1、建模&仿真1建模與仿真建模與仿真Modeling & Simulation可視化建模與仿真Visualization Modeling & Simulation 曾洪濤曾洪濤武漢大學動力與機械學院College of Hydro Power and Information2012年5月建模&仿真21 可視化建模與仿真的背景2 可視化建模與仿真的要求3 可視化建模與仿真的基礎4 可視化建模的方法5 基于可視化模型的水電機組可視化仿真6 數字化建模可視化模型與數字特性模型的有機融合7 可視化模型的應用建模&仿真3參考文獻：參考文獻：(1)陳燚濤,李朝暉.水輪

2、發電機組三維動態仿真研究.電力系統自動化, 2001, 25 (8):49-52+70 (2) Jiang Guo, Zhaohui Li, Yitao Chen. Visualization of a Hydro-electric Generating Unit and Its Applications. 2003 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2003,3,2354-2359 。(3)王躍武, 李朝暉, 陳燚濤. 面向檢修的水電廠設備技術資料多媒體管理系統. 水電自動化與大壩監測, 2003,2

3、7(2):66-69 (4)陳燚濤, 李朝暉. 面向檢修的水電設備數字化建模. 電力系統自動化. 2005，29(7):79-83 (5)陳燚濤, 李朝暉. 基于數字化模型的水輪機調速系統狀態監測與分析. 電力系統自動化.2005,29(9):72-76 (6)鐘登華等,可視化仿真技術及其應用.水利水電出版社,2002年,TU7-39(7)費廣正等,可視化OpenGL程序設計.清華大學出版社,2001,TP391.41(8)Daniel Tkach,可視化對象建模技術.科學出版社,1999,TP311 相關知識：相關知識： 虛擬現實，SolidWorks，3Dmax，Flash，3DFlash

4、，SpinFire等。建模&仿真4(1)應用專業背景對象專業知識(2)畫法幾何空間想象能力(3)機械制圖工程習慣通識(4)計算機圖形學實現方法及手段(5)美術常識形象、美觀的表達方式建模&仿真51 可視化建模與仿真的背景1.1 可視化的歷史背景及正式提出可視化的歷史背景及正式提出*研究表明，人類獲得的關于外在世界的信息80%以上是通過視覺通道獲得的。 -“百聞不如一見”-“一圖勝過千言”-作為千百年來文明載體的“圖書”，“圖”是在“書”前的！ *今天，設計圖是借助紙張的媒介表達創意，工程圖是現代工業生產的依據。 建模&仿真6*“Visualization”一詞, 來自英

5、文的“Visual”,原意是視覺的、形象的，中文譯成“圖示化”可能更為貼切。*事實上，將任何抽象的事務、過程變成圖形圖像的表示都可以稱為可視化。*作為學科術語，“可視化”一詞正式出現于1987年2月美國國家科學基金會（National Science Foundation，簡稱NSF）召開的一個專題研討會上。*研討會后發表的正式報告給出了科學可視化的定義、覆蓋的領域以及近期和長期研究的方向。這標志著“可視化”作為一個學科在國際范圍內已經成熟。 1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真7科學可視化的基本含義是運用計算機圖形學或者一般圖形學的原理和方法，將科學與工程計算等產生的大規模數據轉換為

6、圖形、圖象，以直觀的形式表示出來。它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計及圖形用戶界面等多個研究領域，已成為當前計算機圖形學研究的重要方向。 1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真81 可視化建模與仿真的背景實現科學可視化技術的意義重大: （1）大大加快數據的處理速度， 使目前每日每時都在產生的龐大數據得到有效的利用。 （2）實現人與人和人與機之間的圖象通訊，從而使人們觀察到傳統方法難以觀察到的現象和規律。 （3）使科學家不僅被動地得到計算結果，而且知道在計算過程中發生了什么現象，并可改變參數，觀察其影響，對計算過程實現引導和控制。 （4）可提供在計算機輔助下的可視化技

7、術手段， 從而為在網絡分布環境下的計算機輔助協同設計打下了基礎。 總之，科學可視化技術的發展將使科學研究工具和環境進一步現代化，從而使科學研究的面貌發生根本性的變化。建模&仿真91.2 可視化建模與仿真的背景可視化建模與仿真的背景1. 系統仿真的發展趨勢之一系統仿真的發展趨勢之一系統仿真經歷了模擬仿真、混合仿真和數字仿真三個階段后，隨著仿真系統的進一步完善，仿真技術已經成為系統全生命周期4個階段(論證、設計、實現與運行)中重要的技術手段和工具。系統仿真有以下發展趨勢：分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation)面向對象仿真(Object Orie

