虚拟运动表达

虚拟运动表达（精选三篇）

虚拟运动表达 篇1

关键词：虚拟运动表达,概念整合,心理空间

一、引言

空间位移事件是人类最基本、最重要的日常经验, 许多学者曾就语言中的空间位移事件开展研究。而语言中还常出现以动态方式描述静态场景的表达, 即使用描述空间位移事件的要素和结构来表达现实中保持静止的物体状态。如例句所示:

(1) 我在群山中, 沿着一条小道一直爬上泰山极巅:岱顶。

(2) 这群山中, 一条小道迂回曲折, 蜿蜒而上, 一直通向泰山极巅:岱顶。

句 (1) 描绘了一个空间位移事件。运动凸像“我”以“岱顶”为终点, 沿特定路径进行运动。而句 (2) 中的“小道”在现实经验中处于静止状态。在句子表达中, “小道”作为运动凸像和位移主体, 以“岱顶”为终点, 以动词短语“迂回曲折”、行为动词“蜿蜒”和趋向动词“上”所限定的路径做虚拟运动。多种语言中都频繁出现和使用虚拟运动表达, 其中以英语、西班牙语、日语等为语料所开展的研究较多, 汉语中虚拟运动表达的研究还相对缺乏。此外, 以往的研究多集中在虚拟运动的心理学探究、类型学分析等, 少有研究从认知角度出发, 揭示识解虚拟运动表达的心理过程。

二、虚拟运动的定义和分类

除了虚拟运动 (fictive motion) , 不同学者将语言中这种以动写静的表达称为主观位移 (subjective motion) 或假想性运动 (virtual motion) 等。Talmy从认知语义学角度出发, 使用虚拟运动一词, 并将其定义为“使用以动态事物为基本参照点的结构来系统而广泛地描述静态场景的语言现象”。 (1) 他认为, 认知主体对虚拟运动现象的认知差异是现实 (factive) 与虚拟 (fictive) 相互重叠的表现。而Langacker则使用主观位移一词, 并指出虚拟运动的本质是心理扫描。由于现实中主体或观察者都未发生移动, 激活位移动词的是概念化主体通过心理扫描将静态场景主观识解为概念化的动态过程。 (2)

Matsumoto在进行英、日虚拟运动表达对比研究时, 根据所描述位移事件的详细程度, 将虚拟运动分为两类:第一类虚拟运动中的运动主体可能是任意人、任意视觉焦点, 运动发生在任意时间;而第二类虚拟运动详细描述了具体的运动主体和时间。 (3) 分类较为系统、全面的是Talmy在重叠系统 (overlapping system) 认知模型下, 参照与“现实”与“虚拟”相关的四组变量, 将英语中的虚拟运动表达分为六个类型——放射型、模式路径型、相对框架型、出现路径型、达致路径型和延展路径型。 (4)

三、概念整合理论

Zwaan, Wallentin, Matlock, Richardson等学者从心理学角度, 通过大量实证研究证明, 在处理虚拟运动表达的时候, 识解空间位移事件的心理过程会被激活, 这一发现为从语言学角度, 尤其是概念整合理论, 分析虚拟运动表达提供了有力支持。

Fauconnier和Turner认为, 语言是概念整合的结果。 (5) 概念整合是来自一个或多个认知域的心理空间被融合的心理认知过程, 这其中包括至少两个输入空间Input 1和Input 2, 类属空间Generic space和整合空间Blend。认知主体有选择性地从两个输入空间获取信息, 通过匹配和映射将一系列相关事件进行整合, 构成新的概念和意义。概念整合理论对于语言学、心理学和认知科学都具有开创性意义, 也为解释虚拟运动中“现实”与“虚拟”的重叠提供了理论依据。

Fauconnier还曾就英语中的一类虚拟运动表达做出分析:“the blackboard goes all the way to the wall”, 描述了“黑板一路走向墙面”的虚拟运动状态。在语义构建过程中, Input 1包含射体从起点向目标运动的位移事件。通过跨空间映射, 目标对应黑板沿水平轴线末端, 墙对应虚拟运动的参照点。继而, 目标、黑板边缘、参照点和墙被整合, 整合空间向Input 2反向映射, 得出黑板边缘抵住墙面, 并呈现动态感。 (6) 概念整合理论对英语虚拟运动表达具有较强的解释力, 也为分析汉语虚拟运动表达提供了视角。

