基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，包括以下步驟：建立礦井真三維模型、建立與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接、建立監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射關系、建立各生產(chǎn)系統(tǒng)的對象-消息樹、建立可視化管理器、建立并啟動監(jiān)聽器、激活對應的虛擬對象、監(jiān)聽器繼續(xù)接收下一個實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、斷開與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接后退出工況可視化過程。該方法通過對象-消息樹判斷虛擬對象的自身狀態(tài)和傳遞狀態(tài)變化消息，利用三維實時渲染技術(shù)和聲光報警技術(shù)實現(xiàn)礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)工況的可視化。本發(fā)明采用的對象-消息樹為靈活的層次結(jié)構(gòu)，可描述任意復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)及其內(nèi)部設備之間的邏輯結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)，特別適用于生產(chǎn)系統(tǒng)的工況可視化。
【專利說明】基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機三維可視化處理【技術(shù)領域】，具體涉及一種利用礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的真三維模型、采用基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的二維圖形技術(shù)和組態(tài)技術(shù)在礦井工況可視化領域得到了廣泛的應用，但是其存在直觀性和真實性不足的先天缺陷，無法對工況進行仿真式的可視化。隨著計算機硬件設備的更新?lián)Q代，尤其是各種專業(yè)圖形卡的相繼問世，三維可視化技術(shù)開始應用于礦井工況的可視化，并以其高仿真的可視化效果獲得了人們的青睞，但目前的應用仍處于初期階段，如何利用三維可視化技術(shù)實現(xiàn)礦井各種生產(chǎn)系統(tǒng)的工況可視化是當前要解決的技術(shù)難點。總的來看，當前礦井工況可視化技術(shù)存在如下問題:
一是側(cè)重示意性工況的展示，不具備真實性和實時性。例如制作礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的動畫視頻來展示礦井生產(chǎn)流程，這種預先制作好的視頻不真實，只是對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的粗略的、靜態(tài)的展現(xiàn)。
[0003]二是使用二維圖形技術(shù)和組態(tài)技術(shù)展示工況，缺乏直觀性和逼真性。
[0004]三是對于國內(nèi)外推出的一些礦井三維管控軟件來說，可能也提供了部分工況可視化的功能，但是要么偏向613系統(tǒng)，提供一些單個設備工況和人員位置的簡單展示功能，要么偏向組態(tài)軟件，同樣缺乏直觀性和逼真性。
[0005]四是現(xiàn)有技術(shù)一般用于解決安裝有傳感器的單個設備的工況可視化，不便于實現(xiàn)系統(tǒng)級別的工況可視化。如果要在礦井真三維場景中實現(xiàn)復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)各組成部分的工況的實時高仿真顯示，需要描述生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，判斷狀態(tài)時需要邏輯運算，現(xiàn)有方法顯得力不從心。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于礦井真三維場景，構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)中虛擬對象之間的對象-消息樹實現(xiàn)設備和子系統(tǒng)的狀態(tài)判斷，并利用三維實時渲染技術(shù)和聲光報警技術(shù)實現(xiàn)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)工況的高仿真顯示的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，包括以下步驟:
①建立礦井真三維場景；
②建立與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接；
