一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台。快速、准确地煤场库存量盘点对于电厂进行成本核算和科学管理具有重要意义。本发明基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台的特点是：3D煤场实现流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进销煤数据，生成符合煤场实际的三维网格数据，利用Unity3D三维渲染技术生成煤场三维立体图，再根据电厂DCS系统实时存取煤数据进行修正，以提高所绘的网格图与实际煤场形状的拟合精度，同时给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网格图形状，并利用web技术实现网络在线3D煤场实时更新。本发明具有实时快速、经济成本低、盘煤精度高、界面直观明了的优势。
【专利说明】-种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字化煤场【技术领域】，尤其是涉及一种基于Unity3D的圆形煤场三维 智能可视化展示平台。
【背景技术】
[0002] 煤耗是火力发电厂的一项重要生产指标，燃料成本约占发电成本的70%?80%。 为了准确核算发电成本，发电厂一股在月末对煤场库存量进行盘点。尤其在电厂用煤紧张 的情况下，须根据电厂的计划负荷准确预测现有煤场存煤量的可用时间。因此，快速、准确 地煤场库存量盘点对于电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理具有重要意义。
[0003]目前火力发电厂普遍使用激光盘煤仪在月末对整个煤场进行扫描，得到三维坐标 信息，但是拟合生成的三维存煤状态图不形象，并且对点云数据的处理不够科学，导致得到 的图形准确度不高，在实际使用中意义不大。而且由于电厂在每天的配煤决策中，需要根据 现场的存煤图设计当日的配煤方案，所以有必要获取每日的存煤立体图。如果单纯使用激 光盘煤仪，会花费很多时间和物力。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结合三维点云数 据插值和计算机视觉修正方法的设计方案，这种方法首先对三维点云数据进行插值，根据 插值运算结果进行三维网格点绘图，再根据电厂DCS系统的数据进行修正，以提高所绘的 网格图与实际煤场形状的拟合精度，同时它可以立即给出煤场存煤量的体积结果，动态修 改网格图形状的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台。
[0005] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于Unity3D的圆形煤场三维智能 可视化展示平台的特点在于：3D煤场实现流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进 销煤数据，生成符合煤场实际的三维网格数据，利用Unity3D三维渲染技术生成煤场三维 立体图，再根据电厂DCS系统实时存取煤数据进行修正，以提高所绘的网格图与实际煤场 形状的拟合精度，同时给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网格图形状，并利用web技术 实现网络在线3D煤场实时更新。
[0006] 作为优选，本发明对于电厂已有的激光盘煤仪系统，须分析其工作原理，将盘煤仪 所得数据转换为常规三维坐标系；这是因为煤堆表面不规则，即使扫描步距一定，最后得到 的仍是无规则的随机分布的三维散乱数据点集。
[0007] 作为优选，本发明3D煤场可视化就是对无规则的随机分布的点云数据进行径向 基函数法插值运算，形成曲线或曲面，并用图形表示出来。
[0008] 作为优选，本发明采用Delaunay三角剖分算法对采样数据进行网格化处理， Delaunay算法能将采样数据进行合理地剖分，并连接成三角形网格，该算法能使剖分得到 的所有三角形的最小内角之和最大，使任一三角形外接圆中均不包含点集中的其他点，各 三角形尽可能接近于等边三角形，避免了狭长三角形的存在，从而得到三维网格；网格化是 将点云的空间三维坐标点集按照相应的算法拟合成互不交叉的三角形网；采样数据网格化 后，生成网格化的三维立体图，为下一步生成煤堆三维立体图做准备。
[0009] 作为优选，本发明煤场三维立体虚拟展示平台采用了 Flash和Unity 3D的综合技 术基于B/S架构跨操作系统平台设计，展示平台系统分为元数据模型、数据库、Unity3D服 务、应用层和表现层5层结构；数据库通过文件集合来对系统关键数据进行存储，在平台中 分为场景数据库和业务数据库；场景数据库的元数据包括建模、材质和动作，业务数据库的 元数据包括坐标和煤场参数信息；Unity 3D服务主要指系统的运行逻辑，包括模型的放大 缩小、旋转平移、视角转换和动作触发；应用层主要指系统的业务逻辑，在Unity3D服务提 供接口的基础上，进行场景展示等业务数据操作，为表现层提供实时展示信息，在应用层通 过对三维图形的剖分以及拟合，从而得到圆形煤场展开之后二维存煤轮廓图；表现层包括 用户界面和特效处理，特效处理包括动画效果和模型特效。