四、汉语虚拟运动表达的认知分析

Talmy提出, 在虚拟运动中有四组变量:在虚拟运动中是否有现实运动的存在;虚拟运动的物体本身是真实的还是虚拟的;虚拟运动效果是否与观察者视角有关;虚拟运动的对象是物体还是对物体的视觉焦点。 (4) 以这些变量为标准, 通过对第六版现代汉语词典、CCL语料库中例词、例句的检索, 发现汉语中的虚拟运动表达主要有五种类型:放射型、相对框架型、出现路径型、延伸型和模式型。以放射型虚拟表达为例, 这类虚拟运动过程中没有现实运动, 虚拟运动物体本身也是虚拟的且运动效果与观察者视角无关。参看句 (3) :

(3) 垂柳倒影在湖面上。

心理学研究证实在识解虚拟运动表达的过程中, 识解现实运动的心理过程会被激活。识解句 (3) 的输入空间和整合空间如图1所示:

Input 1主要反映了射体以特定参照点, 从起点向目标沿特定路径的现实运动, 而在Input 2中, “垂柳”、“湖”、“影子”三个物体均处于静止状态, 而虚拟物体“影子”还将“垂柳”作为来源和所有者。Input 2其实反映出识解“垂柳的影子在湖面上”一类表达的心理空间。继而如实线所示, 认知主体从两个输入空间提取信息进行匹配。Input 1中的起点向Input 2中的“垂柳”, Input 1中的目标和参照点向“湖面”分别产生映射, 而Input 1中的射体在Input 2中的对应结构即为虚拟物体“影子”。然后, 两个输入空间的部分结构映射入整合空间。在整合空间中, 一个以“影子”为射体、从起点“垂柳”被放射、沿径直路径、以“湖”为运动目标和参照点的位移事件被组织和发展出来。Input 1中现实位移与Input 2中静止场景的整合, 建立起对“垂柳倒影在湖面上”的概念化, 使得同时识解动态和静止的矛盾得以调和。基于整合空间和输入空间的相似性, 整合空间的运动向Input 2中静态场景的反向推断为静态场景的识解过程带来动态感。

再以模式型虚拟表达为例, 该类表达中虚拟运动物体是真实的, 且运动过程中存在现实运动, 但是现实运动的模式与虚拟运动表达中的运动模式存在差异。如句 (4) 所示:

(4) 几千辆出租车浮上地平线。

识解句 (4) 的输入空间和整合空间如图2所示。Input 1反映出识解射体沿垂直路径从底部起点出发向顶部目标运动的心理过程。Input 2显示出识解“几千辆出租车”沿着“地平线”做现实运动的心理空间结构, 从语言层面可以表述为“几千辆出租车由远及近, 在地平线上行驶”。两个输入空间的部分结构发生相互匹配和映射, Input 1中的射体向“几千辆出租车”映射, Input 1中的垂直路径向整合空间映射。整合空间中的“几千辆出租车”作为运动的射体, 不再沿Input 2中的水平路径运动, 而是以Input 1所映射的自下而上的垂直路径进行运动。Input 1中的参照点与Input 2中的“地平线”相互匹配映射, 在整合空间中作为虚拟运动的参照点。新的运动路径信息在整合空间中组织并发展出来, 三个空间的相似性使得整合空间能够向Input 2做出反向推断, 令静态场景带入动态感。

通过对放射型和模式型汉语虚拟运动的心理过程分析可得, 静态场景的动态感是通过整合空间反向推断而产生的, 不同种类的虚拟运动表达, 都包含了一个反映运动事件的输入空间, 而另一个输入空间不尽相同。结合具体句子的不同意义, 第二个输入空间的不同内容被激活, 一个空间中的部分结构与另一空间的对应结构产生映射, 来自两个输入空间的部分结构被映射到整合空间中。整合空间中出现的突生结构使得整合空间结构得到完善, 符合自身逻辑, 这些空间中结构的相似性使得整合空间向与具体语言环境相关的第二输入空间的反向推断成为可能。

注释

11 Talmy, L.Toward a Cognitive Semantics, Volume II:Typology and Process in Concept Structuring[M].Cambridge:MIT Press, 2000.