③從監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器獲取監(jiān)測點信息，交互式地建立監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射關系，形成映射表；
④建立各生產(chǎn)系統(tǒng)的對象-消息樹；分析每個生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部對象之間的邏輯結(jié)構(gòu)，描述并記錄下來； ⑤建立可視化管理器，并向可視化管理器注冊各生產(chǎn)系統(tǒng)對應的虛擬對象；
⑥建立并啟動監(jiān)聽器，監(jiān)聽實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并向可視化管理器分發(fā)；
⑦可視化管理器向虛擬對象轉(zhuǎn)發(fā)實時數(shù)據(jù):可視化管理器接收到實時數(shù)據(jù)后，提取實時數(shù)據(jù)中的監(jiān)測點標識，通過查詢監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射表，將實時數(shù)據(jù)進一步分發(fā)給對應的虛擬對象；
⑧激活對應的虛擬對象，虛擬對象根據(jù)對象-消息樹判斷自身狀態(tài)，如果狀態(tài)改變，調(diào)用動畫管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，實時渲染虛擬對象的動作來模擬設備的實時工況；如果是文字信息改變，則修改顯示值，如果值超限了，則調(diào)用聲音引擎的來驅(qū)動聲卡，播放報警聲音，或者調(diào)用特效管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，顯示各種報警特效；然后，對象將自身狀態(tài)改變的消息通過消息樹傳遞給上級對象，依次上傳，直至樹根或者某個狀態(tài)未變的對象為止；
⑨監(jiān)聽器繼續(xù)接收下一個實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，循環(huán)下去即可實現(xiàn)礦井工況的實時可視化，直到接收到用戶斷開與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器連接指令時，終止循環(huán)；
⑩退出工況可視化狀態(tài)，返回靜態(tài)的三維場景視圖中。
[0008]進一步的方案是:上述的礦井真三維場景為具有真實地理坐標的真三維模型的集合，包含地表及其上的地理要素真三維模型、井巷工程的真三維模型、各生產(chǎn)系統(tǒng)包含的各種設備、設施、管線的真三維模型；真三維模型是指按照對象的真實尺寸、外觀和行為建立的三維幾何模型，可以通過軟件在計算機中存儲、瀏覽和操作。真三維模型是現(xiàn)實礦井中各種設備、管線和生產(chǎn)子系統(tǒng)的化身，即虛擬對象；上述生產(chǎn)子系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)中若干個狀態(tài)一致的設備的集合，簡化為一個虛擬對象來表不；
上述映射表用于通過監(jiān)測點標識查詢虛擬對象，根據(jù)對應監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)控制虛擬對象的行為；可視化管理器是實時數(shù)據(jù)和虛擬對象的橋梁，它包含了一個虛擬對象表；監(jiān)聽器是負責實時數(shù)據(jù)接收和分發(fā)的管理對象，是實時數(shù)據(jù)服務器和可視化管理器的橋梁，它監(jiān)聽來自監(jiān)測系統(tǒng)服務器的廣播數(shù)據(jù)，包括環(huán)境監(jiān)測值、設備開停狀態(tài)等實時信息，經(jīng)過分析后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可視化管理器；動畫管理器是一種支持多種動畫算法的動畫管理對象，它利用這些動畫算法實現(xiàn)各種動畫效果，常見動畫效果有骨骼動畫和紋理動畫等；特效管理器是一種支持多種三維粒子特效算法的特效管理對象，它利用這些算法實現(xiàn)各種特殊效果，如光環(huán)、爆炸等效果。
[0009]進一步的方案是:上述的虛擬對象是現(xiàn)實礦井中各種對象的真三維模型，利用生產(chǎn)系統(tǒng)對應的虛擬對象的行為模擬礦井中真實的設備和子系統(tǒng)的工況，其它非生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬對象作為背景使用；上述的虛擬對象包含一個消息表，消息表的消息值用0和1表示；上述的虛擬對象具有分別用0和1表示的獲取或計算自身狀態(tài)行為以及傳遞狀態(tài)變化消息的行為的2種行為。
