基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法
【专利摘要】本发明提供一种基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，包括以下步骤：建立矿井真三维模型、建立与监测数据服务器的连接、建立监测点与场景中虚拟对象之间的映射关系、建立各生产系统的对象-消息树、建立可视化管理器、建立并启动监听器、激活对应的虚拟对象、监听器继续接收下一个实时监测数据、断开与监测数据服务器的连接后退出工况可视化过程。该方法通过对象-消息树判断虚拟对象的自身状态和传递状态变化消息，利用三维实时渲染技术和声光报警技术实现矿井各生产系统工况的可视化。本发明采用的对象-消息树为灵活的层次结构，可描述任意复杂的生产系统及其内部设备之间的逻辑结构，容易实现，特别适用于生产系统的工况可视化。
【专利说明】基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机三维可视化处理【技术领域】，具体涉及一种利用矿井生产系统的真三维模型、采用基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法。
【背景技术】
[0002]传统的二维图形技术和组态技术在矿井工况可视化领域得到了广泛的应用，但是其存在直观性和真实性不足的先天缺陷，无法对工况进行仿真式的可视化。随着计算机硬件设备的更新换代，尤其是各种专业图形卡的相继问世，三维可视化技术开始应用于矿井工况的可视化，并以其高仿真的可视化效果获得了人们的青睐，但目前的应用仍处于初期阶段，如何利用三维可视化技术实现矿井各种生产系统的工况可视化是当前要解决的技术难点。总的来看，当前矿井工况可视化技术存在如下问题:
一是侧重示意性工况的展示，不具备真实性和实时性。例如制作矿井生产系统的动画视频来展示矿井生产流程，这种预先制作好的视频不真实，只是对矿井生产系统的粗略的、静态的展现。
[0003]二是使用二维图形技术和组态技术展示工况，缺乏直观性和逼真性。
[0004]三是对于国内外推出的一些矿井三维管控软件来说，可能也提供了部分工况可视化的功能，但是要么偏向613系统，提供一些单个设备工况和人员位置的简单展示功能，要么偏向组态软件，同样缺乏直观性和逼真性。
[0005]四是现有技术一般用于解决安装有传感器的单个设备的工况可视化，不便于实现系统级别的工况可视化。如果要在矿井真三维场景中实现复杂的生产系统各组成部分的工况的实时高仿真显示，需要描述生产系统的逻辑结构，判断状态时需要逻辑运算，现有方法显得力不从心。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是:克服现有技术的不足，提供一种基于矿井真三维场景，构建生产系统中虚拟对象之间的对象-消息树实现设备和子系统的状态判断，并利用三维实时渲染技术和声光报警技术实现矿井生产系统工况的高仿真显示的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法。
[0007]本发明的技术方案是:本发明的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，包括以下步骤:
①建立矿井真三维场景；
②建立与监测数据服务器的连接；
③从监测数据服务器获取监测点信息，交互式地建立监测点与场景中虚拟对象之间的映射关系，形成映射表；
④建立各生产系统的对象-消息树；分析每个生产系统内部对象之间的逻辑结构，描述并记录下来； ⑤建立可视化管理器，并向可视化管理器注册各生产系统对应的虚拟对象；
⑥建立并启动监听器，监听实时监测数据并向可视化管理器分发；
⑦可视化管理器向虚拟对象转发实时数据:可视化管理器接收到实时数据后，提取实时数据中的监测点标识，通过查询监测点与场景中虚拟对象之间的映射表，将实时数据进一步分发给对应的虚拟对象；