22 Langacker, R.W.“Subjectification”[J].Cognitive Linguistics, 1 (1990) :5-38.

33 Matsumoto, Y.“Subjective motion and English and Japanese Verbs”[J].Cognitive Linguistics, 7.2 (1996) :183-226.

44 Talmy, L.“Fictive motion in language and‘ception’”[B].In Language and space[A], Ed.P.Bloom, M.Peterson, L.Nadel, and M.Garrett.Cambridge, Mass.:MIT Press, 1996.211-276.

55 Fauconnier, G.&M.Turner.The Way We Think:Conceptual Blending and The Mind’s Hidden Complexities[M].New York:Basic Books, 2002.

虚拟运动表达 篇2

关键词：虚拟装配,模型表达,重构,OpenFlight

0 引 言

虚拟装配环境中的零件信息模型是指在计算机内部对虚拟装配环境中零件描述、存储的数字化表达[1]。虚拟装配系统对模型有两方面的的要求:一是模型包含的信息必须丰富,如属性、几何、拓扑、装配关系、装配约束等信息,这样才能对产品进行零件级和装配级的装配工艺性分析和评价;二是模型要满足实时性的要求,在基于VR技术的虚拟装配系统中,零件模型通常采用三角面片模型描述。简化的面片模型丢失了如上所述虚拟装配所需的信息,因而如何构建同时满足以上两方面要求(信息完整性要求和实时性要求)的零件模型成为虚拟装配的首要任务。

近年来,CAD系统到虚拟装配系统的数据转换问题得到了广泛的研究,具有代表性的工作主要有:北京理工大学刘检华等[1]提出将零件层、装配特征层和几何面层信息,以中性文件的形式导出,面片描述层由零件的面片模型文件产生,映射机制则将零件所有离散化的三角形面片与相应的几何面关联起来。上海交通大学朱文华等[2]提出了信息提取模型转换法,面片信息储存于STL模型中,装配信息储存在TXT文件中。苏州工业职业技术学院李长春等[3],通过VRML格式表达零件几何信息,用.geo文件储存特征参数信息,通过一定的特征匹配算法将两部分关联在一起。山东大学陈成军[4]等提出使用OpenFlight格式来表达零件的层次化模型,装配树信息和装配约束信息保存在文本格式的中间文件中。哈尔滨工业大学刘江省等[5]提出信息分解转换法,将几何三角面片信息储存于NFF中性文档之中,将拓扑信息和装配信息储存在数据库之中。哈尔滨工业大学夏平均等[6],提出了一种基于层次约束结构的虚拟装配模型。中国工程物理研究院吴昌盛等[7],基于框架理论提出一种框架数据模型,三角面片信息储存于虚拟现实NFF文件中,框架定义信息储存于XML文件中。兰州理工大学杨萍等[8],提出了将虚拟环境下的零件信息进行分类转换的方法。

总结以上研究成果,模型的层次化表达与层间映射、装配信息的提取并存入中间文件、装配信息向几何信息的映射等是解决CAD系统和虚拟装配系统之间数据转换的主要途径。但目前仍存在着诸多的问题,如文献[1,3,6]中映射机制和匹配算法的复杂性、文献[2,3,7]中储存装配信息的中性文件的多样性、以及文献[4,5]中面片信息、装配信息保存格式的不一致性等。鉴于以上问题,本文提出基于OpenFlight的装配信息表达方法,利用层次化的OpenFlight格式表达层次化的零件和装配信息,使拓扑关系方便地得到重构, 自动实现面片模型层间映射;将几何信息与装配信息集成到OpenFlight模型节点之中,避免了信息向中间文件的写入,也就避免了装配信息向三角面片模型的映射。

1 基于OpenFlight的装配信息表达方法

1.1 OpenFlight格式及OpenFlight API

OpenFlight格式的模型数据库是专门为完整地描述可视化仿真模型数据库的要求而诞生的。从储存结构上看,OpenFlight格式是一种树状的层次化结构;从整体上看,OpenFlight模型数据库主要包含了模型的几何特征、数据库的层次结构和各种节点属性等三类信息。节点是建构层次化模型数据库最基本的元素或模块,常用的节点类型是根节点、组节点、体节点、面节点和点节点。图1所示为一个典型OpenFlight模型数据库结构。

