煤矿压风设备三维可视化实时监控预警系统的实现.pdf

第3 7 卷第 1 1 期 2 0 1 4年 1 1月 煤 炭 与 化 工 Co a l a n d Ch e mi c al I n d u s t r y V0 l - 3 7 No ． 1 1 NO V ． 2 01 4 煤矿压风设备三 维可 视化实时 监控预警系 统的 实现 闫维忠 ，- ，李建功 1 ． 河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 0 6 3 0 0 9 ；2 ．开滦集团有限责任公司，河北 唐山0 6 3 0 1 8 摘 要煤矿压风设备三维可视化实时监控及预警系统运用三维可视化虚拟仿真技术与P L C 控制技术相结合对现场设备进行实时三维监控的半实物仿真系统。采煤现场各种设备的实时 数据通过传感器采集后传输给 P L C系统 ，P L C系统通过专用接 口将数据传给上位机 ，再运用 O P C技术将现场采集的数据实时存储进实时数据库中，最后，三维仿真模块根据数据库中的 实时数据来控制虚拟环境 中的各种设备进行 动作。以V i s u a l C 和 E o n作为开发工具，采用适 合煤矿实体建模及应用的三维数据模型和数据结构，并采用几何建模、三维交互以及颜色、 光照和材质等虚拟现实技术 ，开发煤矿三维可视化实时监控 系统 。 关键词数字化；压风机；P L C ；O P C ；三维可视化 中图分类号 T D 7 6 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 41 1 - 0 0 3 4 0 4 Th e I m p l e me nt a t i o n o f M i ne Co mpr e s s e d Ai r Eq ui p m e nt 3 d Vi s ua l i z a t i o n Re a l -t i me M o ni t or i n g Ea r l y W a r ni ng S y s t e m rAN We i z h o n g ． L I J i a n - g o n g J ． Me c h a n i c a l En g i n e e r i n gHe b e i U n i t e d U n i v e r s i ty ,T a n g s h an 0 6 3 0 0 9 ， C h i n a ； 2 ． K a i l u a n Gr o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， T ang s h an 0 6 3 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t 3 d v i s u a l i z a ti o n o f r e a l ti me mo n i t o ri n g a n d e a r l y w a r n i n g s y s t e m i n c o mp r e s s e d a i r e q u i p me n t i s s e mi p h y s i c al s i mu l a ti o n s y s t e m f o r r e a l - ti me 3 d mo n i t o ri n g o f fi e l d e q u i p me n t u s e d t h e 3 d v i s u ali z a t i o n o f v i r t u al s i mu l a ti o n t e c h n o l o g y a n d P L C c o n t r o l t e c h n o l o g y ． Re a l ti me d a t a o f a l l k i n d s o f c o a l mi n i n g e q u i p me n t t r an s mi s s i o n t o the P L C s y s t e m t h r o u g h the s e n s o r , the n u s e d the t e c h n o l o gy o f OP C s t o r a g e o f r e al- t i me d a ta c o U e c t e d i n the fi e l d i n r e al t i me d a t a b a s e ， fi n a l l y ， a c c o r d i n g t o the r e al- t i me d a t a i n the d a t a b as e t h e 3 d s i mu l a t i o n mo d u l e c o n t r o l v a ri o u s d e v i c e s i n the v i r tua l e n v i r o n me n t for a c ti o n ． Vi s u alC an d Eo n a s t h e d e v e l o p me n t t o o l s ， u s e d 3 d d a t a mo d e l a n d d a ta s t r u c t u r e s u i t ab l e f o r the mo d e l i n g and a p p h c a fi o n o f c o al e n t i t y ， g e o me t r i c mo d e h n g ， i n t e r a c ti v e 3 d a n d c o l o r ， l i ght a n d m a t e ri al o f v i r t u al r e al i ty t e c h n o l o gy， i t d e v e l o p e d the r e al- t i me mo n i t o ri n g s y s t e m o f c o a l mi n e thr e e d i me n s i o n al v i s u ali z a t i o n ． K e y wor d s d i g i ti z a ti o n ； p r e s s u r e f an； P L C； OP C； 3 d v i s u ali z a ti o n 1 概 述 煤矿三维可视化技术是国内外研究的热点。