三维可视化功能

§3．4　三维可视化功能

3．4．1　建模工具

3．4．1．1　功能分析

可视化系统的任务就是要在计算机上用图形的形式模拟出井下巷道中风流的流动情况。而通风系统图与通风网络图是进行通风分析的两种工程图形，为此可视化工作应能绘制和编辑这两种图形。

从日常通风管理与计算机绘图角度分析可知，系统应具备以下功能：

（1）画巷道。包括绘制巷道、自动生成节点、设置巷道属性。自动生成节点是指用户在绘制一条巷道时，程序应能使用当前巷道的始末点坐标和已有节点作比较，查看在当前巷道始末点位置是否已有节点存在，如果有则将已有节点作为当前巷道的始节点或末节点；如果没有则向系统中自动添加节点，从而让节点的生成表现为自动完成。设置巷道属性是指通过图形将每条巷道的风阻、巷道类型（一般巷道、风机巷道、固定风量巷道）、固定风量巷的初始风量、巷道编号、巷道名称等输入系统中。通过灵活设置巷道的属性还可以完成另外一些功能，如实际工作中报废老巷或封闭巷道，可以将巷道风阻设为无穷大来完成。

（2）加节点。大部分节点是在绘制巷道时自动生成的，如果要在已有巷道中开掘新巷则需要先在已有巷道中添加一个节点，再绘制新的巷道，已有巷道也因为节点的加入变成两条巷道。

（3）安设通风构筑物及风机。通风构筑物应隶属于巷道，并可能影响巷道的属性，甚至可能改变其风流大小。特别是风门和风窗，改变其面积即调节风门或调节风窗，则可改变风阻，从而改变其所在巷道的风流情况。在煤矿中风机必须安装在和大气连接的巷道中，安设了风机的巷道，其巷道类型变为风机巷道。查看图中的风机图层时，应能查询到风机的特性参数，比如风机的效率、功率、工况点风量风压等。

（4）图形编辑功能。在绘图过程中不可避免地要使用到图形的移动、复制、删除、保存等功能。

（5）通风计算及结果显示功能。通风管理需要系统具备计算风量、灵敏度计算、风量异常值分析等功能。这些功能的核心是风网解算。其中风量异常值分析还涉及到与安全监控系统联机的问题。计算结果比如巷道风量也是巷道的属性，所以结果显示也就是要求系统具备显示指定属性的功能，这包括属性的表格显示与随巷道图显示的要求。

（6）图形转换功能。为操作方便，系统提供的可直接绘制的图形只有单线条通风系统图。但双线条通风系统图和网络图都可由单线条通风系统图自动生成，因此系统应具备这两个自动转换的功能。

3．4．1．2　绘制用例图

经过上节分析，采用UML语言可快速建立本系统在通风管理及可视化方面的用例模型，如图3－4所示。

图3－4　系统用例模型

3．4．1．3　矢量图形系统建模

目前计算机绘制和存储图形主要有两种形式：①图像文件。即以像素点为单位保存图像信息的文件。图像信息可以由扫描仪、摄像机等输入设备将现成的图像数字化后得到，也可以采用图像处理软件绘制。图像的特点是生动、逼真，但对图像的操作是以点为单位，因此不易抽取出有用的特征信息，修改困难，存储数据量大。②图形文件。即以基本图形元素，如点、直线、连续直线、矩形、圆、圆弧、方块等为单位保存图形信息的文件，这类图形也称为矢量图形。在显示或输出图形时由计算机软件根据这些特征信息自动生成图像信息。由于矢量图形文件需要存储的信息较少且易于修改，因此一般工程图纸都采用这种文件形式。

通过上述分析，本系统主要采用矢量图形。

矿井通风可视化能直观地显示矿井巷道的三维立体示意图，并能动态显示矿井当前的通风状况和通风设施分布情况：从图上直接浏览巷道的基础和通风数据，并能进行主扇、通风设施、巷道相关参数的修改；具有三维旋转、缩放、平移等图形显示功能和图形输出功能；自动或半自动地生成通风系统图和通风网络图；进行风网络解算仿真，并可方便地调节风量；模拟灾难时矿井的通风情况；主扇停用；模拟主扇反风时矿井的通风状态；各种报表输出功能。

3．4．2　井巷可视化

巷道三维模型是通过巷道中心线坐标数据以及巷道断面的模型数据，在Visual C++编程平台下，根据三角网规则计算出所有巷道断面上能够描述其真实模型的其他点的三维坐标，依次连接这些点构成一个个三角网从而建立起巷道模型。这时建立起来的模型是一个个三角网构成的悬空模型，根本体现不了真实的情境，需要利用三维实时数字通风系统来对这个模型进行可视化。

进行矿井通风系统可视化时，巷道的可视化是核心。系统构建的巷道结构图在三维空间中以直线方式将巷道图像显示出来。系统先自动调取静态数据库中井巷各始末节点及所有拐点的地图坐标绘制输出矿井采掘平面图，然后将一系列的数字信息转换成动画形式的图形后进行输出。在三维可视化图形上用标注的数据、流动的风向箭头和设置属性的方法来表示矿井各巷道通风的实时情况。巷道最常用到的信息有风量、风阻、长度、断面积等，井巷可视化图上所设置的属性如表3－3所示。