OpenFlight API[10]是一个包含头文件和链接库的C语言库,它提供了访问OpenFlight数据库和扩展Creator建模系统的接口。OpenFilght API函数库由四种不同功能的函数组构成,读取函数:遍历OpenFlight数据库并查询其中的信息;写入函数:创建和编辑OpenFlight数据库中的节点;扩展函数:创建OpenFlight数据库中新类型节点或节点的新属性;工具函数:创建Creator的件的插件以适应用户特定需求。这种层次化的结构可以方便地重构零件的拓扑信息,基于它的可扩展性又可向节点中添加新属性或建立新节点,用于储存如特征参数信息、装配关系信息、约束信息等信息。本文正是基于OpenFligh这两个特点来实现零件信息重构的。

1.2 零件信息的表达方法

虚拟装配所需的零件信息包含属性信息(零件名称、代号、技术要求、设计者、供应商、材料等)、几何信息(特征参数、面参数、参数方程等)。文献[4]提出使用OpenFlight格式表达零件的层次化模型,将与装配有关的零件信息写入到OpenFlight数据库节点名称中。这种方法的不足之处在于:零件信息的层次性造就了零件信息的多样性,如零件层信息、特征层信息、特征面层信息等等,如果不加区分地把信息全部整合到各节点名称中,这样势必限制了写入信息量的复杂程度和数量,同时,也造成了信息提取时的无目的性。因此本文提出扩展现有节点的属性以储存虚拟装配所需的各类零件信息,这样将不同的信息储存在不同的节点属性之中,使信息的写入和提取更具目的性;基于OpenFlight的可扩展性,我们可以为各节点添加任意复杂的属性,此方法更具适应性。使用扩展的OpenFlight表达零件信息的方法如图2所示。

经扩展的层次化OpenFlight模型数据库可以方便地重构三维CAD 零件模型,其优势在于:第一,利用CAD软件和Creator的导入、导出功能可将零件模型方便的转换为OpenFlight格式,经验证,此方法获得的零件面片模型保持了良好的拓扑关系,省去了众多而繁琐的拓扑关系重构工作;第二,基于OpenFlight固有的层间联系可避免模型层间的映射工作,如基于面节点和体节点的父子关系,可以省去文献[1]中建立零件各组成几何面要素与三角形面片之间的映射工作;第三,储存零件信息的节点属性与面片模型的层次节点具有一一对应的关系,实现了信息和面片模型的统一,如须知某个零件、特征或面的参数只需查询其节点属性;使用中性文件表达模型信息的方法则需通过中间文件向三角面片模型映射的方法才能得到相应信息,如文献[3];第四,扩展后的Openflight格式各节点属性信息可在Creator建模环境中直接查看、编辑,具有良好的交互界面,使零件信息的写入具有更大的灵活性。在面向小批量的模型信息写入时可手工输入;在面向大批量的工作时,可结合CAD二次开发和OpenFlight API开发自动化程序,减轻工作强度提高工作效率;第五,模型表达方案具有良好的灵活性和扩展性,基于用户的特定需求可开发面向特定应用的表达方案,如对图2中模型层次和节点属性的添加与修改。

1.3 装配信息的表达方法

装配信息包含装配结构树、配合零件间的配合信息等。文献[2,4]采用中间文件保存装配信息,在虚拟装配环境中加载该文件,实现装配信息的重构。中间文件表达的装配信息独立于零件信息,且不同的重构技术采取了不同的中间文件格式。鉴于以上问题,本文开发了新类型的OpenFlight节点,新建节点的属性能表达虚拟装配所需的各类装配信息。这样就解决了零件信息和装配信息的储存格式不一致的问题,具有高度的集成性。图3为本文开发的表达装配信息的新类型节点属性结构图。

利用新建节点表达装配模型信息的优势在于:第一,具有与零件模型信息同样的存储格式,两者之间的关联和映射可以通过简单的节点名称来实现,如装配信息中出现名称为a的部件,则在模型库中查找名称为a的零件,即可得到相应的零件信息模型;第二,基于OpenFlight节点间的父子、兄弟关系,利用新建部件节点可在OpenFlight模型数据库中方便地重构装配结构树信息,且在Creator软件Hierarchy视图下具有可视性和可编辑性;第三,对工作量不同的模型重构,用户可选择手工编辑和编程自动输入或两者结合的重构方式;第四,装配模型信息的表达具有良好的可扩展性。

