钢铁生产过程仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种钢铁生产仿真系统集成了多种功能操作平台，采用模块化方法来组织，包括场景漫游模块、人机交互模块、生产计划输入模块、生产计划执行模块、仿真系统评价模块，构成整个系统的框架。本发明专利技术将虚拟环境技术引入钢铁生产的全过程中，建立了钢铁产线物理模型，使其在设计期间便能直观地了解到设备结构和投产后实际运行的性能和生产效率，对方案进行评价。通过仿真过程的三维图形的实时动态显示可启发设计者的思维，探索设计方案存在的问题，及时提出解决办法，从而避免设计失误，提高设计质量，缩短设计和制造周期，能有效节约设计规划成本。本发明专利技术解决了现有仿真系统画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂的诸多问题。

Simulation system of iron and steel production process

The invention discloses a steel production simulation system integrates various functions operating platform, modular approach to the organization, including the scene roaming module, human-computer interaction module, input module, production plan, production plan system simulation module, evaluation module, constitute the framework of the whole system. The invention introduces the virtual environment technology into the whole process of steel production, and establishes the physical model of the steel production line, so that it can intuitively understand the equipment structure and the actual operation performance and production efficiency after the design period, and evaluates the plan. Through the real-time dynamic 3D graphics simulation process inspired designers can show the thinking, explore the design problems and timely solutions, thus avoiding design errors, improve design quality, shorten the cycle of design and manufacture, can effectively save the design cost. The present invention solves the problems of poor quality, slow response speed, lack of human-computer interaction and complex system construction in the existing simulation system.

【技术实现步骤摘要】
钢铁生产过程仿真系统
本专利技术涉及一种仿真系统，特别是涉及一种可视化仿真系统，应用于数字化钢铁厂生产过程辅助控制系统

技术介绍
由于我国钢铁产能过剩，企业通过扩大经济规模而获得成本优势的途径不再可行；而钢铁行业可大幅度提高生产率、降低消耗的新技术更加难以获得。在这种情况下，取得成本优势需要钢铁企业在较稳定的市场规模下通过对生产过程的精益化管控，控制并降低生产、销售、物流各环节的成本来实现。随着仿真技术的发展和制造业的新需求，仿真技术已经进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面。特别在供应链管理方面，物流仿真正在成为企业提高精益生产管理水平普遍采用的技术。然而，市场上主流的仿真展示系统普遍存在着画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂等诸多问题。近年来，虚拟现实环境技术逐渐成为计算机图形学领域的热点研究问题，它具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特征。其在虚拟场景展示、虚拟制造中得到广泛应用，人们在日常生活中已经可以通过虚拟现实场景体验到逼真的三维视觉效果，由此对工业仿真系统的逼真性、流畅性、交互性提出了更高的要求。为了解决这一系列问题，本专利技术采用一种基于3D游戏引擎的解决方案，旨在建造一个交互性强、更为流畅、逼真的钢铁生产仿真系统。Unreal引擎是世界上流行时间最久，用于开发第三方游戏最多的引擎之一。UE4(UnrealEngine4)是EpicGames公司发布的一款基于C++的新一代开源免费的开发工具，是一套为DirectX10/11PC、XboxOne、Android等平台准备的完整游戏开发框架。具有渲染效率高、物理属性逼真、与多种三维图形软件无缝相接等优势，最初主要用于游戏开发领域，其强大的物理引擎与粒子系统，能够很好地仿真现实世界中的物理现象，使其不仅仅局限于游戏开发领域，在工业系统仿真、建筑可视化等领域也有应该很好的应用价值，但还未见到有关将其应用于钢铁生产过程管理的相关报道。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种钢铁生产过程仿真系统，利用虚拟仿真的技术方案，对钢铁生产过程进行可视化仿真，能对钢铁产线进行动态模拟，对用户指令等做出实时响应，使计算机能够跟踪用户的输入，及时按输入修改模拟获得的虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一种实时交互性关系。使其在模型设计中就能够感受到设计的效果，根据过程评价结果能够改进模型设计，启发计划制定者，在决策过程中从系统中学习，有利于计划的重设计和深化设计。将本专利技术铁生产过程仿真系统应用于钢铁生产的辅助控制，提高资源管理和生产工艺的精益化管控能力，有效降低消耗，降低生产成本，可大幅度提高生产率，并通过控制并降低生产、销售、物流各环节的成本来实现保持成本优势。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：一种钢铁生产过程仿真系统，主要由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，主要包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据；虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出；应用层主要包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；表现层主要包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；整体系统的各控制单元具体为：三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到三维模型生成子系统中，在三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，三维模型生成子系统与人机交互子系统信号连接，三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；场景漫游子系统与人机交互子系统信号连接，场景漫游子系统能对三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过人机交互子系统对漫游速率进行调节；计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由三维模型生成子系统生成的对钢铁产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。在上述虚幻引擎服务层中，虚幻引擎优选采用Unreal引擎，优选利用Unreal引擎的蓝图系统中的Spawn节点创建出炼钢生产线上需要的虚拟模型。在上述数据库层中，优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：主要由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，主要包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据；虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出；应用层主要包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；表现层主要包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；整体系统的各所述控制单元具体为：所述三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到所述三维模型生成子系统中，在所述三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出所述三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，所述三维模型生成子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；所述人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，所述人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过所述人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；所述场景漫游子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述场景漫游子系统能对所述三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过所述人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过所述人机交互子系统对漫游速率进行调节；所述计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过所述人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；所述计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由所述三维模型生成子系统生成的对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过所述人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。所述仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据所述计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。...

