,能够完成对生产过程数据进行模拟。显示核心通过接口传来的相关变化数据,对场景中的受影响物件进行相应渲染,从而实现对数值分析结果的实时三维响应,完成工程仿真模拟。通过本接口同时可向信息系统传输仿真模拟结果数据,为信息系统提供进一步的数据反馈。最终,在网络环境下港口工程三维虚拟场景的基础上,通过对虚拟现实平台的二次开发实现系统功能,包括港口三维场景的实时巡航、港口生产运营状态的实时显示、生产运营过程中设备的快速定位及紧急报警等。

4 主要功能

应用VRP虚拟现实平台对黄骅港煤炭码头三维管控系统进行构建,主要用到以下核心组件:VRP-Builder三维场景编辑器、VRP-IE三维场景网络发布、VRP-SDK二次开发包。通过上述组件,分别生成用于管控系统的2.5D显示画面及看板系统和3D虚拟现实系统。