張登攀，田振華，王東升

（河南理工大學(xué)　機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南　焦作　454000）

三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建方法研究

張登攀，田振華，王東升

（河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作454000）

針對(duì)傳統(tǒng)二維測(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)量精度較低、穩(wěn)定性差的不足，提出一種基于數(shù)據(jù)交互的三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量方法；該方法采用三維構(gòu)型與總線技術(shù)同步耦合的工作方式，對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)中模型驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，探討了三維測(cè)量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互解決方法的可行性，并將該方法應(yīng)用于煤礦排水系統(tǒng)，完成了三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；試驗(yàn)結(jié)果表明由該方法實(shí)現(xiàn)的三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

三維可視化；三維測(cè)量；模型驅(qū)動(dòng)；數(shù)據(jù)交互

0　引言

目前在企業(yè)安全生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)和制造系統(tǒng)的測(cè)量精度要求越來(lái)越高，如何更加直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是一項(xiàng)重要的任務(wù)和課題。

在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量過(guò)程中，存在大量測(cè)量和控制數(shù)據(jù)，用簡(jiǎn)單的數(shù)字或曲線無(wú)法直觀的表現(xiàn)出設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)在二維圖形的測(cè)量系統(tǒng)中存在測(cè)量精度較低的問(wèn)題。文獻(xiàn)［1］中采用平臺(tái)級(jí)和用戶(hù)級(jí)兩級(jí)調(diào)度策略，通過(guò)配置Labview軟件的RT實(shí)時(shí)引擎設(shè)計(jì)了一種基于Labview的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)［1］。文獻(xiàn)［2］采用分布式結(jié)構(gòu)，由測(cè)試計(jì)算機(jī)和控制計(jì)算機(jī)分別完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集及控制任務(wù)，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用多任務(wù)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)［2］。文獻(xiàn)［3］基于B/S模型的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，并對(duì)其嵌入式Linux喜愛(ài)的串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信及CGI關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，完成了基于Linux的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控功能［3］。上述應(yīng)用都取得了良好的效果，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也具有實(shí)時(shí)交互性差、測(cè)量精度低等弊端。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的研究，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建方法，該系統(tǒng)以三維場(chǎng)景作為系統(tǒng)軟件的主要操作界面，可實(shí)現(xiàn)三維模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)用戶(hù)操作；針對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題，提出了高效、安全的數(shù)據(jù)交互方案。面向煤礦排水系統(tǒng)的測(cè)量需求，開(kāi)發(fā)了煤礦排水系統(tǒng)的三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

1　三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成

三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)分布性設(shè)備、三維場(chǎng)景模型、虛擬儀器控件庫(kù)、數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)、傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)組成。三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1中，三維場(chǎng)景模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分布性設(shè)備構(gòu)建，包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，靜態(tài)模型僅作為靜態(tài)三維展示，而動(dòng)態(tài)模型是三維場(chǎng)景中的主要組成部分，負(fù)責(zé)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)變化和響應(yīng)用戶(hù)的操作。為向用戶(hù)展現(xiàn)更加詳盡、全面的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，在測(cè)量軟件中引入了虛擬儀器控件庫(kù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，虛擬儀器控件庫(kù)根據(jù)用戶(hù)操作動(dòng)態(tài)生成虛擬儀器控件并將其添加入界面中，并且對(duì)數(shù)據(jù)觀察完畢后，可以將控件刪除釋放其所占用的資源。為使系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量與控制，在測(cè)量系統(tǒng)中構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)。分布在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，掛接在數(shù)據(jù)總線上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連通。

2　三維模型場(chǎng)景

2.1三維模型構(gòu)成

三維測(cè)量系統(tǒng)與二維測(cè)量系統(tǒng)最大的區(qū)別是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制是通過(guò)三維場(chǎng)景的變化來(lái)展示，本文使用3ds Max軟件建立三維模型。三維場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型的構(gòu)成如圖2所示。

