張志華 ，韓 進(jìn) ，王菁菁

(1.蘭州交通大學(xué) 數(shù)理與軟件工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.遼河油田公司 金馬油田開發(fā)公司，遼寧 盤錦124010)

數(shù)字石化是指以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為手段全面實(shí)現(xiàn)石化設(shè)備、石化設(shè)施和企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化[1-3]。石化企業(yè)設(shè)備、設(shè)施以及廠區(qū)的三維可視化以及相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)都是數(shù)字石化的一部分內(nèi)容。現(xiàn)如今，三維建模已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用，如地礦部門[4-6]、石油存儲(chǔ)地層建模[7-9]、數(shù)字城市[10-11]等，卻鮮有石化方面的三維模擬研究見諸公眾。

大型儲(chǔ)油罐是石化企業(yè)最重要的設(shè)備之一，它具有很大的容積，有著廣泛的應(yīng)用。一些大的石化企業(yè)都有專門的場(chǎng)地存放儲(chǔ)油罐，其數(shù)量往往達(dá)到幾百甚至上千個(gè)，這為石化企業(yè)的管理帶來了困難。為了能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)這些儲(chǔ)油罐進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理(例如儲(chǔ)油罐的儲(chǔ)油量、消防等)，研究?jī)?chǔ)油罐的三維模擬就顯得十分重要和有意義，這也為“數(shù)字石化”的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。本文將以最常見的儲(chǔ)油罐——圓柱形立罐為例，主要針對(duì)其三維數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法進(jìn)行研究，并以VC++為程序設(shè)計(jì)語言，以O(shè)penGL為三維圖形顯示工具，對(duì)所研究的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)模方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)油罐的分類及三維數(shù)據(jù)模型

1.1 儲(chǔ)油罐的分類

儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)存油品的容器，它是石油庫的主要設(shè)備。儲(chǔ)油罐按材質(zhì)可分金屬油罐和非金屬油罐；按所處位置可分地下油罐、半地下油罐和地上油罐；按安裝形式可分立式、臥式；按形狀可分圓柱形、方箱形和球形[12]。由于立罐具有代表性，本文將以圓柱形的立罐為研究對(duì)象，進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。

1.2 儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)模型

三維空間構(gòu)模方法研究是目前3DGIS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。許多專家和學(xué)者在此領(lǐng)域都做了有益的探索，總共提出了20多種空間構(gòu)模方法，可分為基于面模型、基于體模型和基于混合模型的三大類構(gòu)模體系[4，13-14]。由于儲(chǔ)油罐是一種空間實(shí)體，具有規(guī)則的邊界，而內(nèi)部又是中空的實(shí)體，所以基于體元模型的構(gòu)模方法不適用于構(gòu)建三維儲(chǔ)油罐。本文利用面向?qū)ο蠓治龅姆椒▽⒘⒐奕S建模的基本元素抽象為點(diǎn)、線、面三大類，如圖1所示。

點(diǎn)類主要包括儲(chǔ)油罐測(cè)量點(diǎn)、離散點(diǎn)等，線類有特征連接線，面類主要有基礎(chǔ)面元、儲(chǔ)油罐的底面、側(cè)面、頂面等。這樣儲(chǔ)油罐的體模型就可以由這些基本構(gòu)模元素通過一定的構(gòu)模方法構(gòu)建。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，特征連接線是由用戶指定的用于連接特征點(diǎn)的線段。在三維構(gòu)模過程中，體的生成主要由特征連接線構(gòu)成?；A(chǔ)面元主要由特征連接線構(gòu)成，通常有三角形面元和四邊形面元兩種類型，在三維空間表面模型表達(dá)上，三角形面元要優(yōu)于四邊形面元[15]。這種通過面、邊、點(diǎn)來定義實(shí)體的位置和形狀的數(shù)據(jù)模型就是邊界表示模型[4]（B_rep），圖1表達(dá)了立罐的三維邊界表示模型。

2 儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的三維數(shù)據(jù)模型，用C++語言描述立罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

立罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接描述了構(gòu)成立罐模型的基礎(chǔ)元素，有利于三維立罐程序的設(shè)計(jì)及三維可視化操作。

3 儲(chǔ)油罐的三維構(gòu)模方法及步驟

儲(chǔ)油罐的三維模型構(gòu)建總的思路是化復(fù)雜為簡(jiǎn)單，即首先將罐體進(jìn)行剖分；然后對(duì)剖分后的各個(gè)部分分別建模；最后再將這些剖分的模型集成起來。以立罐為例，先將立罐剖分成底面、側(cè)面、頂面、斜梯等部分；再對(duì)剖分后的底面、側(cè)面、頂面等分別建模，此時(shí)，已經(jīng)將復(fù)雜的立罐體模型簡(jiǎn)化為面模型；然后把這些面模型集成在一起構(gòu)成體模型。