⑧激活对应的虚拟对象，虚拟对象根据对象-消息树判断自身状态，如果状态改变，调用动画管理器向三维图形引擎发送指令，实时渲染虚拟对象的动作来模拟设备的实时工况；如果是文字信息改变，则修改显示值，如果值超限了，则调用声音引擎的来驱动声卡，播放报警声音，或者调用特效管理器向三维图形引擎发送指令，显示各种报警特效；然后，对象将自身状态改变的消息通过消息树传递给上级对象，依次上传，直至树根或者某个状态未变的对象为止；
⑨监听器继续接收下一个实时监测数据，循环下去即可实现矿井工况的实时可视化，直到接收到用户断开与监测数据服务器连接指令时，终止循环；
⑩退出工况可视化状态，返回静态的三维场景视图中。
[0008]进一步的方案是:上述的矿井真三维场景为具有真实地理坐标的真三维模型的集合，包含地表及其上的地理要素真三维模型、井巷工程的真三维模型、各生产系统包含的各种设备、设施、管线的真三维模型；真三维模型是指按照对象的真实尺寸、外观和行为建立的三维几何模型，可以通过软件在计算机中存储、浏览和操作。真三维模型是现实矿井中各种设备、管线和生产子系统的化身，即虚拟对象；上述生产子系统是生产系统中若干个状态一致的设备的集合，简化为一个虚拟对象来表不；
上述映射表用于通过监测点标识查询虚拟对象，根据对应监测点的监测数据控制虚拟对象的行为；可视化管理器是实时数据和虚拟对象的桥梁，它包含了一个虚拟对象表；监听器是负责实时数据接收和分发的管理对象，是实时数据服务器和可视化管理器的桥梁，它监听来自监测系统服务器的广播数据，包括环境监测值、设备开停状态等实时信息，经过分析后将数据转发给可视化管理器；动画管理器是一种支持多种动画算法的动画管理对象，它利用这些动画算法实现各种动画效果，常见动画效果有骨骼动画和纹理动画等；特效管理器是一种支持多种三维粒子特效算法的特效管理对象，它利用这些算法实现各种特殊效果，如光环、爆炸等效果。
[0009]进一步的方案是:上述的虚拟对象是现实矿井中各种对象的真三维模型，利用生产系统对应的虚拟对象的行为模拟矿井中真实的设备和子系统的工况，其它非生产系统的虚拟对象作为背景使用；上述的虚拟对象包含一个消息表，消息表的消息值用0和1表示；上述的虚拟对象具有分别用0和1表示的获取或计算自身状态行为以及传递状态变化消息的行为的2种行为。
[0010]进一步的方案是:上述的对象-消息树由4种节点构成；上述的4种结点为根节点、设备或子系统对应的虚拟对象节点、传感器对应的虚拟对象节点以及消息运算节点；上述的节点之间用表示消息传递方向的带箭头的线连接；上述的消息运算节点上设有作为消息运算符的空、与、或字；其中，“空”表示对消息不作处理；“与”表示对消息进行“逻辑与”运算；“或”表示对消息进行“逻辑或”运算。
[0011]本发明具有积极的效果:(1)本发明的基于对象-消息树的矿井工况的三维可视化方法，通过对象-消息树实现矿井生产系统中的各种设备和子系统的状态判断，达到对矿井生产系统的工况进行可视化的目的，其能够描述任意复杂的矿井生产系统的逻辑结构，不仅能对安装了传感器的单个设备的工况进行可视化，重要的是还能够实现各种生产系统工况的高仿真显示，而且易于实现。(2)本发明的基于对象-消息树的矿井工况的三维可视化方法，将对象-消息树引入状态判断过程，通过对象-消息树来记录生产系统中各虚拟对象之间的逻辑联系、消息传递路径与运算规则，判断虚拟对象的自身状态、传递和处理状态变化消息，这种面向对象的状态变化消息传递方式不需要复杂的计算公式，使得复杂系统及其内部各组成部分的状态的判断变得相对简单；同时消息树是一种灵活的层次结构，用于描述复杂的生产系统及其内部设备之间的逻辑结构灵活方便，操作简单，容易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为实施例中的一种矿井注氮系统的示意图；
图2为图1所示系统的对象-消息树的示意图；
图3为本发明的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0014](实施例1)
本实施例的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，利用了生产系统的对象-消息树。