圖1　三維測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖

圖2　三維模型構(gòu)成

圖2中，靜態(tài)模型不響應(yīng)用戶(hù)操作且不被數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)模型可分為三類(lèi)，一類(lèi)是用于展示設(shè)備數(shù)據(jù)的模型；第二類(lèi)是用于接收用戶(hù)操作的模型；第三類(lèi)是同時(shí)具有上述兩類(lèi)特征的模型，這類(lèi)模型既可展示數(shù)據(jù)又可響應(yīng)用戶(hù)操作。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型部件通過(guò)數(shù)據(jù)通道與測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流相連，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)根據(jù)配置首先為模型分配數(shù)據(jù)通道和地址；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，軟件后臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)通道和地址將對(duì)應(yīng)于第一類(lèi)和第三類(lèi)模型的數(shù)據(jù)提取并進(jìn)行分析，然后調(diào)用模型驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)前臺(tái)的模型；當(dāng)用戶(hù)操作第二類(lèi)和第三類(lèi)三維模型時(shí)，觸發(fā)與其關(guān)聯(lián)的操作響應(yīng)模塊，操作響應(yīng)模塊根據(jù)用戶(hù)的操作將模型部件ID和操作命令傳遞給數(shù)據(jù)耦合模塊，數(shù)據(jù)耦合模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，最終完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

本文使用WPF技術(shù)開(kāi)發(fā)三維虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，WPF應(yīng)用程序由前臺(tái)XAML代碼和后臺(tái)程序模塊組成，在前臺(tái)XAML代碼中可以展示三維場(chǎng)景，并可直接使用XAML代碼對(duì)三維模型進(jìn)行定義。使用3ds Max軟件將建立好的模型導(dǎo)出為OBJ或3DS格式文件，然后使用ZAM3D工具轉(zhuǎn)換為XAML格式文件，即可將建立的模型嵌入WPF軟件的界面中。

三維模型嵌入到測(cè)量系統(tǒng)界面后，為響應(yīng)用戶(hù)操作，在系統(tǒng)后臺(tái)程序中編寫(xiě)了事件處理程序，并將其封裝為操作響應(yīng)模塊，模塊中的事件響應(yīng)程序與模型部件的ID相關(guān)聯(lián)；為實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的模型驅(qū)動(dòng)，在后臺(tái)程序中開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)耦合模塊和模型驅(qū)動(dòng)模塊。工作流程為：當(dāng)用戶(hù)操作三維場(chǎng)景中的某個(gè)模型部件時(shí)，將觸發(fā)與其關(guān)聯(lián)的事件響應(yīng)程序；當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)測(cè)量系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)耦合模塊對(duì)其進(jìn)行處理，然后交由模型驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景中的模型部件。三維模型和測(cè)量系統(tǒng)交互的如圖3所示。

圖3　三維模型與測(cè)量系統(tǒng)交互

圖3中，測(cè)量系統(tǒng)軟件主要由前臺(tái)界面和后臺(tái)程序模塊組成。前臺(tái)界面的主要部分是三維場(chǎng)景，其次包含一些軟件用戶(hù)接口，比如菜單、按鈕等；測(cè)量系統(tǒng)后臺(tái)為前臺(tái)界面提供邏輯和數(shù)據(jù)支持，主要包括操作響應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)耦合模塊和模型驅(qū)動(dòng)模塊。數(shù)據(jù)耦合模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、解析和封裝，其內(nèi)部包含了數(shù)據(jù)交互接口、數(shù)據(jù)協(xié)議讀取及分析模塊、數(shù)據(jù)打包和解析模塊。模型驅(qū)動(dòng)模塊用于接收數(shù)據(jù)耦合模塊解析處理過(guò)的數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)三維模型，主要包括三維模型狀態(tài)驅(qū)動(dòng)模塊、模型動(dòng)作驅(qū)動(dòng)模塊和模型對(duì)象匹配模塊。

下面是根據(jù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)改變?nèi)S模型材質(zhì)的后臺(tái)代碼。首先通過(guò)LINQ語(yǔ)句從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)出pump01的工作狀態(tài)，然后在前臺(tái)模型代碼中找到pump01部件并將其內(nèi)容轉(zhuǎn)換為Geometry Model3D對(duì)象，然后根據(jù)狀態(tài)對(duì)pump01的材質(zhì)進(jìn)行修改［6］。在三維模型的動(dòng)態(tài)模型部件中存在較多的需要更改材質(zhì)的部件，有些部件的材質(zhì)為單一材質(zhì)Material，而一些部件的材質(zhì)由材質(zhì)組Material Group構(gòu)成，為增強(qiáng)代碼的通用性，在向外暴露接口時(shí)不區(qū)分模型部件材質(zhì)，而是代碼結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加一個(gè)判斷以適應(yīng)不同材質(zhì)構(gòu)成的部件。若是材質(zhì)組，則通過(guò)foreach循環(huán)找出其中的Diffuse Material材質(zhì)更改其Brush屬性完成材質(zhì)顏色的更改；若是單一材質(zhì)，則直接更改其Brush屬性。