2 基于OpenFlight的模型信息表达的实现

2.1 OpenFlight格式的扩展

运用OpenFlight API扩充节点属性和建立新类型节点的步骤如下[9]:(1)定义识别数据扩展的标识符;(2)编写数据字典;(3)运行ddbuild解析器,将编写好的数据字典解析为定义数据扩展的C语言头文件;(4)建立VC++6.0动态链接库工程,编写C语言代码;(5)编译连接程序;(6)将生成的动态链接库放入插件运行目录下。扩展的关键步骤为数据字典的编写。数据字典是一种记录数据库和应用程序源数据的目录,是对数据中包含的所有元素定义的集合。OpenFlight数据字典中有两种基本的元素类型:字段—代表单个的数值或字符串;记录—字段的集合。OpenFlight API提供了7个关键字用于数据字典的定义,本文用到的主要有dataDef(定义新的字段),recordDef(定义新的记录),struct(联系记录与字段集)和parent、child(定义节点间的连接规则)。

2.2 零件信息和装配信息的提取与写入

如前所述,基于扩展的OpenFlight的信息写入过程具有更大的灵活性,利用如图4所示的Creator属性信息面板,可以直接输入相关的属性信息,对于零件数目较少的装配具有非常高的效率。而对大批量的模型转换与重构,应开发相应的自动化程序,以提高工作效率,减少重复劳动。遍历CAD模型(零件模型和装配模型)及OpenFlight模型是实现信息自动提取和写入的关键问题,本文结合UG＼Open API和OpenFlight API,采用递归调用的方式实现对CAD模型和OpenFlight模型的深度遍历算法,同时进行信息的提取和写入。以下为实现装配信息提取与写入的编程实现方法和核心编程:

3 实例验证

在UG NX 6.0中建立活塞连杆机构的零件模型和装配模型,利用UG的export功能将零件模型转换为VRML格式(.wrl),在3dsmax中导入该文件,输出为.3ds文件,在Creator中导入该文件并保存为Openflight格式即可实现零件模型到三角面片模型的转换。经过多次试验发现,此方法转换的零件保持了良好的拓扑和层次关系。利用UG＼Open API、OpenFlight API在VC++6.0环境下开发模型转换接口,该插件程序实现了零件信息和装配信息的自动提取和写入,如图4为重构后的活塞销特征信息在Creator中的显示。为验证模型转换的有效性,基于Multigen Vega、VC++6.0设计了一个虚拟装配系统,在虚拟装配系统中读取转换后的文件,可以看到具有零件信息和装配体结构、配合信息的模型可在虚拟环境下正常地显示,如图5所示。基于OpenFlight的虚拟装配信息表达方法可根据不同应用开发集成不同信息的模型,因此可广泛应用于虚拟设计、虚拟装配及虚拟维修训练等领域。

4 结 语

本文提出了基于OpenFlight的虚拟装配信息表达技术,该方法利用经扩展的OpenFlight层次化模型数据库存储层次化的零件三角面片模型和装配模型。基于层次化的OpenFlight格式可以使拓扑关系方便地得到重构,自动实现层次之间的映射关系。得益于OpenFlight格式的扩展性,将虚拟装配信息集成到节点属性或建立面向虚拟装配的新节点,实现了零件三角面片模型和工程语义信息的统一,避免了工程语义信息向中间文件的写入,也就解决了工程语义信息向三角面片模型复杂繁琐的映射工作。此方法具有可扩展性和更大的灵活性,用户可以根据独特的信息需求开发面向特定应用的模型转换接口。

参考文献

[1]刘检华,姚珺,宁汝新.CAD系统与虚拟装配系统间的信息集成技术研究[J].计算机集成制造系统,2005,11(1):44-47.

[2]朱文华,范秀敏,马登哲.从CAD系统到集成虚拟装配环境的数据转换研究[J].计算机集成制造系统,2005,11(8):1115-1119.

[3]李长春,胡炜,戴国洪.面向虚拟装配零件模型重构的实现[J].机床与液压,2009,37(9):227-230.

[4]陈成军,周以齐,杨红娟.基于SolidWorks模型的虚拟装配模型转换和表达方法[J].山东大学学报:工学版,2008,38(1):46-48.