[0015]结合图1和图2，以一种矿井的注氮系统(矿井内用于灭火的系统)为例，说明面向对象的对象-消息树的涵义:如图1所示，图中00和01是两台制氮机，80和51是开停传感器，02-04是电磁阀控制器，？0~？4是四段管路，现在要求实时表现整个注氮系统的工况，包括制氮机的开停状态、电磁阀开关状态和每段管路里氮气流动状态。注氮系统的对象-消息树如图2所示，图中箭头表示消息传递方向。对象-消息树包含4种类型的节点:虚线方框表示虚拟根节点，代表一个生产系统或者子系统(若干个关联设备的集合\方框表示需要表现工况的设备或子系统对应的虚拟对象节点，虚拟对象包含了一个消息表(消息值用0和1表示),具有2种行为:一是获取或计算自身状态(用0和1表示),二是传递状态变化消息；圆圈表示传感器对应的虚拟对象节点；椭圆表示消息运算节点，描述消息传递过程中的运算法则，椭圆内的汉字是消息运算符，“空”表示对消息不作处理，“与”表示对消息进行“逻辑与”运算，“或”表示对消息进行“逻辑或”运算。以图2为例说明利用对象-消息树判断各设备状态的过程，当设备开停传感器对应的虚拟对象(30和31)状态改变时，会发出消息，消息进入设备00和01消息表，通过经过“空”运算后确定00和01的自身状态，同理确定？0和？1的状态，？0、？1和02的消息都会进入？2的消息表，运算时？0和？1消息先进行“或”运算，然后再与02的消息进行“与”运算，最后结果是？2的状态，同理可确定？3和？4的状态。由此可以看出，对象-消息树可以描述复杂的生产系统内部各组成部分的逻辑结构和消息运算法则。
[0016]前述为本发明用到的技术原理，下面结合图3对本发明基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法做详细的说明。
[0017]如图3所示，本实施例的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，具体操作步骤如下:
①建立矿井真三维场景。根据矿区地形图、采掘工程平面图和生产系统图等原始资料，在真实的地理坐标系下运用三维建模技术建立地表、井巷工程和各种生产系统的真三维模型，其中包含各种设备、管线和生产子系统的真三维模型，通过这些真三维模型的行为模拟现实矿井中设备的工况。
[0018]②建立与监测数据服务器的连接。
[0019]③从监测数据服务器获取监测点信息，交互式的建立实时工况监测点与场景中虚拟对象之间的映射关系。映射表用于通过监测点标识查询虚拟对象，根据对应监测点的监测结果控制虚拟对象的行为。
[0020]④建立所有生产系统各自的对象-消息树。根据生产系统内在的逻辑结构，建立对象-消息树，对象-消息树描述生产系统内部各虚拟对象之间的联系、消息传递路径和消息运算法则。
[0021]⑤建立可视化管理器，并向可视化管理器注册各生产系统对应的虚拟对象(也包含文字显示对象，如面板对象可视化管理器是实时数据和虚拟对象的桥梁，包含一个虚拟对象表。
[0022]⑥建立并启动监听器，监听实时数据并向可视化管理器分发。监听器是负责实时数据实时接收和分发的程序对象，是实时数据服务器和可视化管理器的桥梁。它监听来自监测系统服务器的广播数据，包括环境监测值、设备开停状态等实时信息，经过分析后将数据转发给可视化管理器。
[0023]⑦可视化管理器向虚拟对象转发实时数据。可视化管理器接收到实时数据后，提取实时数据中的监测点标识，通过查询监测点与场景中虚拟对象之间的映射表，将实时数据进一步分发给对应的虚拟对象。
[0024]⑧激活对应的虚拟对象。虚拟对象根据对象-消息树判断自身状态，如果状态改变，调用动画管理器向三维图形引擎发送指令，实时渲染虚拟对象的动作来模拟设备的实时工况；如果是文字信息改变，则修改显示值，如果值超限了，则调用声音引擎的来驱动声卡，播放报警声音，或者调用特效管理器向三维图形引擎发送指令，显示各种报警特效。然后，对象将自身状态改变的消息通过消息树传递给上级对象，依次上传，直至树根或者某个状态未变的对象为止。
[0025]⑨监听器继续接收下一个实时监测数据，循环下去即可实现矿井工况的实时可视化，直到接收到用户断开与监测数据服务器的连接指令时，终止循环。