【技术特征摘要】
1.一种钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：主要由三维模型生成子系统、人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统、计划执行子系统和仿真评价子系统一系列控制单元组成，并形成具有数据库层、虚幻引擎服务层、应用层和表现层的4层结构的整个系统框架；其中数据库层通过文件集合来对系统关键数据进行存储，主要包括场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据主要包括建模、材质和动作数据，业务数据库的元数据主要包括钢铁生产过程设备的坐标和生产信息、系统的运行逻辑数据；虚幻引擎服务层不仅能利用三维模型生成子系统建立用户界面图形，还能解析加载输入到计划执行子系统的动态数据，利用这些数据驱动三维模型，从而实现钢铁生产车间的钢铁生产过程通过人机交互子系统进行可视化输出；应用层主要包括人机交互子系统、场景漫游子系统、计划输入子系统和仿真评价子系统，主要实现数据的采集、数据文件的预处理、数据交互操作、2D及3D漫游导航、钢铁生产过程动画仿真表现、钢铁生产过程和设备状态信息实时呈现、钢铁生产过程仿真结果输出、根据不同的钢铁生产计划进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价；表现层主要包括人机交互子系统的用户界面模块和三维模型生成子系统的特效处理模块；整体系统的各所述控制单元具体为：所述三维模型生成子系统能根据钢铁厂的车间布置和工艺流程的需求，进行定义钢铁生产过程的仿真数据，并进行定义钢铁生产过程的动画模型，通过数据采集模块，从数据库层中将相关模块拖入到所述三维模型生成子系统中，在所述三维模型生成子系统中，并连接相关模块，编辑相关模块，建立逻辑模型，搭建钢铁生产线虚拟模型，并调用数据库层中的实例应用数据资源，利用仿真评价子系统进行仿真运行，对钢铁生产线虚拟模型进行仿真调试和数据分析，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，直到钢铁生产线虚拟模型达到设定的标准要求为止，即完成三维模型生成，并通过人机交互子系统，输出所述三维模型生成子系统生成的三维模型的调试信息，所述三维模型生成子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述三维模型生成子系统还能根据使用者通过人机交互子系统输入的修改请求对钢铁生产线虚拟模型进行编辑和修改，获得用户设定的虚拟环境，形成对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序；所述人机交互子系统为使用者和对应子系统之间进行信息交换建立了人机交互界面，所述人机交互子系统分别与三维模型生成子系统、场景漫游子系统和计划输入子系统信号连接，用户能通过所述人机交互子系统的控制界面下达生产计划执行命令，将指令信息发送给系统中的各个控制单元；所述场景漫游子系统与所述人机交互子系统信号连接，所述场景漫游子系统能对所述三维模型生成子系统生成的各个虚拟模型进行全方位视角的切换和缩放，支持2D俯瞰视角和3D第一人称视角的两种形式的移动，通过所述人机交互子系统，使用者能实现钢铁生产线虚拟模型的任意方位的场景漫游观察，并能通过所述人机交互子系统对漫游速率进行调节；所述计划输入子系统能进行钢铁生产和物流过程的生产计划的编制和优化，能将用户通过所述人机交互子系统手动输入钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，也能将外部服务器动态导入的钢铁生产计划数据向所述计划执行子系统输送，支持与数据库的连接，动态导入数据，并对数据文件进行预处理；所述计划执行子系统根据输入或导入的数据格式，启动并运行由所述三维模型生成子系统生成的对钢铁生产的全过程进行动画模拟的模型程序，进行动画仿真运行和流程模拟运行，解析并执行相应的钢铁生产计划，启动并运行虚幻引擎，以数据来驱动三维场景中的虚拟模型的运动，并利用虚幻引擎的蓝图可视化脚本代码以及动作系统，模拟钢铁生产过程，通过所述人机交互子系统进行动画演示钢铁生产流程。所述仿真评价子系统实时更新，并能通过人机交互子系统实时显示输出钢铁生产流程的各设备状态信息，还能根据所述计划输入子系统输入的不同的钢铁生产计划，进行钢铁生产过程仿真的结果进行评价和比较，能分析得出钢铁生产流程优化的较佳方案和最佳方案，并能调用数据库层中的实例应用数据资源，对三维模型生成子系统生成的生产线虚拟模型进行修正，还能得出钢铁生产流程优化的建议，最终将仿真运行情况信息和仿真评价结果通过人机交互子系统进行实时显示输出，用户根据仿真评价结果对应的评价指标作出决策。2.根据权利要求1所述钢铁生产过程仿真系统，其特征在于：在所述虚幻引擎服务层中，引擎采用Unreal引擎，利用Unreal引擎的蓝图系统中的Spawn节点创建出炼钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽兰，黄琦，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31