[0010] 作为优选，本发明B/S结构主要利用了成熟的浏览器技术，结合浏览器的多种 Script语言和ActiveX技术，用通用浏览器实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大 功能，节约了开发成本;Web可视化使在浏览器中实现在线实时查看煤场三维立体图，并提 供友好的可视化交互界面，辅助煤计划生产，设计的技术主要包括网络实施架构，服务器后 端数据处理技术，以及客户端交互技术。
[0011] 作为优选，本发明为尽可能提高圆形煤场三维可视化精度，需要充分利用电厂当 前可以采集的煤场存取煤数据，煤场存取煤数据包括盘煤仪数据、日存取煤量数据、人工丈 量数据、皮带秤数据和视频数据。
[0012] 作为优选，本发明点云数据指的是在二维平面上或三维空间中，无规则的随机分 布的数据，其可视化就是对点云数据进行插值或拟合，形成曲线或曲面，并用图形和图像表 示出来的技术；由激光测距仪和地图星得来的显然是点云数据，这些数据不能用于图像复 现和图形拟合，所以要进行插值运算；主要的插值算法包括与距离成反比的加权算法、径向 基函数插值法和有限元法，对数据的插值来说，径向基函数法插值效果最好，径向基函数法 插值运算的具体算法如下：
[0013] 设在二维平面上有n个点（x^yj，i = 1，2，--?]!)，并有Zi = f (x^y);插值问题 就是要构造一个连续的函数F(x，y)，使其在（xk，yk)，（k = 1，2，…n)点的函数值为Zk即 Zk = F(xk, yk) (k = 1,2,…n);
[0014] 径向基函数是由单个变量的函数构成的，一个点（x，y)的这种基函数形式往往是 h k(x, y) = h(dk)，这里的dk表示由点（x, y)至第k个数据点的距离；
【权利要求】
1. 一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征在于：3D煤场实现 流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进销煤数据，生成符合煤场实际的三维网格数 据，利用Unity3D三维渲染技术生成煤场三维立体图，再根据电厂DCS系统实时存取煤数据 进行修正，以提高所绘的网格图与实际煤场形状的拟合精度，同时给出煤场存煤量的体积 结果，动态修改网格图形状，并利用web技术实现网络在线3D煤场实时更新。
2. 根据权利要求1所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征 在于：对于电厂已有的激光盘煤仪系统，须分析其工作原理，将盘煤仪所得数据转换为常规 三维坐标系；这是因为煤堆表面不规则，即使扫描步距一定，最后得到的仍是无规则的随机 分布的三维散乱数据点集。
3. 根据权利要求2所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征 在于：3D煤场可视化就是对无规则的随机分布的点云数据进行径向基函数法插值运算，形 成曲线或曲面，并用图形表示出来。
4. 根据权利要求1或2或3所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平 台，其特征在于：采用Delaunay三角剖分算法对采样数据进行网格化处理，Delaunay算法 能将采样数据进行合理地剖分，并连接成三角形网格，该算法能使剖分得到的所有三角形 的最小内角之和最大，使任一三角形外接圆中均不包含点集中的其他点，各三角形尽可能 接近于等边三角形，避免了狭长三角形的存在，从而得到三维网格；网格化是将点云的空间 三维坐标点集按照相应的算法拟合成互不交叉的三角形网；采样数据网格化后，生成网格 化的三维立体图，为下一步生成煤堆三维立体图做准备。
5. 根据权利要求1或2或3所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平 台，其特征在于：煤场三维立体虚拟展示平台采用了 Flash和Unity 3D的综合技术基于B/ S架构跨操作系统平台设计，展示平台系统分为元数据模型、数据库、Unity3D服务、应用层 和表现层5层结构；数据库通过文件集合来对系统关键数据进行存储，在平台中分为场景 数据库和业务数据库；场景数据库的元数据包括建模、材质和动作，业务数据库的元数据包 括坐标和煤场参数信息；Unity 3D服务主要指系统的运行逻辑，包括模型的放大缩小、旋 转平移、视角转换和动作触发；应用层主要指系统的业务逻辑，在Unity3D服务提供接口的 基础上，进行场景展示等业务数据操作，为表现层提供实时展示信息，在应用层通过对三维 图形的剖分以及拟合，从而得到圆形煤场展开之后二维存煤轮廓图；表现层包括用户界面 和特效处理，特效处理包括动画效果和模型特效。
6. 根据权利要求5所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征 在于：B/S结构主要利用了成熟的浏览器技术，结合浏览器的多种Script语言和ActiveX 技术，用通用浏览器实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，节约了开发成本； Web可视化使在浏览器中实现在线实时查看煤场三维立体图，并提供友好的可视化交互界 面，辅助煤计划生产，设计的技术主要包括网络实施架构，服务器后端数据处理技术，以及 客户端交互技术。