[0010]進一步的方案是:上述的對象-消息樹由4種節(jié)點構(gòu)成；上述的4種結(jié)點為根節(jié)點、設備或子系統(tǒng)對應的虛擬對象節(jié)點、傳感器對應的虛擬對象節(jié)點以及消息運算節(jié)點；上述的節(jié)點之間用表示消息傳遞方向的帶箭頭的線連接；上述的消息運算節(jié)點上設有作為消息運算符的空、與、或字；其中，“空”表示對消息不作處理；“與”表示對消息進行“邏輯與”運算；“或”表示對消息進行“邏輯或”運算。
[0011]本發(fā)明具有積極的效果:(1)本發(fā)明的基于對象-消息樹的礦井工況的三維可視化方法，通過對象-消息樹實現(xiàn)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種設備和子系統(tǒng)的狀態(tài)判斷，達到對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的工況進行可視化的目的，其能夠描述任意復雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，不僅能對安裝了傳感器的單個設備的工況進行可視化，重要的是還能夠?qū)崿F(xiàn)各種生產(chǎn)系統(tǒng)工況的高仿真顯示，而且易于實現(xiàn)。(2)本發(fā)明的基于對象-消息樹的礦井工況的三維可視化方法，將對象-消息樹引入狀態(tài)判斷過程，通過對象-消息樹來記錄生產(chǎn)系統(tǒng)中各虛擬對象之間的邏輯聯(lián)系、消息傳遞路徑與運算規(guī)則，判斷虛擬對象的自身狀態(tài)、傳遞和處理狀態(tài)變化消息，這種面向?qū)ο蟮臓顟B(tài)變化消息傳遞方式不需要復雜的計算公式，使得復雜系統(tǒng)及其內(nèi)部各組成部分的狀態(tài)的判斷變得相對簡單；同時消息樹是一種靈活的層次結(jié)構(gòu)，用于描述復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)及其內(nèi)部設備之間的邏輯結(jié)構(gòu)靈活方便，操作簡單，容易實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為實施例中的一種礦井注氮系統(tǒng)的示意圖；
圖2為圖1所示系統(tǒng)的對象-消息樹的示意圖；
圖3為本發(fā)明的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0014](實施例1)
本實施例的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，利用了生產(chǎn)系統(tǒng)的對象-消息樹。
[0015]結(jié)合圖1和圖2，以一種礦井的注氮系統(tǒng)(礦井內(nèi)用于滅火的系統(tǒng))為例，說明面向?qū)ο蟮膶ο?消息樹的涵義:如圖1所示，圖中00和01是兩臺制氮機，80和51是開停傳感器，02-04是電磁閥控制器，？0~？4是四段管路，現(xiàn)在要求實時表現(xiàn)整個注氮系統(tǒng)的工況，包括制氮機的開停狀態(tài)、電磁閥開關狀態(tài)和每段管路里氮氣流動狀態(tài)。注氮系統(tǒng)的對象-消息樹如圖2所示，圖中箭頭表示消息傳遞方向。對象-消息樹包含4種類型的節(jié)點:虛線方框表示虛擬根節(jié)點，代表一個生產(chǎn)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)(若干個關聯(lián)設備的集合\方框表示需要表現(xiàn)工況的設備或子系統(tǒng)對應的虛擬對象節(jié)點，虛擬對象包含了一個消息表(消息值用0和1表示),具有2種行為:一是獲取或計算自身狀態(tài)(用0和1表示),二是傳遞狀態(tài)變化消息；圓圈表示傳感器對應的虛擬對象節(jié)點；橢圓表示消息運算節(jié)點，描述消息傳遞過程中的運算法則，橢圓內(nèi)的漢字是消息運算符，“空”表示對消息不作處理，“與”表示對消息進行“邏輯與”運算，“或”表示對消息進行“邏輯或”運算。以圖2為例說明利用對象-消息樹判斷各設備狀態(tài)的過程，當設備開停傳感器對應的虛擬對象(30和31)狀態(tài)改變時，會發(fā)出消息，消息進入設備00和01消息表，通過經(jīng)過“空”運算后確定00和01的自身狀態(tài)，同理確定？0和？1的狀態(tài)，？0、？1和02的消息都會進入？2的消息表，運算時？0和？1消息先進行“或”運算，然后再與02的消息進行“與”運算，最后結(jié)果是？2的狀態(tài)，同理可確定？3和？4的狀態(tài)。由此可以看出，對象-消息樹可以描述復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的邏輯結(jié)構(gòu)和消息運算法則。
[0016]前述為本發(fā)明用到的技術(shù)原理，下面結(jié)合圖3對本發(fā)明基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法做詳細的說明。