pumpdbEntities pe=new ptanpdbEntities0；

var pump St ate=pe.pump state.First（o=＞o.pumpid==" pump01"）.state；

Geometry Model3D geometrymodel=pump01.Content as Geometry Model3D；

if（pumpState）

｛

if（geometrymodel.Material is Material Group）

｛

var materialGroup=geometrymodel.Material as MaterialGroup；

foreach（var groupltem in materialGroup.Children）

｛

if（groupItem is Diffuse Mat erial）

｛

Di ffuseMaterial tmpltem=groupltem as DiffuseMaterial；

tmpltem.Brush=newSolid ColorBmsh（Color.From Argb（255，192，42，42））；

｝

else

｛

Diffuse Material material=geometrymodel.Material as Diffuse Material；

if（material！=null）

｛

material.Brash=newSolidColor Bmsh（Color.From Argb（255，192，42，42））；

）

下面是前臺(tái)Storyboard結(jié)合后臺(tái)完成模型運(yùn)動(dòng)的代碼。在前臺(tái)界面的Window.Resources節(jié)點(diǎn)下定義一個(gè)名為ppcRotation的Storyboard對(duì)象。在ppc Rotation節(jié)點(diǎn)下定義了關(guān)鍵幀Rotation3Danimation Using Key Frames和Point 3DanimationUsing Key Frames。在Rotation3D animationUsing Key Frames內(nèi)部首先設(shè)置了其所指向的對(duì)象ppc和其要影響的屬性Rotate Transform3D.Rotation，然后設(shè)置其執(zhí)行動(dòng)畫(huà)的時(shí)長(zhǎng)Key Time為1秒以及屬性Axis和Angle的目標(biāo)值。Point3Danimation Using KeyFrames是針對(duì)ppc的位置ProjectionCamera.Position而設(shè)定，設(shè)置了其要將攝像機(jī)移動(dòng)到的目標(biāo)位置的值以及所用的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)此模型部件以及此動(dòng)作的數(shù)據(jù)到達(dá)測(cè)量系統(tǒng)軟件時(shí)，在后臺(tái)通過(guò)ppc Rotation.Begin（）命令進(jìn)行調(diào)用，則前臺(tái)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)模型部件執(zhí)行此動(dòng)作。

＜Storyboard x：Key="ppcRotation"＞

＜Rotation3 DAnimation Using Key Fr ames

St oryboard.IargetProperty="（Camera.Iransform）.（I ransform3 DGr oup.Children）［2］.（RotateI ransfor m3 D.Rotation）"

St oryboar d.Iarget Name="ppc"＞

＜Easing Rotation3 DKey Frame Key～ime="0：0：1"＞

＜EasingRotation3D Key Frame.Value＞

＜AxisAngleRotation3D Axis="-0.055，-0.996，-0.068"Angle="88.686"/＞

＜/EasingRotation3 DKey Fr ame.Value＞

＜/EasingRotation3 DKey Frame＞

＜/Rotation3 DAnimation Using Key Fr ames＞

＜Point3 DAnimation Using Key Fr ames

St orybmr d.IargetProperty="（ProjectionCamera.Position）"

Storyboar d.Iar get Name="ppc"＞

＜EasingP oint3 DKey Frame KeyI ime="0：0：1"

Value="-320，3 8.0012588500977，300.8946992064Y'/＞

＜/Point3 DAnimation Using Key Fr ames＞

＜/Storyboard＞

ppcRotation.Begin0；

3　三維測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

3.1數(shù)據(jù)服務(wù)器

在測(cè)量系統(tǒng)中不僅需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，也需要對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄備份。一般測(cè)量系統(tǒng)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至測(cè)量系統(tǒng)，由測(cè)量系統(tǒng)軟件進(jìn)行顯示和記錄，這樣存在一定的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)。本文在控制系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)之間的通信系統(tǒng)中加入了數(shù)據(jù)服務(wù)器，專(zhuān)用于數(shù)據(jù)處理、緩存和存儲(chǔ)等，使數(shù)據(jù)交互更加安全可靠。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)服務(wù)器工作示意圖

圖4中顯示了數(shù)據(jù)服務(wù)器在數(shù)據(jù)交互過(guò)程中的位置和作用。在數(shù)據(jù)服務(wù)器上部署的模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)耦合模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)緩沖池等。在測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)器上都部署有數(shù)據(jù)耦合模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)耦合模塊與測(cè)量軟件的數(shù)據(jù)耦合模塊的結(jié)構(gòu)和功能相同。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，主要包括數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)值計(jì)算和轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)緩沖模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊。數(shù)字信號(hào)處理模塊是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的關(guān)鍵模塊；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)傳感器采樣頻率較高，數(shù)據(jù)源源不斷推送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，需要數(shù)據(jù)緩沖模塊首先將數(shù)據(jù)放置到緩沖區(qū)中，然后根據(jù)需要打包交由數(shù)據(jù)處理模塊處理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行永久存儲(chǔ)、管理、操作。