8、nted Simulation)多媒體仿真(Multimedia SimulationMS)智能仿真(Intelligent SimulationIS)1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真10多媒體仿真技術 不是仿真技術與多媒體技術的簡單結合, 多媒體仿真是一個自成體系的研究領域, 其特點是：(1) 對象模型屬性的多媒體化(2) 仿真模型的二重性(系統模型和表現模型)(3) 抽象時空與形象時空的一致性(4) 人的感官和思維活動進入仿真回路中1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真111 可視化建模與仿真的背景2. 信息表達的需要信息表達的需要(1) 傳統信息表達方式：傳統信息表達方

9、式： 數字、曲線、文字、模擬表計等缺點：數據表現形式匱乏信息可理解性差資源迷向和信息過載人類主觀思維差異導致信息 “不準確”建模&仿真12(2) 多媒體信息表達方式：多媒體信息表達方式： 可視化模型、圖形、圖像、聲音等 優點：信息表現形式多樣化信息可理解性強可以減少或消除人類主觀思維的差異信息集中度強1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真133. 工程應用領域的需要工程應用領域的需要(1)工程工程設計設計a. 外觀設計 飛機、汽車外形設計。b.流體曲面設計 水輪機葉片流線設計。c.大型系統工程的規劃、設計 數字流域、數字城市。如產品設計中，特別是機械產品設計中，可能會出現尺寸干涉

10、或其它缺陷，優秀的產品設計師也不可避免有疏忽的時候，有時候某一個微小的疏忽可能導致嚴重的后果，輕則造成產品報廢、重則造成重大損失。1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真14(2)(2)產品制造產品制造 虛擬制造技術、數字加工技術的發展已經擯棄傳統產品加工模式，獲得了高性能、高質量的產品(3)(3)產品測試產品測試 虛擬測試仿真、仿真試驗(如汽車碰撞試驗、核彈爆炸試驗、火箭發射試驗等)不僅在一定程度上節省了成本，也減少了人類的勞動強度和危險性。1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真15(4)教育、培訓仿真教育、培訓仿真 傳統的教育培訓方式是書本教材或“師傅帶徒弟”方式，一方面受訓者無

11、法直接面對真實對象，從而影響了培訓的難度和效果；另一方面實踐經驗知識只能靠受訓者在實踐中去體會，隨著掌握經驗知識人員的離去，直接導致一項技能的消失或“鋸齒”狀的發展。 為了讓受訓人員在“真實”的對象環境條件下了解對象的結構和特點，進而掌握對象的運行原理，達到在形象直觀的虛擬物理空間中真實感知對象、掌握相關技能，需要給受訓者營造一個形象直觀的虛擬環境。 1 可視化建模與仿真的背景建模&仿真166.1 可視化建模與仿真的背景4. 娛樂行業的發展娛樂行業的發展突出表現在游戲行業、動畫領域的飛速發展。5.5.醫療發展的需要醫療發展的需要醫療康復等非藥物性治療的手段之一。* 可視化建模與仿真的實

12、例介紹:-水電機組可視化建模與仿真-三峽工程可視化建模與仿真-水電維護系統的可視化建模與仿真建模&仿真171 可視化建模與仿真的背景建模&仿真182 可視化建模與仿真的要求2.1 可視化建模與仿真研究的內容可視化建模與仿真研究的內容 可視化建模與仿真的研究主要分為兩大部分，可視化建模與仿真工具的研究和可視化建模與仿真應用的研究。重點是有關可視化模型的內涵，即可視化過程的組成內容，包括： （1）數據預處理：可視化的數據來源十分豐富，數據格式也是多種多樣的，這一步將各種各樣的數據轉換為可視化工具可以處理的標準格式。 （2）映射：映射就是運用各種各樣的可視化方法對數據進行處理，提取出