[0017]如圖3所示，本實施例的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，具體操作步驟如下:
①建立礦井真三維場景。根據(jù)礦區(qū)地形圖、采掘工程平面圖和生產(chǎn)系統(tǒng)圖等原始資料，在真實的地理坐標系下運用三維建模技術(shù)建立地表、井巷工程和各種生產(chǎn)系統(tǒng)的真三維模型，其中包含各種設備、管線和生產(chǎn)子系統(tǒng)的真三維模型，通過這些真三維模型的行為模擬現(xiàn)實礦井中設備的工況。
[0018]②建立與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接。
[0019]③從監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器獲取監(jiān)測點信息，交互式的建立實時工況監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射關系。映射表用于通過監(jiān)測點標識查詢虛擬對象，根據(jù)對應監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果控制虛擬對象的行為。
[0020]④建立所有生產(chǎn)系統(tǒng)各自的對象-消息樹。根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，建立對象-消息樹，對象-消息樹描述生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各虛擬對象之間的聯(lián)系、消息傳遞路徑和消息運算法則。
[0021]⑤建立可視化管理器，并向可視化管理器注冊各生產(chǎn)系統(tǒng)對應的虛擬對象(也包含文字顯示對象，如面板對象可視化管理器是實時數(shù)據(jù)和虛擬對象的橋梁，包含一個虛擬對象表。
[0022]⑥建立并啟動監(jiān)聽器，監(jiān)聽實時數(shù)據(jù)并向可視化管理器分發(fā)。監(jiān)聽器是負責實時數(shù)據(jù)實時接收和分發(fā)的程序?qū)ο?，是實時數(shù)據(jù)服務器和可視化管理器的橋梁。它監(jiān)聽來自監(jiān)測系統(tǒng)服務器的廣播數(shù)據(jù)，包括環(huán)境監(jiān)測值、設備開停狀態(tài)等實時信息，經(jīng)過分析后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可視化管理器。
[0023]⑦可視化管理器向虛擬對象轉(zhuǎn)發(fā)實時數(shù)據(jù)。可視化管理器接收到實時數(shù)據(jù)后，提取實時數(shù)據(jù)中的監(jiān)測點標識，通過查詢監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射表，將實時數(shù)據(jù)進一步分發(fā)給對應的虛擬對象。
[0024]⑧激活對應的虛擬對象。虛擬對象根據(jù)對象-消息樹判斷自身狀態(tài)，如果狀態(tài)改變，調(diào)用動畫管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，實時渲染虛擬對象的動作來模擬設備的實時工況；如果是文字信息改變，則修改顯示值，如果值超限了，則調(diào)用聲音引擎的來驅(qū)動聲卡，播放報警聲音，或者調(diào)用特效管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，顯示各種報警特效。然后，對象將自身狀態(tài)改變的消息通過消息樹傳遞給上級對象，依次上傳，直至樹根或者某個狀態(tài)未變的對象為止。
[0025]⑨監(jiān)聽器繼續(xù)接收下一個實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，循環(huán)下去即可實現(xiàn)礦井工況的實時可視化，直到接收到用戶斷開與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接指令時，終止循環(huán)。
[0026]⑩退出工況可視化狀態(tài)，返回原始靜態(tài)的礦井三維場景視圖中。
[0027]綜上，本實施例的基于對象-消息樹的礦井工況的三維可視化方法，通過對象-消息樹實現(xiàn)礦井生廣系統(tǒng)中的各種設備和子系統(tǒng)的狀態(tài)判斷，達到對礦井生廣系統(tǒng)的工況進行可視化的目的，其能夠描述任意復雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，不僅能對安裝了傳感器的單個設備的工況進行可視化，重要的是還能夠?qū)崿F(xiàn)各種生產(chǎn)系統(tǒng)工況的高仿真顯示，而且易于實現(xiàn)。