在 现有的监控系统的前提下，立足于压风系统的工作 场景的模拟与可视化监控，将二维的监控提升至三 维的层面上来。文章所研究的煤矿压风设备三维可 视化实时监控及预警系统属于煤矿安全生产综合信 息监控研究领域，着重研究了三维可视化建模、基 于 O p e n G L的三维可视化和基 于 O P C接 口系统集 成的实现。针对系统中空间实体三维模型、设备参 数的实时采集 、矿井设备的运动仿真和应急调度处 理 四个关键技术展开研究 。煤矿压风系统设备工作 状态的三维可视化实时监控是运用三维可视化虚拟 仿真技术与 P L C控制技术相结合对现场设备进行 实时三维监控的半实物仿真系统。采煤现场各种设 备的实时数据通过传感器采集后输给 P L C系统 ， 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 4；责任编辑 张彤 作者简介闰维忠 1 9 6 8 一 ，男，河北昌黎人，高级工程师。E m a i l y a n w e i z h o n g k a i l u a n ． c o rn ． c n 引用格式闫维忠． 煤矿压风设备三维可视化实时监控预警系统的实现[ J ] ． 煤炭与化工，2 0 1 4 ，3 7 1 1 3 4 3 7 3 4 闫维忠等煤矿压风设备三维可视化实时监控预警系统的实现 2 0 1 4年第 l 1 期 P L C系统通过专用接口将数据传给上位机，再运用 O P C技术将现场采集的数据实时存储进实时数据 库中，三维仿真模块根据数据库中的实时数据来控 制虚拟环境中的各种设备进行动作。三维仿真模块 是通过运用三维真实感绘制技术对各种煤矿设备进 行逼真感绘制和渲染，再利用虚拟现实仿真平台对 设备的各种可能的动作进行交互式动画设计。最终 呈现出煤矿整个场景的工作状态。 2虚拟场景建模 虚拟场景建模是虚拟现实技术一项重要的研究 领域，是整个虚拟现实系统建立的基础。 2 ． 1 几何建模 几何建模分为体素和结构两个方面。体素是用 来构造物体的原子单位 ，它的选取决定了建模 系统 所能构造的对象范围；结构用来决定体素如何组合 以构成新的对象。目前，体素建模主要有 3 种方 法多边形、曲线曲面的非均匀有理 B样条 N U R B S 和细分面建模。 2 ． 2纹理映射 映射修改器首先要找到物体对象与纹理图对应 的信息，然后将纹理图置入内存空间，通过矩阵变 换对纹理进行的平移、旋转、缩放等处理。三维空 间中物体的几何变换矩阵可用 T 如表示。 0,1 1 0, 1 2 0,1 3 0,zl a, z 2 a2 3 r r 3 D l n 3 2 n 3 3 a2 4 t r 3 4 ●●● 从变换功能上 T 。 可分为 4 个子矩阵，其中 0,1 1 0, ／ “ 1 20, 1 3 1 1 产 生 比例 、旋 转 等 几 何 变 换 ； 啦 03 2a3 3 0,1 4 I a 4 。 ‰ I 产生平移变换； o o 4产生投影变换 ；产 l t r y 4 J 生整体比例变换。由此很容易推导出每种变化矩阵 1 平移变换。若对象的位置为 ，Y ， ， 目 标分别在三个轴方向平移 T x、T y 、T z ，变换矩阵为 1 0 0 0 0 1 O 0 0 0 1 0 、 、Tz 1 f x T x y 1 1 2 2 比例变换。若比例变换的参考点为 X f ， Y f ， z f ，其变换矩阵为 0 0 0 0 1 0 z l 1 3 旋转变换。在右手坐标系下相对坐标系 原点绕坐标轴旋转 0 角的变换公式是 绕 x轴旋转 1 0 0 0 y z ⋯ ； 三 s in O 。0 【 ㈩ L O 0 0 1 l 绕 Y 轴 旋 转 Y 1 1 Y z 1 I I c o s 0 0 一 s i n O 0 l 0 1 0 0 J s i n 0 c 删0 5 l 0 0 0 1 J 绕 z 轴 旋 转 [ Y Z 1] 【 Y z 1 I f c o s 0 s i n O 0 0] 一 s in O c o s 0 0 0 { ， 、 l 0 0 1 0 j l 0 0 0 1 l 2 ． 3光照计算 光亮度计算是 真实感 图形生成 的重要环节 ，它 决定画面的最终视觉效果。为了用计算机生成逼真 感很强的实体，要在特定的光照条件下对物体的表 面着色或生成纹理。采用光照模型来计算景物表面 上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组 成，如 P h o n g 模型就是较为简单的局部光照明模 型 ，如图 1 所示 ，其描述如下式 J 上 N L k R 7 式中 为泛光项 ；Ij} N L为漫反射项 ；k Z v R 为镜面反射项；k 。 为泛光系数；k 为漫反 射率 ； 为镜面反射率 ；厶为泛光强度； 为光源 的入射光强度 ，Ⅳ为点 P处 的表面单位法 向量 ；L 为点 P指向光源方向的单位向量；R为 关于 N 的镜面反射方向的单位向量；V为 P 指向视点方向 的单位量；／／, 为镜面高光指数，控制着景物表面上 高光范围的大小。 模型表面光照模型s u r f a c e C o l o r e m i s s iv e 3 5