13、數據中包含的各種科學規律、現象等，將這些抽象的、甚至是不可見的規律和現象用一些可見的物體點、線、面等表示出來的。 建模&仿真192 可視化建模與仿真的要求（3）繪制：將映射的點、線、面等用各種方法繪制到屏幕上，在繪制中有些物體可能是透明的，有些物體可能被其他物體遮擋。（4）顯示：顯示模塊除了完成可視信息的顯示，還要接受用戶的反饋輸入信息，其研究的重點是三維可視化人機交互技術。 建模&仿真202.2 2.2 可視化建模與仿真的要求可視化建模與仿真的要求1. 充分了解建模對象充分了解建模對象建模對象就是我們的研究對象，對研究對象專業基礎知識的掌握程度是可視化建模的關鍵。包括以下內容

14、：對象的原理對象功能對象結構2 可視化建模與仿真的要求建模&仿真212. 工程習慣及通識工程習慣及通識良好的工程習慣及全面的工程通識是可視化建模的基礎工程習慣決定了建模的速度和可視化模型表達的意義工程習慣指的是工程制圖方面的習慣性規定。如：基準的選擇尺寸的標注工程通識決定了模型的可理解性工程通識指的是工程領域內約定俗成的表達方式。 如：顏色的漸變可以形象表達溫度場、應力場等矢量箭頭能直觀表達氣流、水流等流場特性2 可視化建模與仿真的要求建模&仿真223. 可視化模型的表達手段可視化模型的表達手段可視化模型的表達手段具有多樣性，沒有嚴格的工程規定，但應該遵循以下原則：用盡量少的表

15、達方式包含盡量多的狀態信息。常用表達手段有： 二維圖形、圖像 圖表、原理框圖 三維實體模型 矢量箭頭 顏色處理 透明度處理 .2 可視化建模與仿真的要求建模&仿真234. 可視化模型表達的效果可視化模型表達的效果可視化模型要求最大程度地相似于模型對象。相似性表現在以下幾個方面：1）外形相似外形一目了然，具有直觀感2）原理相同 運動過程逼真，具有形象感3）環境類似 模型外在環境表達確切，具有真實感4）表象一致特定條件下的表象等同于實際過程，具有沉浸感2 可視化建模與仿真的要求建模&仿真243.1 對象知識的準備對象知識的準備- -數據預處理數據預處理 對象知識指的是仿真對象在設計

16、、制造、安裝、運行、維護和管理過程中各種參數、技術檔案和專家知識經驗的總稱。對象知識的完整性直接決定了對象可視化建模的效果。1). 對象知識的獲取 從知識存在的載體出發，對象知識可分為有形知識和無形知識。有形知識指的是以圖形、圖像或文字等方式存在的知識；無形知識指的是實際專家腦子里存在的經驗知識。 有形知識獲取：直接、全面 無形知識獲取：難度大 3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真252). 對象知識分析 對象知識分析是對對象知識的組織和加工，一般包括對象層次分析和對象知識分類。 對象層次分析： 對象層次劃分的原則是根據對象各組成部分的功能和物理結構特征按功能、結構和隸屬關系進行分層分

17、級，逐級劃分直至最小功能單元。 對象層次劃分是可視化建模的關鍵，后續的可視化建模過程及可視化仿真都是以這個層次結構為基礎的。電廠對象層次劃分：電廠層機組層系統層子系統層設備層單元層模塊層元件層 3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真26 3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真273 可視化建模與仿真的基礎結構知識是與對象結構特征相關的知識，包括對象的物理組成結構、物理連接關系、結構特點、幾何特征、物理特征、物理運動范圍、空間拓撲關系等。功能知識是與對象功能特征相關的知識，主要包括對象功能、運行原理、運行特征參數、輸入和輸出參數、運行性能指標、保持對象功能的特征參數的閾值等。統計知識

18、就是與對象運行壽命相關的各種統計數據，包括制造時間、倉儲時間、安裝時間、投運時間、維修時間、設計使用壽命、測試使用壽命、實際使用壽命等。故障知識就是與對象故障和維護相關的知識，包括設計、制造、安裝、使用和維護領域內所有與對象相關的信息和專家知識。 3）對象知識分類： 結構知識、功能知識、統計知識、故障知識建模&仿真283.2 對象知識的表達對象知識的表達- -映射映射對象知識表達要達到三個主要目的： 其一，對象知識表達形式便于計算機存儲和識別； 其二，對象知識表達方式便于使用人員理解，方便用戶查詢； 其三，對象知識的表達形式便于對象知識本身的維護和更新。 3 可視化建模與仿真的基礎建模