[0028]以上實施例是對本發(fā)明的【具體實施方式】的說明，而非對本發(fā)明的限制，有關【技術(shù)領域】的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換和變化而得到相對應的等同的技術(shù)方案，因此所有等同的技術(shù)方案均應該歸入本發(fā)明的專利保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，其特征在于：包括以下步驟： ①建立礦井真三維場景； ②建立與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器的連接； ③從監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器獲取監(jiān)測點信息，交互式地建立監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射關系，形成映射表； ④建立各生產(chǎn)系統(tǒng)的對象-消息樹；分析每個生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部對象之間的邏輯結(jié)構(gòu)，描述并記錄下來； ⑤建立可視化管理器，并向可視化管理器注冊各生產(chǎn)系統(tǒng)對應的虛擬對象； ⑥建立并啟動監(jiān)聽器，監(jiān)聽實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并向可視化管理器分發(fā)； ⑦可視化管理器向虛擬對象轉(zhuǎn)發(fā)實時數(shù)據(jù)：可視化管理器接收到實時數(shù)據(jù)后，提取實時數(shù)據(jù)中的監(jiān)測點標識，通過查詢監(jiān)測點與場景中虛擬對象之間的映射表，將實時數(shù)據(jù)進一步分發(fā)給對應的虛擬對象； ⑧激活對應的虛擬對象，虛擬對象根據(jù)對象-消息樹判斷自身狀態(tài)，如果狀態(tài)改變，調(diào)用動畫管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，實時渲染虛擬對象的動作來模擬設備的實時工況；如果是文字信息改變，則修改顯示值，如果值超限了，則調(diào)用聲音引擎的來驅(qū)動聲卡，播放報警聲音，或者調(diào)用特效管理器向三維圖形引擎發(fā)送指令，顯示各種報警特效；然后，對象將自身狀態(tài)改變的消息通過消息樹傳遞給上級對象，依次上傳，直至樹根或者某個狀態(tài)未變的對象為止； ⑨監(jiān)聽器繼續(xù)接收下一個實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，循環(huán)下去即可實現(xiàn)礦井工況的實時可視化，直到接收到用戶斷開與監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器連接指令時，終止循環(huán)； ⑩退出工況可視化狀態(tài)，返回靜態(tài)的三維場景視圖中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，其特征在于：所述的步驟①中的礦井真三維場景為具有真實地理坐標的真三維模型的集合，包含地表及其上的地理要素真三維模型、井巷工程的真三維模型、各生產(chǎn)系統(tǒng)包含的各種設備、設施、管線的真三維模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，其特征在于：所述的虛擬對象是現(xiàn)實礦井中各種對象的真三維模型，利用生產(chǎn)系統(tǒng)對應的虛擬對象的行為模擬礦井中真實的設備和子系統(tǒng)的工況，其它非生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬對象作為背景使用；所述的虛擬對象包含一個消息表，消息表的消息值用O和I表示；所述的虛擬對象具有分別用O和I表示的獲取或計算自身狀態(tài)行為以及傳遞狀態(tài)變化消息的行為的2種行為。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于對象-消息樹的礦井工況三維可視化方法，其特征在于：所述的對象-消息樹由4種節(jié)點構(gòu)成；所述的4種結(jié)點為根節(jié)點、設備或子系統(tǒng)對應的虛擬對象節(jié)點、傳感器對應的虛擬對象節(jié)點以及消息運算節(jié)點；所述的節(jié)點之間用表示消息傳遞方向的帶箭頭的線連接；所述的消息運算節(jié)點上設有作為消息運算符的空、與、或字；其中，“空”表示對消息不作處理；“與”表示對消息進行“邏輯與”運算；“或”表示對消息進行“邏輯或”運算。
【文檔編號】G06Q50/02GK103839186SQ201410098033
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】熊書敏, 陳和權(quán), 張戰(zhàn)國, 余謙, 張煥強, 孫曉東, 權(quán)潔 申請人:天地（常州）自動化股份有限公司, 中煤科工集團常州研究院有限公司