蔡小平

（山東省紡織設計院，山東 濟南 250013）

一般做模擬實驗需要分析大量的數(shù)據(jù)，通常情況下，會將數(shù)據(jù)代入方程，但是因為方程是靜態(tài)的，這種方法既麻煩又容易出錯，很難反應一個動態(tài)變化的過程。在這種情況下，動態(tài)可視化系統(tǒng)作為一種更加有效的方法就應運而生［1］。

動態(tài)可視化是一門新興科學，是指將數(shù)據(jù)信息通過圖形或動畫的方式進行表達、傳遞和理解的過程。它是一門交互地視覺呈現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場的技術，動態(tài)可視化信息呈現(xiàn)互動性、立體化和跳躍性的特點。它從紙媒介為代表的二維靜態(tài)傳統(tǒng)視覺領域發(fā)展到以數(shù)字化為技術支持，以二維三維動態(tài)形式及動態(tài)機動媒介存在方式傳播的新領域，允許用戶直觀方便地理解數(shù)據(jù)中所包含的幾何結(jié)構和特征信息，在醫(yī)學影像、石油勘探、大氣氣象和科學計算模擬等領域中得到廣泛應用。它可以模擬紡織機械自動控制系統(tǒng)，為設計和評估提供理論基礎。

1 動態(tài)可視化系統(tǒng)簡介

動態(tài)可視化反映的是空間感知效果，是分析紡織機械性能的一種非?？茖W、簡便和直觀的方法，提供了更為自然有效的信息表達方式，為人們提供一種實時交互的良好界面，提高了人們視覺獲取信息的能力。當人們看到圖紙上許多方程和曲線的時候，很難評判這個系統(tǒng)是好還是壞。但是當人們看到一段動態(tài)影像時，效果一目了然。所以將復雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成影像會成功地幫助人們評估系統(tǒng)特性，這是動態(tài)可視化系統(tǒng)最大的優(yōu)點，也是它能夠得以廣泛應用的原因。

當啟動仿真系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自行記錄仿真運行過程。當仿真系統(tǒng)結(jié)束后，計算、分析和優(yōu)化仿真結(jié)果，滿足工作人員的需要。同時，為反映動態(tài)過程，在仿真過程中，除了描述機械的特征和屬性外，還應體現(xiàn)時間參數(shù)。模擬出來的三維模型，可根據(jù)空間三維軸任意旋轉(zhuǎn)、縮放、改變視角以及位置，從而增強對紡織機械的全面了解。

動態(tài)可視化系統(tǒng)主要有以下功能：①歸納出基本的動態(tài)環(huán)境指標；②將適用于動態(tài)模擬的系統(tǒng)分門別類；③開發(fā)動態(tài)可視化三維模擬；④開發(fā)控制系統(tǒng)；⑤進行參數(shù)識別；⑥通過模擬系統(tǒng)，評估控制器性能。

動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)還有查詢功能，極大方便了人們的工作。查詢功能包括雙向查詢、條件查詢和熱鏈接。雙向查詢是指可以通過特定部件查詢屬性，也可以通過屬性反向查詢這個屬性所描述的特定部件；條件查詢是指輸入一定的條件，如速度、溫度和牽引力等，查詢與這些屬性相關的部件。熱鏈接是指把部件與其它的圖形、文本、數(shù)據(jù)庫和模型鏈接起來，當鼠標點擊鏈接時，可以顯示與該部件相關的對象。

2 動態(tài)可視化系統(tǒng)的應用

目前將動態(tài)可視化仿真技術應用較為成功的是德國Monforts 公司生產(chǎn)的新型Montex 6500拉幅機。我們以動態(tài)可視化系統(tǒng)應用于Montex 6500拉幅機為例，觀察它的建模方案。Montex 6500拉幅機的顯著特點是包含一系列機型，功能繁多，而且有用戶交互接口。這款機型采用動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)來預測產(chǎn)量、評估性能［2］。

2.1 動態(tài)可視化系統(tǒng)參數(shù)設計

系統(tǒng)開發(fā)必須先確定參數(shù)。將所有參數(shù)結(jié)合起來，構成參數(shù)化實體建模。參數(shù)化實體建模就是通過相互作用關系組成一系列用參數(shù)控制的特殊部件，從而構成整個機械模型的技術。而確定參數(shù)前，必須先確認要模擬哪方面性能以及如何模擬，從而使得這些參數(shù)在整個系統(tǒng)中作用明晰，表達準確。參數(shù)集合主要包括：表述Montex 6500拉幅機的參數(shù)，如位置、速度、加速度、穩(wěn)定性和牽引力等；表述控制器的參數(shù)，如：誤差和期望值等。通常情況下，位置和速度之類的參數(shù)能很容易地得到準確值，但是很多其它參數(shù)往往得不到準確值［3］。因此動態(tài)可視化系統(tǒng)需要根據(jù)一些算式得出某些參數(shù)值。比如，牽引力就是不能直接得出的參數(shù)，而牽引力值直接與最終產(chǎn)品質(zhì)量息息相關，因此需要根據(jù)已有參數(shù)，通過模擬處理器來估算它的值。為有效得到各參數(shù)值，用戶交互界面非常重要，這也是動態(tài)可視化系統(tǒng)的重要組成部分。