根據(jù)上述的邊界表示數(shù)據(jù)模型，結(jié)合線框構(gòu)模原理對(duì)立罐三維模型進(jìn)行構(gòu)建。其構(gòu)模步驟如下：

(1)把立罐剖分成底面、側(cè)面、頂面和斜梯等。

(2)首先，對(duì)底面進(jìn)行模型構(gòu)建。由于底面是一圓面，采用一正多邊形對(duì)其進(jìn)行逼近，本實(shí)例中，以正四十邊形來模擬底面。假定底面圓心點(diǎn)的三維坐標(biāo)為（x_center，y_center，z_center）， 半 徑為 r，利用式（1）可以求出正四十邊形所有頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再對(duì)底面進(jìn)行三角化，即每?jī)蓚€(gè)相鄰的頂點(diǎn)與圓心構(gòu)成一個(gè)三角形，如圖2所示，A、B為正四十邊形上的兩個(gè)頂點(diǎn)，這兩個(gè)頂點(diǎn)與圓心O就可以構(gòu)成三角形面ABO(基礎(chǔ)面元)，整個(gè)底面就可以由這樣40個(gè)三角形面片構(gòu)成。

其次，對(duì)罐體側(cè)面進(jìn)行建模。側(cè)面的底部邊界就是底面的周邊，其上部邊界也是一圓周，同樣可以采用式(1)求其上部邊界的各個(gè)頂點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，z坐標(biāo)為 z_center+h，其中 h為罐體側(cè)面的高度。圖3為側(cè)面的三角化過程，由基礎(chǔ)面元A1B1B2、A1B2A2等就可將整個(gè)側(cè)面模擬出來。

最后是對(duì)頂面的構(gòu)建。頂面是一空間復(fù)雜的曲面，本文采用正弦函數(shù)法模擬頂面，已知頂部的高度為 hup，用5個(gè)同心圓作為頂部曲面的骨架（同心圓越多，模擬精度越高），同心圓采用正四十邊形逼近，每個(gè)骨架圓上頂點(diǎn)的 x、y和 z坐標(biāo)利用式（2）即可求出，ri表示第 i個(gè)同心圓的半徑（ri=kr/5，k=1，2…5）。頂點(diǎn)的高程坐標(biāo)采用正弦函數(shù)得出，在[0，0.5π]內(nèi)，正弦函數(shù)曲線是一弧形曲線，通過hup（正弦函數(shù)曲線的振幅）的大小可以控制曲線的空間形態(tài)，每條正弦函數(shù)曲線由6個(gè)空間離散點(diǎn)擬合，利用這些正弦函數(shù)曲線就可以模擬出較為復(fù)雜的空間曲面。圖4中每一條從曲面邊界點(diǎn)到曲面中心點(diǎn)的曲線都是用正弦函數(shù)法逼近的，然后對(duì)這些空間骨架圓上的頂點(diǎn)進(jìn)行三角化，從而達(dá)到對(duì)頂部曲面的模擬。

圖4 頂部曲面的三角化

(3)對(duì)油罐的一些附著物（斜梯等）進(jìn)行模擬，并將這些分別建模的部分集成起來，就構(gòu)成了三維空間實(shí)體。

其中，i=0，1，…，5；j=0，1，…，39。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

針對(duì)上述提出的儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)模方法，在Windows XP環(huán)境下，以VC++6.0為程序設(shè)計(jì)語言，以O(shè)penGL三維圖形函數(shù)包為可視化工具[16]進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，圖5為立罐三維模型構(gòu)建的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，所構(gòu)模型如圖6所示。

通過對(duì)立罐的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法的研究，得出以下認(rèn)識(shí)：(1)對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行分類后，以立罐作為典型實(shí)例進(jìn)行建模研究，給出了其空間構(gòu)模的基本元素，并對(duì)這些基本元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義；(2)提出的先剖分后建模的思路是可行的。對(duì)剖分后的各個(gè)部分分別進(jìn)行建模和詳細(xì)探討，并對(duì)復(fù)雜的頂部曲面采用正弦函數(shù)法進(jìn)行模擬，達(dá)到了良好的效果；(3)結(jié)合具體的建模方法及步驟，經(jīng)過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)證實(shí)本文所提出的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及建模方法是可行的。

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