表3－3　巷道可视化属性表

3．4．3　通风构筑物可视化

通风构筑物作为矿井通风系统的重要组成部分，主要进行井下风流控制与合理的分风配风。井下布置的风门、风窗、防爆门、密闭墙等均属于通风构筑物，其常用信息包括压差、等效风阻等。通风构筑物可视化属性结构如表3－4所示。

表3－4　通风构筑物可视化属性结构表

3．4．4　通风参数可视化

由于影响矿井通风系统的因素较多，各因素的影响结果叠加在一起，不利于发现各因素对整个系统的影响程度。因此，采用单因素分析法，利用通风参数可视化的功能分析参数，避免各因素之间的交互效应的出现，从而简化问题，得到可靠的结论。在通风系统中选择一些特征分支，改变风阻值，通过网络解算，得到解算结果，通过分析、比较得出相应的结论。通过对这些基本参量的分析，得出它们对整个系统的影响大小，从而确定它们在通风系统中的权重，以便优化和改善矿井通风网络。同时也通过改变迭代初始分量、迭代次数、迭代精度和网络的复杂程度来研究算法的收敛性与收敛速度。通风参数直接反映出井下通风系统的运行状态，是判别矿井是否正常运行最基础的数据。通风参数可视化属性结构如表3－5所示。

3．4．5　通风机可视化

风机可视化模拟是矿井通风系统模拟的基础之一，通过对通风机运行特性分析，找到风机模拟运行基本参数，通过对风机静态参数、动态参数模拟，完成虚拟通风机的建立和虚拟风机的可视化动态旋转及仿真控制操作，为矿井通风系统提供模拟通风动力参数和可视化风机模型。

矿井通风机可视化模拟的功能为：

（1）虚拟通风机的建立。在矿井通风仿真系统中，所研究的通风机是基于通风机在矿井中的应用而建立的，不涉及风机的机械构造和具体的组成元件。所以虚拟风机的建立需具有以下应用功能：①给矿井通风仿真系统提供通风动力参数——模拟风压特性曲线；②提供矿井通风机的功率、效率特性曲线；③为通风系统模拟提供所需的通风机参数，包括矿井通风风机名称、型号、转速、当前叶片角度等静态参数；④为通风系统模拟提供所需的工况点风量、工况点风压、工况点功率、工况点效率等；⑤对虚拟通风机进行仿真控制。

表3－5　通风参数可视化属性结构表

（2）虚拟通风机的仿真控制。仿真控制主要是对通风机的控制操作，包括开机、停机、反转和调整叶片角度，通过对这些操作的控制来给矿井供风即给通风仿真系统提供动力和参数，同时为了更形象，对风机动画也做了相应的控制，当点击开机按钮时，风机动画开始旋转，当点击停机或反转时，风机动画立即停止或反转。调整叶片角度后，风机的风压、功率、效率特性曲线换成新角度上的曲线。风机的属性显示屏是反映风机在当前状态下属性数据的动态显示。显示的属性有风机名称、型号、当前叶片角度、运行状态（开、停、反转）、转速、工况风量、工况风压、电机功率和风机效率等。

3．4．6　风机可视化程序设计

3．4．6．1　可视化界面设计

使用对话框完成用户与计算机的信息交流。

（1）设置对话框数据环境。它包含与对话框相互作用的数据库的表或视图，以及对话框所要求的表之间的关系。可以通过打开“显示”菜单中的“数据环境”菜单项，在对话框定义中包含所需要的表格。这一动作将打开一个以“数据环境设计器”为标题的窗口，可以在“数据环境设计器”中直观地设置数据环境，并与对话框一起保存。在对话框运行时数据环境可自动打开、关闭表和视图。

（2）设置对话框数据环境的属性。数据环境是一个对象，它也具有属性、方法和事件。当“数据环境设计器”处于活动状态时，在“属性”窗口中会显示与数据环境相关的对象及属性。

（3）对话框中控件的设置。完成数据环境的定义后，便可向对话框中加入控件，为了在对话框中设计所需的功能，需要在对话框中添加合适的控件，设置控件属性并为之编写代码。

3．4．6．2　模拟风机与实体风机的关系

实体关联图可用于描述风机实体与模拟风机数据库中数据之间的关系，在实体关联图中，有实体、联系和属性三个基体成分，其中属性是指实体一般具有的若干特性。一般属性的获得有三种途径：①数据库；②人工输入；③由测试系统获得。由测试系统获得风机属性主要有风机输入功率、风机负压、风机风量、风机转速等动态参数。

通风机作为井下供风设备，数字通风系统根据其在矿井中的实际应用位置，以虚拟风机的形式实现其在图形上的可视化。表3－6为通风机可视化属性结构表。

表3－6　通风机可视化属性结构表