[5]刘江省,姚英学,李建广.CAD系统与虚拟装配系统数据转换的研究[J].计算机集成制造系统,2004(10):56-59.

[6]夏平均,陈鹏,姚英学,等.层次约束结构的虚拟装配建模技术[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(7):40-45.

[7]吴昌盛,汪代勇,代英明,等.面向虚拟装配的框架数据模型研究[J].系统仿真学报,2011,23(10):2013-2168.

[8]杨萍,李磊磊.虚拟装配系统中模型数据转换的研究[J].科学技术与工程,2011,11(18):4240-4243.

虚拟运动表达 篇3

关键词：智能水电站,运行信息,虚拟现实,状态检修,表达

0 引言

智能水电站是智能电网建设的重要组成部分, 其重要的特征是设备智能化与信息互动交流智能化。设备智能化意味着对设备实施广泛的在线监测, 实现状态检修[1,2];信息互动智能化要求设备信息表达自然化, 直观化。运行信息的直观表达是实现智能水电站“状态检修”的重要环节。

当前, 水电站配备了大量的专项检测设备和在线状态监测系统, 采集了海量的监测数据[3], 而面对分布在电站内大量的运行信息资源, 运行维护人员缺乏一种直观、高效的运行信息表达工具[4]:一方面源于人们对电站运行信息需求本身的模糊性, 运行信息数量巨大, 难以简单的表达清楚;另一方面, 缺乏有效的表达工具帮助用户准确、清晰地表达运行信息需求。

传统的电站运行信息表达方法侧重于运行状态信息的数字化, 如结合图表和导航图标等显示方式, 或运用可视化技术将数据转化为数字化的可视化形式来实现运行信息显示[4,5,6], 运行信息表达不直观, 运行信息与设备分离, 难以进行异常设备分析和故障定位。为了能够更好地对海量运行状态信息进行分析和评估, 在提高监测手段的同时, 如何运用直观、高效的表达工具展现电站运行信息, 服务于智能电站状态检修, 是当前亟待解决的重要问题。

虚拟现实技术作为一种高级的人机交互接口技术, 允许运行维护人员对大量的抽象数据进行形象化分析[7]。通过虚拟现实技术, 可以发现、了解运行信息的发展趋势。海量的运行信息只有通过虚拟现实技术变成图形或图像, 才能激发人的形象思维[8,9]。这种以多种形式 (可视化模型、多媒体动画、图形图像等) 、多种感官 (视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等方式) 表现出来的图形或图像化信息, 可以辅助运行维护人员从表面上看来是杂乱无章的海量运行信息中找出其中隐藏的规律, 并进一步发现信息中的结构、特征、趋势、异常现象或相互关系等, 形成设备诊断分析知识。

1 运行信息虚拟现实表达方法

1.1 水电站运行信息

运行信息直接反映了电站设备的健康状态, 是开展设备故障诊断分析的依据[10]。直观、准确的表达设备运行信息是及时发现设备问题、开展故障诊断的基础。水电站设备的运行信息涉及很多方面, 大体包括:设备运行状态数据 (如轴承瓦温) 、相关工况数据 (如有功功率、水头等) 、各设备状态量阈值以及运行维护人员巡检获取的数据与信息等。

水电站运行信息主要包括设备运行状态信息和专家感知设备信息。设备运行状态信息主要来自于水电站内的设备在线监测系统与监控系统, 包括实时状态信息和历史状态信息, 由于信息多来自于传感器传感与共享信息通信, 属于精确化信息;而专家感知信息则来自于设备巡检过程中现地运行和维护专家的人体感知 (如视觉、听觉、触觉和嗅觉等) 设备信息。感知信息通过人体感知与自身积累经验知识相比较、匹配后得出, 属于不精确信息, 专家感知水电站设备信息如表1所示。

1.2 虚拟现实表达方法

传统的水电站运行信息表达方式多采用数值或模拟表计的形式来表现数据[5], 这些表达方式如没有相应的正常参考值存在, 还需要进行二次技术分析, 运行维护人员无法知道表达运行信息的确切含义。同时, 传统表达方式主要利用人的视觉感知信息过程来表达运行信息, 而没有能够充分展现水电站运行维护人员综合多种信息获取和感知方法 (如视觉、听觉、触觉) 来展现数值信息本身, 另外, 也无法将运行信息直接定位到相应的设备上, 表达方式处于一种简单、初级的层次。