19、&仿真291). 對象層次知識的表達設備層次編碼采用字符串的方式，每一位分別用0-9表示，其中0作為保留字不分配給任何具體設備，從而形成層次結構標志。這種編碼方式既有利于設備層次關系的存儲，又有利于層次關系的識別和查詢。 3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真302). 對象結構知識的表達結構知識屬于非編碼型知識，采用可視化模型的方式來表達設備結構知識。 3 可視化建模與仿真的基礎可視化建模關心的是對象的幾何外形、物理特性和運行原理，針對不同類型對象有不同的可視化建模方法 對象分類及可視化建模方法：外形確定型對象實體真實造型法外形準確定型對象實體似然造型法外形不確定型對象圖形、圖

20、像法建模&仿真31a. 外形確定型對象是指具有一定幾何尺寸外形和明確可觀察、可測量物理特征，在設備維護工作中需要單獨維修或更換，能取得詳細結構圖紙資料的設備，如調速系統中的所有機械設備、部分液壓閥和重要的一次電氣設備等。b. 外形準確定型對象是指除了不能獲得詳細圖紙資料以外具有確定型設備所具有的一切特征的設備，如部分液壓閥和液壓管路，部分一次設備，電氣柜等。c. 外形不確定型對象指的是具有幾何外形的不確定性和多樣性，使用過程中人們更關注其定量運行特征，維護過程中不單獨維修或更換的設備，如所有的電子設備、部分一次電氣設備等。3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真323). 對象功能

21、知識的表達 結合對象結構知識進行，功能和運行原理可采用可視化仿真的方式形象生動的描述出來，也就是可視化模型的數據驅動。4). 對象統計知識的表達 對象統計知識是設備性能評估和壽命評估的一個重要依據。 5). 對象故障知識的分析與表達兩種分析方法：FMECA：設備失效模式、影響及其危害分析表FTA：設備故障樹分析圖 采用故障可視化建模與故障狀態可視化仿真3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真333.3 可視化建模工具選擇可視化建模工具選擇- -繪制繪制3 可視化建模與仿真的基礎為了對外形確定型、外形準確定型和外形不確定型三種類型的對象進行可視化建模，通過對市場上現有的可視化建模工具進行了充

22、分的調研，最后將視線集中在以下集中建模工具上：普通二維建模工具：如AutoCAD和Protel等三維建模工具：如3Dmax、SolidWorks、SolidEdge、I-Deas、OpenGL等。建模&仿真343 可視化建模與仿真的基礎1)OpenGL是微軟最近幾年推出的一種可視化建模工具，它是基于軟件編程方式進行建模的一種工具。 針對每一個零部件我們必須知道其確切的幾何尺寸，選定一個原始坐標，取得每個點的坐標，然后用程序語言來進行繪圖，繪制出框架模型后再用程序語言來對模型進行貼圖、上色和表面紋理處理。缺點：建模比較復雜，表面復雜對象算法相當復雜模型的可維護性較差對建模人員要求高建模周

23、期長模型重復利用率低 建模&仿真353 可視化建模與仿真的基礎2)3Dmax是目前比較流行的應用比較廣泛的一種三維圖形制作工具，它在目前游戲軟件開發中應用比較廣泛。特點：a.只注重其表面渲染的視覺效果，可以繪制出外形逼真的物體，但是其尺寸、內部結構和物理特征無法詳細描述b.不進行任何物理結構和拓撲關系的檢查c.其建模過程簡單，一般只要取得照片資料就可以做出外形逼真的三維模型 將其應用于部分外形準確定型和不確定型對象的可視化建模十分有效。 建模&仿真363)SolidWorks、SolidEdge和I-Deas這三種三維建模工具目前在工程領域的應用比較廣泛。后兩者是基于工作站硬件

24、環境的工具軟件，對硬件設備的要求比較高，所以最后我們選擇了SolidWorks這種基于PC機的三維建模工具。 通過對這幾種工具的優缺點進行比較，最后選擇了用Solidworks建立外形確定型和部分外形準確定型對象可視化模型，用3Dmax建立外形準確定型對象可視化模型，用AutoCAD或Protel等建立外形不確定型對象工作原理的可視化模型。3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真373 可視化建模與仿真的基礎3.4 可視化建模工具介紹可視化建模工具介紹主要介紹SolidWorks建模工具。SolidWorks建模方法簡單，建模過程類似于實際機械生產加工過程，用戶只需要具備簡單的機械常識就可