[0026]⑩退出工况可视化状态，返回原始静态的矿井三维场景视图中。
[0027]综上，本实施例的基于对象-消息树的矿井工况的三维可视化方法，通过对象-消息树实现矿井生广系统中的各种设备和子系统的状态判断，达到对矿井生广系统的工况进行可视化的目的，其能够描述任意复杂的矿井生产系统的逻辑结构，不仅能对安装了传感器的单个设备的工况进行可视化，重要的是还能够实现各种生产系统工况的高仿真显示，而且易于实现。
[0028]以上实施例是对本发明的【具体实施方式】的说明，而非对本发明的限制，有关【技术领域】的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
【权利要求】
1.一种基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，其特征在于：包括以下步骤： ①建立矿井真三维场景； ②建立与监测数据服务器的连接； ③从监测数据服务器获取监测点信息，交互式地建立监测点与场景中虚拟对象之间的映射关系，形成映射表； ④建立各生产系统的对象-消息树；分析每个生产系统内部对象之间的逻辑结构，描述并记录下来； ⑤建立可视化管理器，并向可视化管理器注册各生产系统对应的虚拟对象； ⑥建立并启动监听器，监听实时监测数据并向可视化管理器分发； ⑦可视化管理器向虚拟对象转发实时数据：可视化管理器接收到实时数据后，提取实时数据中的监测点标识，通过查询监测点与场景中虚拟对象之间的映射表，将实时数据进一步分发给对应的虚拟对象； ⑧激活对应的虚拟对象，虚拟对象根据对象-消息树判断自身状态，如果状态改变，调用动画管理器向三维图形引擎发送指令，实时渲染虚拟对象的动作来模拟设备的实时工况；如果是文字信息改变，则修改显示值，如果值超限了，则调用声音引擎的来驱动声卡，播放报警声音，或者调用特效管理器向三维图形引擎发送指令，显示各种报警特效；然后，对象将自身状态改变的消息通过消息树传递给上级对象，依次上传，直至树根或者某个状态未变的对象为止； ⑨监听器继续接收下一个实时监测数据，循环下去即可实现矿井工况的实时可视化，直到接收到用户断开与监测数据服务器连接指令时，终止循环； ⑩退出工况可视化状态，返回静态的三维场景视图中。
2.根据权利要求I所述的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，其特征在于：所述的步骤①中的矿井真三维场景为具有真实地理坐标的真三维模型的集合，包含地表及其上的地理要素真三维模型、井巷工程的真三维模型、各生产系统包含的各种设备、设施、管线的真三维模型。
3.根据权利要求I所述的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，其特征在于：所述的虚拟对象是现实矿井中各种对象的真三维模型，利用生产系统对应的虚拟对象的行为模拟矿井中真实的设备和子系统的工况，其它非生产系统的虚拟对象作为背景使用；所述的虚拟对象包含一个消息表，消息表的消息值用O和I表示；所述的虚拟对象具有分别用O和I表示的获取或计算自身状态行为以及传递状态变化消息的行为的2种行为。
4.根据权利要求I所述的基于对象-消息树的矿井工况三维可视化方法，其特征在于：所述的对象-消息树由4种节点构成；所述的4种结点为根节点、设备或子系统对应的虚拟对象节点、传感器对应的虚拟对象节点以及消息运算节点；所述的节点之间用表示消息传递方向的带箭头的线连接；所述的消息运算节点上设有作为消息运算符的空、与、或字；其中，“空”表示对消息不作处理；“与”表示对消息进行“逻辑与”运算；“或”表示对消息进行“逻辑或”运算。
【文档编号】G06Q50/02GK103839186SQ201410098033
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】熊书敏, 陈和权, 张战国, 余谦, 张焕强, 孙晓东, 权洁 申请人:天地（常州）自动化股份有限公司, 中煤科工集团常州研究院有限公司