在水电站设备3D可视化基础上, 面向智能水电站的运行信息虚拟现实表达方法如下:

(1) 数字化描述。运用3D可视化建模技术、计算机技术, 对水电站设备的运行信息进行数字化[10], 实现运行信息的数字化描述。

(2) 可视化展现。利用模拟感知可视化映射技术, 结合多媒体动画等方式, 将数字化的运行信息转换为可视化的图形或图像。

(3) 虚拟现实表达。在信息可视化基础上。对虚拟现实场景进行渲染, 将运行信息在虚拟现实环境中展现在用户面前, 水电站运行信息虚拟现实化方法如图1所示。

另外, 电站用户可以通过修改映射算法、可视化模型和环境渲染来对运行信息虚拟现实表达进行交互。

2 虚拟现实表达方法关键技术

与传统运行信息抽象显示表达不同的是, 水电站运行信息虚拟现实表达是将数量庞大的运行信息数据转换为运行维护人员 (专家) 易于理解的图形化数据, 符合现场人员使用的习惯;在虚拟现实环境下, 将运行数据显示与3D可视化模型、图像、音频显示和多种人体感知方式 (如视觉、听觉和触觉等) 相结合来帮助运行维护人员缩短运行信息数据分析, 辅助用户开展设备故障诊断。

从信息感知的复杂度而言, 水电站运行信息表达可以分为感知信息表达和综合感知信息表达。

2.1 感知信息表达

专家综合运用多种感知器官, 如视觉、听觉和触觉等, 感知运行数据并经过感知信息处理后, 将感知到的信息予以综合考虑, 在设备3D可视化模型基础上, 通过3D模型展示平台和多媒体动画工具完成虚拟现实感知环境的构建, 实现不同感知的虚拟现实表达。

由于人体感知具有相对不精确性, 在虚拟现实环境下, 对专家感知信息运用数据映射机制来展现, 以人体触觉感知水电站设备温度信息为例具体说明专家感知信息的虚拟现实化表达。

电站设备一般是在额定温度以下运行, 如果设备出现异常, 温度就会出现异常。一般通过设备传导出的热量来感知设备温度信息。随着温度高低传导出的热量大小不一样, 传递给人的感觉也是不一样的。设备温度f (t) 与人体感知热量f (tp) 之间有如下映射关系

而人体感知热量具有模糊性, 专家感知温度映射方案[11]可表示为

温度感知可分为很高 (Thest) 、高 (Th) 、适中 (Tn) 、较低 (Tc) 和低 (Tcest) 等分段区间 (分段区间数值大小与设备阈值相关, 如葛洲坝电站上导轴承瓦温由高到低区间划分为 (70℃, +) , (60℃, 70℃) , (35℃, 60℃) , (-, 35℃) ) , 分别对应显示为红色、橙黄色、绿色、青色和蓝色, 用分段函数f (tp) 来表达

温度感知可表达为如图2所示。

与触觉感知设备温度信息表达类似, 人体通过听觉、视觉等感知器官感知电站设备信息的表达原理基本相同, 在此就不一一赘述。

2.2 综合感知信息表达

水电站是一个由水力、机械、电气、控制和辅助设备构成的强耦合复杂大系统, 其运行信息受多种因素共同影响。模拟水电站运行维护人员运用多种感知器官进行综合感知分析, 利用信息可视化映射技术, 对水电站设备运行信息进行直观、形象的表达。

设水电站设备感知信息定义为函数P (x) , 感知信息来自于视觉V (v) 、听觉F (s) 、触觉G (t) 信息等感知空间, 则可将感知信息P (x) 表征为不同感知空间G (t) 、F (s) 和V (v) 等感知来源的映射组合 (如图3所示) , 有

信息可视化映射, 即是将触觉G (t) 、听觉F (s) 等不同感知获取的信息转化、映射为视觉信息V (v) 。

以图形和图像等形式直观、形象地表达出来, 帮助用户理解、掌握水电站设备信息。

振动摆度为体现水电站机组旋转平衡性能的重要运行信息, 而设备振动一般伴随有位移F (D) 和声音F (S) 出现。设备振动信息可以通过综合触觉和听觉感知进行虚拟现实表达。设备振动越大, 出现的位移越大, 伴随的声音也越大。设振动摆度为函数F (V) , 则F (V) 可以数字表征为