7. 根据权利要求1或2或3所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平 台，其特征在于：为尽可能提高圆形煤场三维可视化精度，需要充分利用电厂当前可以采集 的煤场存取煤数据，煤场存取煤数据包括盘煤仪数据、日存取煤量数据、人工丈量数据、皮 带秤数据和视频数据。
8. 根据权利要求3所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征 在于：点云数据指的是在二维平面上或三维空间中，无规则的随机分布的数据，其可视化就 是对点云数据进行插值或拟合，形成曲线或曲面，并用图形和图像表示出来的技术；由激光 测距仪和地图星得来的显然是点云数据，这些数据不能用于图像复现和图形拟合，所以要 进行插值运算；径向基函数法插值运算的具体算法如下： 设在二维平面上有η个点（Xi, y)，（i = 1，2，···]!)，并有Zi = f (Xi, y);插值问题就 是要构造一个连续的函数F(X，y)，使其在（xk，yk)，（k = 1，2，…η)点的函数值为Zk即Zk =F(xk, yk) (k = 1,2, *··η)； 径向基函数是由单个变量的函数构成的，一个点（x，y)的这种基函数形式往往是hk(x， y) =h(dk)，这里的dk表示由点（x，y)至第k个数据点的距离；
式中，qk (X，y)是一个多项式基，其阶次小于m，系数ak，bk应满足下面的联立方程组：
上式中的前面η个方程式满足了插值要求，而后面m个方程式则保证了多项式精度，两 式中共有m+n个方程式，联立求解，即可得出待定系数。
9. 根据权利要求1或2或3所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平 台，其特征在于：三维渲染的具体步骤如下： 输入：平面上η个点的坐标（Xi, y) , (i = 1,2, ···]!),该点集记为S ; 输出：η 个点的三角剖分链表 T = (P1, P2, Pi) - (P2, Pi, Pj)―…（Pn_2, Plri, Pn); 边扩展算法是整个算法的核心，将其设计成一个独立的子程序，参数Pi、P2、P3为带扩展 三角形的三个顶点，为带扩展边； 步骤1 :查看P1点的边表￡?，若其有巧e 且使用次数ncount大于等于2,则返回； 步骤2 :循环点链表PointList，找满足条件的点P4，依次从PointList中取结点P : 1) 判断P点是否为边的端点，若是，则转步骤2,否则继续； 2) 判断P点与P3点是否分别位于边两侧，若不是，则转步骤2,否则继续； 3) 查看P点的边表EP，看边表中是否有PpP2A，即是否有P1 e ~或己e LP，若有， 且其中之一的边使用次数ncount为2,则转步骤2,否则继续； 4) 计算点P与点P1J2所成的角度值Z P1PP2，若有cos ( Z P1PP2) < cos ( Z P，P2)， 其中P'为上一次找到的点，则更新此值，且记录P点的索引号； 5) 转到步骤2。 步骤3 :若记录到点P的索引号，则继续，否则返回； 步骤4 :P点为找到的点P4，将以Pi、P2、P4为顶点的三角形Λ i加入到三角形链表T中， 三角形计数TriCount累加 I ; 步骤5 :分别更新Pp P2、P4的边表以P1点的边表4_更新为例： 1) 遍历P1点的边表若有e &或4 eiA,则将其相应的边使用次数ncount加1， 否则将P2点或P4点加入到P 1的边表1?.中，且将边使用次数ncount初始化为1 ; 2) 遍历P1点的边表I、,若所有结点的边使用次数ncount都为2,则将P1点从点链 PointList 中剔除； 3) 用同样的方法更新P2点和P4点； 在煤场存煤量测量系统中，要求只测量煤堆表面轮廓的少数特征点，然后应用这些点 云的三维数据点拟合出煤堆的表面轮廓，并在计算机上显示出来，这就要求知道这些点的 空间拓扑关系，用空间连续拼接的三角形面片表征实际的曲面，然后在每一个三角形面片 上插值，以获得精确的描述；所以，应用此方法可以很好地拟合出煤场表面的形状，并求出 整个煤场的存煤量。
10.根据权利要求6所述的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台，其特征 在于：用户与浏览器交互时，用户的基本操作主要有： ① 放大：放大图形的局部，以利于观察煤堆的细节； ② 缩小：缩小图形，以利于把握煤堆整体； ③ 旋转：以煤场中心为原点，绕Y轴和Z轴旋转，以利于从各个方向、各个角度观察煤 场； ④ 平移：沿屏幕X方向或Y方向平行移动图像，以利于选取观察目标； ⑤ 归中：将图像回归于初始位置，即位于屏幕的中央，方便用户使用； ⑥ 消隐：提供了两种网格，立体网格和消隐后的网格，消隐后的网格更有立体感，利于 观察； ⑦ 全场绘制：读入中间输入文件后，从菜单或工具栏选此功能后，开始动态地绘制煤堆 图形； ⑧ 体积计算：绘制完毕后，以对话框的形式在屏幕客户区的下方提供煤场的存煤量； ⑨ 局部点修改：为了更好地反映煤场图像的细节，提供了局部点修改的功能，使得用户 能根据现场的实际情况，灵活地修改图形。
【文档编号】G06Q50/06GK104392387SQ201410531253
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】郝功涛, 王群英, 姜佳旭, 岳益锋, 张琨, 苏攀, 邓庆德 申请人:华电电力科学研究院