當操作人員用動態(tài)可視化模擬Montex 6500拉幅機工作時，應當實現(xiàn)以下功能：可以根據(jù)需要實時停止，可以流暢地前進或者后退以尋找關鍵點，任意選擇需要重點觀看的時間段，可隨機改變參數(shù)等，使操作人員象操作視頻播放器一樣，按照自己的意愿觀看，而且像導演一樣，通過設定不同的參數(shù)值，得到不同的演示結(jié)果。事實上，如果沒有用戶參與界面，動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)將沒有實際意義。要想發(fā)展用戶交互界面，模式選擇非常重要［4］。在整個過程中，應用模式都要處于可控狀態(tài)。如果在一個動作被設計以前，操作人員在只能特定的預設范圍內(nèi)輸入?yún)?shù)，察看結(jié)果，那么這種模式不適合動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)。因為動態(tài)可視化系統(tǒng)的目的是基于結(jié)果的，將參數(shù)輸入后，使系統(tǒng)能夠在不同的時間根據(jù)不同的情況做出不同的反應。可視化系統(tǒng)開始于一個靜態(tài)頁面，根據(jù)不同的情況，不同的功能將被啟用，從而進入循環(huán)。一個有效的用戶交互界面可以讓用戶隨時隨地更改時間參數(shù)，從而精確地反映出動態(tài)的細微差別。時間段相互間隔越短，模擬過程越精確。這時候就要用到插補技術。所謂插補技術，是指以插補點周圍各點的數(shù)值為依據(jù)，經(jīng)過專門的函數(shù)計算，得到插補點值。這個計算是通過軟件來完成的。在演示結(jié)果中，該點并非是真實的反映，往往與實際有較大的差異。插補軟件可以是線性的，也可是是二次方程式的。當用線性插補軟件的時候，原始數(shù)據(jù)中的時間步長一般都非常小，Montex 6500拉幅機的各參數(shù)變化也是線性的。將插補技術與計算機性能結(jié)合起來，人們可以按照自己的意愿得到動態(tài)模擬效果，可以和時長相同，也可以稍慢或者稍快于時長。為了讓用戶能夠更好地理解，動態(tài)可視化模擬過程還必須能夠放大一些環(huán)節(jié)。這也是此系統(tǒng)與其他模擬系統(tǒng)不同的地方［5］。

2.2 Montex 6500拉幅機的經(jīng)緯模型

在線模擬是動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)的重要方面，建立Montex 6500拉幅機的演示模型也非常關鍵。建模的時候要考慮兩點，一是模型要是實時狀態(tài)的，這樣才能反應真實情況。二是模型相對簡單，這樣才能反應迅速。根據(jù)以上要求，建立一個緯度控制模型如圖1所示，它包括四個部分：發(fā)動機、變速器、傳輸器和制動。

圖1 橫向建模示意圖

這個模型對于評估Montex 6500 拉幅機性能非常有效，但是它比較復雜而且運算步驟較多，這會導致模擬速度比較低。另外在線模擬需要與實際情況同步且容易受到計算機性能影響，因此我們還要加強研究，力爭使模型操作簡單［6］。

鑒于動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)針對Montex 6500拉幅機的環(huán)境指標，模擬系統(tǒng)更側(cè)重于在線模擬。動畫效果有以下特點：

可以同時模擬好幾組設備，每一組設備最多可包括10臺Montex 6500拉幅機。每組機器并排擺放，同一系列的環(huán)境參數(shù)使得比較控制器性能非常方便。

可以模擬每臺Montex 6500 拉幅機的經(jīng)緯位置、速度、加速度，自行決定是否開啟測量儀，這樣可以模擬在數(shù)臺Montex 6500 拉幅機同時運行時，每一臺機器的性能指標情況。

可以根據(jù)模擬結(jié)果，評估性能好壞。在模擬過程中，用戶可以通過電腦自行設定參數(shù)值，通過參數(shù)值的細微變化，演示結(jié)果的不同，從而取得最優(yōu)值。

可以在任何時候開始、停止、重放、快進和慢放模擬動畫，也可以從快到慢非勻速播放，最大限度方便操作人員選取最佳值。

3 結(jié)論

動態(tài)可視化模擬系統(tǒng)可以及早避免不理想或者錯誤操作，在評估和設計紡織機械性能方面有重要意義。它無論對于操作人員和設計人員來說，都是一個非常有效的工具，必將有著廣闊的發(fā)展前景。

［1］薛廣庫.數(shù)控加工工裝物流自動控制系統(tǒng)的設計［J］.自動化儀器儀表，2012，（6）：74—76.

［2］宋運富，王勝斌.提升機自動控制與變頻節(jié)能改造實踐［J］.黃金，2012，（11）：46—49.

［3］金利.數(shù)控機床的發(fā)展［J］.中小企業(yè)管理與科技，2012，（31）：310—311.

［4］蔣長虹，邱華東，楊曉光.新型帶鋼卷取機自動控制系統(tǒng)的設計［J］.太原理工大學學報，2012，（6）：758—761.

［5］李志剛.PLC和變頻器在全自動上料裝置上的應用［J］.中國科技信息，2012，（22）：111—113.

［6］侯志輝.PID自動控制系統(tǒng)在優(yōu)化電爐供電曲線中的應用［J］.河北冶金，2012，（11）：69—70.