25、以在此平臺下建立出圖像精美、尺寸正確的三維模型，它具有以下特點： 1). 準確的幾何尺寸2). 形象逼真的外觀效果建模&仿真383). 裝配體零部件模型的任意隱藏與顯示4). 三維零部件模型的任意剖視5). 三維模型和二維工程圖紙之間的相互轉化6). 幾何尺寸的標注和檢查7). 幾何特征和物理特征的自動計算8). 簡單預定路徑動畫制作3 可視化建模與仿真的基礎建模&仿真394 可視化建模的方法4.1 可視化建模準備可視化建模準備 前期現場調研，了解設備的實際結構和現場裝配特征，提取設備顏色、結構等外形信息 例如：2001年12月到2002年3月期間，剛好是大江電廠的18號機組擴

26、修期間，這是一個了解機組結構和裝配工藝的一個很好的契機，于是我們分專業派人在擴修現場進行了為期三個月的實習，在此期間我們獲取了3000多張現場照片和100多分鐘的錄像資料，這些資料中包含了足夠的設備顏色、結構等外形信息，為后一階段的機組設備可視化建模打下了良好的基礎。 建模&仿真404 可視化建模的方法4.2 可視化建模對象分析方法可視化建模對象分析方法1對象結構分析 對象分析從對象結構層次分析開始，對象分層的原則是從對象的功能出發，兼顧結構和相互連接關系對對象進行有序的層次劃分。首先將對象依照各組成部分功能的不同劃分為多個功能單元，然后根據功能單元的構造特點繼續劃分成多個結構單元，最

27、后根據結構單元的可維護性劃分至最小的模型單元(如零件)。 建模&仿真414 可視化建模的方法建模&仿真424 可視化建模的方法水輪機調速系統層次分析建模&仿真43 主接力器結構分析層次分析運動關系分析：活塞組件是主接力器的關鍵功能部件，其他部件都是為了完成主接力器運動的輔助結構部件。運動關系就是活塞組件沿著主接力器缸體直線運動，從結構的角度看，運動的范圍是接力器缸體的有效長度。4 可視化建模的方法建模&仿真44空間拓撲分析：主接力器安裝在水輪機支持蓋上，其分油器側通過圓柱銷固定在支持蓋的安裝孔上；推拉桿側通過圓柱銷鉸接在控制環上，主接力器內部的連接關系如上圖所示

28、。失效模式分析：從接力器的結構特點和功能來看，主接力器最有可能出現的失效包括：活塞環磨損或破損(引起主接力器兩腔竄油)密封組件破損或推拉桿磨損(接力器液壓油外漏)推拉桿彎曲或活塞與活塞環之間夾雜雜質(推拉桿拒動或卡阻)其它故障還包括缸體密封損壞(漏油)等4 可視化建模的方法建模&仿真454 可視化建模的方法2對象特性分析特性分析是在對象結構分析基礎上，從對象的功能和性能的角度出發，分析對象內部及外部的定量特征。對象特性分析從對象各組成部分之間以及設備整體與外界設備之間的連接特征開始，主要包括他們之間的能量流和信息流的連接與轉換方式。特性分析包括以下內容：連接關系分析 運動原理分析輸入輸

29、出分析故障模式分析建模&仿真46調速系統連接關系分析4 可視化建模的方法建模&仿真47主接力器主要故障模式分析：故障模式故障原因相關參數特征參量概率兩缸竄油活塞環磨損或破損兩缸壓力活塞環與缸體之間的間隙較高向外漏油密封組件損壞或推拉桿磨損有桿側油腔壓力推拉桿與密封組件之間的間隙高推拉桿拒動或卡阻推拉桿彎曲或活塞與缸體間有雜質兩缸壓力推拉桿位移推拉桿運動阻力一般4 可視化建模的方法建模&仿真484.3 對象可視化建模方法對象可視化建模方法可視化建模技術是一種基于圖形和虛擬現實技術的建模方法，是在對對象結構和物理特征的研究基礎上采用相應的工具建立對象的可視化模型，可以實現不