其中:为权重系数 (具体大小与设备特性相关) ;位移F (D) 可以用位移大小D、位移方向O和频率F等要素进行表征, 位移方向O与设备固有属性相关, 如机组振动可分为X向和Y向振动, 而振动位移大小D、频率F与设备状态密切相关;而声音F (S) 可以用响度 (L) 和音色 (T) 进行表征, 响度L由设备产生声音的振幅A和人离发声设备的距离D决定:振幅A越大, D越小, 响度越大, 声音传播的半径越大;而音色T与设备特性相关, 不同设备不同状态, 音色均不相同。

在工业现场, 一般将振动位移F (D) 映射为位移大小和方向, 将振动声音F (S) 映射为声音响度大小及方向, 进而对位移F (D) 与声音F (S) 进行可视化映射, 映射如表2所示。

如图4所示, 在虚拟现实环境下, 通过Solidworks建模工具完成设备3D可视化模型[9], 以Spinfire和Flash CS3构建虚拟环境, 将上机架振动位移 (可以分为垂直振动和径向振动) 和伴随声音响度以多媒体动画和设备3D可视化模型的形式在虚拟现实环境中展现。

3 应用实例

在葛洲坝电站HOMIS[12]数据集成平台下, 对面向维护的水电站运行信息虚拟现实表达方法进行了研究和实现, 并应用于水电站运行信息表达和状态分析。

对于水轮发电机定子而言, 定子温度是发电机发热特性重要运行信息指标。对定子温度进行虚拟现实表达, 可以直观、形象地帮助运行维护人员掌握定子运行状态和评估设备状况。通常运用颜色映射方法表展现温度, 在虚拟环境下模拟人感知设备温度、利用辅助温度测量设备查看温度数值的过程。

颜色是人的直观感觉, 颜色运用是虚拟现实表达的重要内容, 将不同状态数值映射为不同颜色的色彩映射方案[13], 表达出人体感知设备的温度感觉。一般用红绿蓝 (RGB) 分量表示颜色, 则颜色映射方案可以表示为函数向量

其中:v为映射数值, 通常取实际数据归一化到[0, 1]区间的结果;分别为与v对应的颜色分量, 如某一颜色映射值[0.2, 0.3, 0.5]表示红绿蓝三种颜色在颜色表达中混合的比例分别为20%、30%、50%。结合《葛洲坝水轮发电机组运行规程》 (Q/GFD.YXGC-005-2009) , 规定机组定子运行温度不超过110℃ (机组开机工况下) , 考虑现地运行维护人员工作实际, 定子温度Ts可以划分区间为

最终, 机组定子温度映射方案如图5所示。

结合HOMIS机组定子3D可视化模型, 如图6所示为葛洲坝电站某机组发电机定子温度分布的虚拟现实表达。在HOMIS电站运行信息监测平台下, 通过定子温度映射表达和定子温度状态实时监测, 运行维护人员综合运用视觉感知获取系统中的运行信息数据和触觉感知设备温度, 实现了直观、形象地获取定子当前运行温度和阈值信息。

如图7所示为发电机定子温度状态分析示意图, 在定子温度虚拟现实表达基础上, 结合定子3D可视化模型及其内部结构, 借助定子测点的颜色表达来来分析定子温度状态值是否越限, 并对越限数据及测点状态予以报警提醒, 便于运行人员进行设备检查、状态分析和开展设备维护。由图中定子温度测点 (测点11、12、22、24、26及36) 状态远超定子温度110℃运行阈值, 温度状态以红色进行报警显示, 提醒运行人员注意。后经运行人员分析后查明是由于传感器损坏, 导致温度值状态异常。及时更换传感器后, 定子温度状态恢复正常。

值得一提的是, 利用虚拟现实手段来模拟表达人感知水电站设备运行状态信息, 由于人体感知无法获得设备精确化信息, 如异常声音的高低、振动的强弱等量化的数据, 对水电站设备运行信息的表达和分析多为定性化展现, 因此如对水电站设备运行信息的深入分析和深入评估还需要进一步完善设备表达方式, 同时积累多方面的设备诊断和检修维护知识。

4 结论