一些設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上建立了設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)可以根據(jù)配置選擇將測(cè)量數(shù)據(jù)入庫(kù)保存，基于數(shù)據(jù)庫(kù)可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間大數(shù)據(jù)量的分析，為設(shè)備的測(cè)量提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高設(shè)備異常情況判定的準(zhǔn)確度。

3.2數(shù)據(jù)交互流程

本文所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基本交互流程為：用戶(hù)操作測(cè)量軟件中的三維模型通過(guò)通信系統(tǒng)將控制命令發(fā)送到控制系統(tǒng)；傳感器獲取信號(hào)后通過(guò)通信系統(tǒng)將信號(hào)傳遞到測(cè)量軟件中并驅(qū)動(dòng)三維模型運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)掛接在數(shù)據(jù)總線上，而數(shù)據(jù)服務(wù)器與數(shù)據(jù)總線相連接，數(shù)據(jù)交互示意圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)交互示意圖

圖7中，在數(shù)據(jù)上行時(shí)，總線控制器對(duì)虛擬數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分配，掛接在數(shù)據(jù)總線上的傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)總線將從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上獲取到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后首先緩存入數(shù)據(jù)緩沖池，然后交由數(shù)據(jù)耦合模塊進(jìn)行分析處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到測(cè)量軟件，測(cè)量軟件的數(shù)據(jù)耦合模塊接收到數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，將解析的結(jié)果傳給模型驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)前臺(tái)模型。

在數(shù)據(jù)下行時(shí)，當(dāng)用戶(hù)操作某個(gè)動(dòng)態(tài)模型，將觸發(fā)系統(tǒng)后臺(tái)與其關(guān)聯(lián)的操作響應(yīng)模塊中的事件響應(yīng)程序，事件響應(yīng)程序?qū)Σ僮髅钸M(jìn)行分析后，將初級(jí)命令交由數(shù)據(jù)耦合模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對(duì)初級(jí)命令進(jìn)行封裝后，發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，調(diào)用數(shù)據(jù)耦合模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對(duì)操作命令進(jìn)行反向解析，將命令解析為控制數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，掛載在數(shù)據(jù)總線上的對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)將對(duì)此命令進(jìn)行響應(yīng)并執(zhí)行特定動(dòng)作。

4　應(yīng)用實(shí)例及評(píng)價(jià)分析

4.1煤礦排水測(cè)量系統(tǒng)界面構(gòu)建

煤礦排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中重要的系統(tǒng)之一，對(duì)煤礦排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制是煤礦安全生產(chǎn)中非常重要的一項(xiàng)工作。傳統(tǒng)的煤礦排水系統(tǒng)中，二維圖形界面不能直觀的反映排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且對(duì)排水系統(tǒng)中泵、電機(jī)和管道閥門(mén)等的控制沒(méi)有較為直接的控制感受。根據(jù)煤礦排水系統(tǒng)測(cè)量方法的需求，本文根據(jù)前面所述方法和步驟構(gòu)建了面向煤礦排水系統(tǒng)的三維測(cè)量系統(tǒng)。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先構(gòu)建了三維煤礦排水系統(tǒng)的三維測(cè)量軟件界面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察以及查閱相關(guān)資料，針對(duì)煤礦排水系統(tǒng)的實(shí)際需求利用3ds Max軟件完成了泵房、排水泵、電機(jī)、進(jìn)水管道、出水管道等的三維建模。在建模過(guò)程中采用先分步建立三維模型然后組合的方式。首先建立泵房場(chǎng)景，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取到的排水泵的參數(shù)建立排水泵模型，然后建立驅(qū)動(dòng)排水泵的電機(jī)模型，模型建立完成后，將各個(gè)模型按照實(shí)際的比例和放置位置組合到一起形成三維場(chǎng)景。按照第一部分中所述的系統(tǒng)構(gòu)成，將建立好的排水系統(tǒng)三維場(chǎng)景導(dǎo)入到WPF應(yīng)用程序中，并為場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)模型設(shè)置了ID，并將其與后臺(tái)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)事件相關(guān)聯(lián)。在測(cè)量系統(tǒng)后臺(tái)開(kāi)發(fā)了操作響應(yīng)模塊和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊等關(guān)鍵模塊。根據(jù)測(cè)量需求定義了數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)耦合模塊對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。完善了前后臺(tái)代碼，包括后臺(tái)驅(qū)動(dòng)代碼和前臺(tái)動(dòng)畫(huà)代碼，最終完成模型的驅(qū)動(dòng)。完成后的測(cè)量系統(tǒng)工作界面與排水系統(tǒng)泵房現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比如圖6所示。