30、打開實際設備的前提下監視對象內部的運行過程、不拆開實際設備的前提下了解對象的內部結構等功能。可視化建模分為兩個步驟：對象零部件建模對象可視化模型的裝配。下面以主接力器為例來介紹設備可視化建模過程。 4 可視化建模的方法建模&仿真494 可視化建模的方法1)零部件建模(最小單元建模)最小單元可視化建模過程中需要遵循以下原則：a.基準原則，包括裝配基準和視覺基準。為了簡化零部件模型裝配過程、保證可視化模型的視覺效果，需要合理選擇建模原點位置、坐標系和基準面。建模&仿真50裝配基準決定了可視化建模的坐標原點視覺基準決定了可視化建模的坐標系4 可視化建模的方法建模&仿真51b.

31、簡化原則。在保證零部件外觀效果的情況下，可采取適當簡化措施：盡量忽略維護中不關心的設備細節。這樣可以提高可視化模型的使用過程中的顯示速度，減小計算機的性能開銷。細節忽略 形狀簡化 標準件簡化c.整體原則。對于維護中作為整體單元更換、且運行中與其它零部件無相對運動的部件，在不影響部件外觀效果的前提下，盡量作為整體建模，以減小模型使用中對計算機性能的開銷。 4 可視化建模的方法建模&仿真52在取得主接力器的設計藍圖或測量取得每個零部件的尺寸和形狀信息，熟悉主接力器各零部件實際顏色和材質的前提下，根據以下步驟進行建模： a.選擇零部件建模的原點、坐標系和基準面，如活塞的建模原點選擇在活塞的幾

32、何中心位置，選擇厚度方向為x坐標，由于圓形外形所以無基準面的選擇問題；b.采用SolidWorks軟件對每個零部件進行三維實體幾何造型，幾何造型中注意細節的簡化，如推拉桿的螺紋，如果按照實際尺寸造型，整個推拉桿模型文件的大小將增加3倍，因此在保證推拉桿螺紋視覺效果的前提下，可采用夸張方式，夸大螺紋的螺距和牙形進行建模；4 可視化建模的方法建模&仿真534 可視化建模的方法c.在SolidWorks軟件中然后根據每個零部件的真實顏色和材質進行渲染，為了區分裝配體中零部件的界限，顏色可進行適當調整；d.根據零部件的物理特征，賦予每一個零部件進行物理性質，如零部件密度、粘度、表面紋理等。 a

33、) 活塞 b) 推拉桿 建模&仿真542)可視化模型裝配4 可視化建模的方法 對象可視化模型裝配是建立在對象真實物理結構基礎上，按照設備層次進行的，如主接力器裝配就是先對主接力器活塞組件等進行裝配，最后進行接力器整體裝配。可視化模型裝配包括以下步驟： a.基準零部件選擇：每個裝配單元只有一個基準零部件，它是固定的，其它零部件都是以它為參考進行裝配和運動的。如在活塞組件中選擇活塞作為基準零件，在主接力器中選擇缸體作為基準零件。建模&仿真554 可視化建模的方法b.約束關系定義：完全固定一個物體需要定義三個無關的約束。對于無相對運動的零部件采用三個約束關系與基準零部件進行完全約束；

34、有相對運動的則只定義部分約束，保留運動特征，如活塞組件不約束其相對缸體的直線運動。c.運動范圍限制：采用碰撞檢測和位置限制技術可將運動部件限制在其允許的范圍，如可以限制活塞組件的運動范圍是0到900mm。d.可視化模型后臺運動端口定義 ：主要包括設備的安裝和拆卸過程、正常過程和故障發生過程等動作過程數據輸入端口的確定。建模&仿真56 a) 活塞組件 b) 主接力器 裝配完成的活塞組件和主接力器可視化模型4 可視化建模的方法建模&仿真57運動部件：運動部件：發電機轉子、推力頭、永磁機轉子、上端軸等運動輸入：運動輸入：機組轉速運動方式：運動方式：繞機組軸線旋轉u 發電機可視化模型4

35、 可視化建模的方法建模&仿真58u 發電機可視化建模中的簡化裝配體簡化為零件 裝配過程的簡化處理無簡化1.834秒/幀加裝2個磁極，其他以簡化模型代替0.497秒/幀加裝1個磁極，其他以簡化模型代替0.335秒/幀4 可視化建模的方法建模&仿真595基于可視化模型的水電機組可視化仿真 所謂可視化仿真就是采用可視化模型，結合適當的數據、文字、顏色和矢量跡線等其他表達方法來模擬對象的物理運動、健康狀態、維護方法等。 5.1水電機組運行過程可視化仿真 u 水電機組的物理運動類型a.機械運動 b.電磁類參數變化 c.流體運動 d.溫度場變化u 機械運動可視化仿真a.三維實體模型仿真b.

36、圖像幀格式仿真maxminmaxLYP可視化仿真精度建模&仿真60u流體運動過程仿真 流體的運動過程仿真一般采用矢量跡線(vector path line)與箭頭表示法相結合的方法來仿真流體運動的軌跡、速度和方向。 5 水電機組可視化仿真建模&仿真61u溫度場可視化仿真 溫度場的數據變化一般采用顏色的變化來仿真溫度值的大小，即在數據與顏色之間建立一個映射關系，把不同的數據映射為不同的顏色。 5 水電機組可視化仿真建模&仿真625.2水電機組故障狀態可視化仿真 u水電機組設備故障類型 (1)軟件故障。如控制軟件中的Bug、不合理的控制參數等。(2)設備狀態突變。 (3)設

37、備結構破壞。(4)設備形狀變化。 (5)設備物理特性改變。5 水電機組可視化仿真建模&仿真635.3水電機組維護過程可視化仿真 提供一個通用的可視化仿真平臺，實現水電機組設備檢修規程提供一個通用的可視化仿真平臺，實現水電機組設備檢修規程和專家維護經驗知識的模擬和仿真。和專家維護經驗知識的模擬和仿真。 其目的是保存維修方法和經驗、進行人員培訓、對實際維護過其目的是保存維修方法和經驗、進行人員培訓、對實際維護過程的在線指導。程的在線指導。5 水電機組可視化仿真建模&仿真646.1 數字化建模定義 定義：數字化建模就是在設備分析的基礎上，采用可視化建模技術建立對象可視化模型，采用分布

38、式物理圖網建模方法建立對象全狀態數字特性模型；通過信息關聯技術將對象可視化模型與對象全狀態數字化模型的信息關聯起來，使得計算機能自動識別設備物理結構、辨識設備運行狀態和健康狀態、反映設備故障機理。 6 數字化建模可視化模型與數字特性模型的有機融合建模&仿真651. 數字化建模的基礎對象分析技術 對象分析技術是仿真建模的技術基礎。傳統的仿真建模過程一般是從分析實際對象的物理功能、運動原理和運行規律開始，經過大量的假設和推論，從對象功能的角度出發，研究其總體物理運動方程和限制條件，在此基礎上再經過抽象和簡化，以傳遞函數、狀態方程等形式來描述對象的運動特征。這種建模方法存在以下缺點：1）建模

39、過程只是從設備總體功能出發進行分析，而對設備的物理結構分析較少，模型反映的是以建模對象設備為單元的總體運動和功能，很難反映對象本身的內部運動過程；6 數字化建模建模&仿真662）沒有或很少考慮建模對象的故障特性，模型無法反映設備部件的失效模式、故障機理及故障表征；3）模型本身的描述方法抽象，模型可理解性差、物理意義不明確；4）模型不能明確反映對象非線性特征，更無法表達各種定性的非數據信息，因此不能反映對象的全狀態特性。6 數字化建模建模&仿真67傳統的建模主要從對象功能作用出發，很少考慮對象的物理結構。實際上，對象所具有的功能作用是設備物理構成的外在表現，功能作用對設備物理構成的影響是設備設計階段要考慮的問題。設備數字化建模過程充分認識到設備物理構成對設備建模同樣起到關鍵的作用，因此將設備物理構成和功能作用放到同等地位來考慮。 6 數字化建模建模&仿真68對象分析主要包括：面向對象物理構成的結構分析和面向對象功能和性能的特性分析 項目內容物理結構分析 對象結構層次、幾何關系和結構特性分析等運動關系分析 對象功能單元的運動原理及其運動范圍分析空間拓撲分析對象的安裝位置、安裝方法及其各組成部分間的連接關系分析失效模式分析 故障發生時各組成部分之間的反應及其對外部的影響分析結