圖6　三維界面與泵房實(shí)景對(duì)比圖

從圖6中可以看出，三維場(chǎng)景完整展示了現(xiàn)實(shí)泵房中泵、電機(jī)、閥門(mén)和管道等關(guān)鍵部件，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的運(yùn)行、閥門(mén)的開(kāi)閉將同步顯示在測(cè)量軟件界面中，同時(shí)操作人員對(duì)閥門(mén)、電機(jī)的開(kāi)關(guān)操作也將實(shí)時(shí)的通過(guò)控制命令傳遞到泵房中，完成對(duì)泵和閥門(mén)等的控制。

4.2煤礦排水測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)數(shù)據(jù)交互方法完成了排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建了數(shù)據(jù)服務(wù)器，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上部署了數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)了運(yùn)行于數(shù)據(jù)服務(wù)器上的軟件模塊，配置了數(shù)據(jù)接口，測(cè)試了數(shù)據(jù)總線的連通性，最后對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行了同步配置，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在三維模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行表現(xiàn)的同時(shí)，在虛擬儀器控件庫(kù)中生成的虛擬儀器控件也豐富了數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，完成后的三維煤礦排水測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互整體示意圖如圖7所示。

圖7　三維煤礦排水測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

從圖7中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀況與三維測(cè)量系統(tǒng)中的場(chǎng)景一致，測(cè)量系統(tǒng)中的三維場(chǎng)景與泵房?jī)?nèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接，構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)且數(shù)據(jù)流完整的三維測(cè)量系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的二維測(cè)量系統(tǒng)界面相比，新構(gòu)建的三維測(cè)量系統(tǒng)具有較強(qiáng)的真實(shí)感，界面中顯示了泵的運(yùn)行狀態(tài)和為其提供動(dòng)力的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，用戶(hù)可在左側(cè)快捷菜單欄進(jìn)行界面選擇、系統(tǒng)漫游等操作。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，用戶(hù)可以隨時(shí)選擇電機(jī)、泵、管道等觀察其運(yùn)行參數(shù)，泵的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)通過(guò)模型狀態(tài)的改變實(shí)時(shí)顯示在三維界面中，在三維界面中可以對(duì)處在排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)、管道閥門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并應(yīng)用在煤礦排水系統(tǒng)中，得出如下結(jié)論：

1）利用三維建模方法建立設(shè)備的三維模型，并將三維模型與測(cè)量系統(tǒng)相耦合，可提高計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試效率和監(jiān)控效果。

2）通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)中三維模型驅(qū)動(dòng)交互，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與真實(shí)設(shè)備的狀態(tài)的同步，操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的感知更加實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

3）基于數(shù)據(jù)服務(wù)器的三維構(gòu)型與總線技術(shù)同步耦合的數(shù)據(jù)交互方法，測(cè)量系統(tǒng)各部分之間工作任務(wù)唯一，互不干擾，系統(tǒng)運(yùn)行高效可靠，重要的數(shù)據(jù)的保存和備份更加安全。

［1］宋敦波.基于 Lab VIEW 的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010（7）：1528-1530.

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Research on Method of Establishing 3D Virtual Dynamic Measurement System

Zhang Dengpan，Tian Zhenhua，Wang Dongsheng
（School of Mechanical&Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China）

Aiming at the problems that the measurement accuracy is low and the stability is poor of the traditional two dimensional measurement system，we proposed a method of 3D virtual dynamic measurement based on data interaction.This method adopted the working mode of the synchronous coupling of the three dimensional configuration and bus technology.We studied the key problem of the model driven system in 3D measurement system，discussed the feasibility of data interaction in 3D measurement system，and applied this method to coal mine drainage system.Experimental results show that the 3D virtual dynamic measurement system realized by this method has the advantages of stable operation，simple operation，high reliability，and wide application prospect.

3D visualization；3D measurement；model driven；data interaction

1671-4598（2016）05-0059-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.018

TP288.4

A

2015-11-16；

2015-12-04。

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210051）；河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（13A460338）。

張登攀（1975-），男，河南平頂山人，副教授，博士，主要從事精密測(cè)量技術(shù)及儀器方向的研究。