加油站虛擬培訓系統及應用的製作方法

2023-10-06 14:43:49

專利名稱：加油站虛擬培訓系統及應用的製作方法
加油站虛擬培訓系統及應用技術領域
本發明屬於計算機技術領域，特別涉及一種利用現代通信與計算機技術的基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統。
背景技術：
隨著國內經濟建設對油品需求的不斷增加，加油站的數量及規模也以迅猛的速度擴充，目前，加油站總數達10萬座之多。由於加油站地理位置分散，儲存的易燃易爆物質數量大，事故潛在風險高，後果危害程度嚴重，如何提升加油站安全操作效率和應急演練能力，預防和控制事故的發生，已成為一個日益突出的問題。現代信息化技術在加油站的日常管理之中得到了廣泛的應用，DCS系統、SCADA系統、巡線系統、資產管理系統、油品監控等信息系統為加油站日常生產與安全管理帶來了提升，但因習慣性違章造成的事故時有發生，而且，企業在應急處置過程中往往重應急程序，輕實操能力訓練，導致員工在實戰中曝露出許多操作問題。
虛擬實境(Virtual Reality簡稱VR)技術利用先進的硬體技術及軟體工具,設計出合理的交互手段，使用戶能交互式地觀察和作業系統生成的虛擬環境，產生一種身臨其境的感覺。虛擬培訓系統綜合運用虛擬實境技術，在視覺、聽覺、觸覺等方面為受訓者生成一個極為逼真的虛擬場景，模擬生產過程的各種可能情況，使受訓者最大限度地貼近實際操作和實戰演練，提高標準化操作能力及處理各種事故的能力。
目前虛擬實境培訓系統在軍事、醫學領域應用比較廣泛，但在石化領域特別是針對加油站的標準化操作及事故應急方面的培訓還比較少，已有的虛擬實境培訓系統大多數是基於桌面或者採用投影機將虛擬場景投影在屏幕上的方式，交互設備主要採用滑鼠和鍵盤，通過預先定義的運動規則實現操作，這種操作顯然與真實操作有很大差別，培訓質量不高、效果不理想；另外，目前虛擬實境培訓系統針對加油站火災及爆炸等事故的應急處理培訓幾乎沒有，受訓人員對消防設備的使用、應急救援路線、協同演練等內容沒有在虛擬培訓系統中進行實現。發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對現有技術中的不足和加油站的實際需要，提供一種基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統，利用三維驅動引擎實現對加油站三維場景的組織、管理和實時渲染，為參訓者提供一個逼真的三維數位化環境，滿足加油站日常加油、 卸油及典型事故處理的真實場景；利用計算機圖形學中對火焰、爆炸、煙氣、水流等特效的仿真模擬，藉助計算機模擬方法，建立反映事故(洩漏、火災、爆炸等)本質的數學模型，並將計算的結果以三維可視化的方式顯示出來，從而構建加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為；通過研究虛擬手的運動模型及交互機制實現，利用數據手套及位置追蹤器與虛擬加油站中設備進行交互操作； 通過讀取加油站生產中的實際數據，開發基於瀏覽器/伺服器的分布式多用戶協同操作與演練功能，實現多個用戶同時參與培訓練習，允許不同職位人員之間瞬時完成協調，並可以使培訓達到操作、預案及策略水平。
為解決上述技術問題，本發明提供一種加油站虛擬培訓系統，其包括
三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、 事故三維渲染模塊和考試評估模塊；
所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作；
所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為；
所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行；
所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行；
所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景；
所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊。
其中，所述三維驅動引擎模塊採用層次化設計方式設計，由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成。
其中，渲染層採用OpenGL作為渲染系統的底層圖形庫，提供對三維幾何模型的生成和渲染工作，進一步包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述三維幾何模型繪製子模塊主要負責對三維幾何模型數據進行組織、管理與繪製；
所述光線處理子模塊主要負責渲染過程中光照效果模擬；
所述紋理處理子模塊負責管理和調度虛擬場景的紋理數據。
其中，模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
存儲模型子模塊負責構造虛擬加油站的三維造型；
行為模型子模塊負責構造虛擬角色的各種基本行為；
約束條件子模塊用於將存儲模型與行為模型相關聯。
其中，虛擬環境模擬層負責虛擬加油站的交互操作解釋，其進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊；
所述碰撞檢測子模塊對加油站模型進行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進式的幹涉判斷；
時間/事件觸發子模塊是指通過時間和事件觸發機制來加油站虛擬培訓系統中的複雜行為，使系統能夠在事先設定好的時限內或按照已設定事件而執行，其中的時間觸發為在加油站虛擬培訓系統中的一個任務在某一預先設定的時間上才能運行，事件觸發為加油站虛擬培訓系統中的一個任務只有在與之相關的特定事件發生的條件下才能運行；
攝像機子模塊用於支持用戶在漫遊虛擬實境場景過程中對視點的控制。
其中，所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫，所述加油站基礎資料庫包括加油站基礎信息數據、工藝流程數據、實時運行數據、典型事故模擬數據等，所述加油站模型庫包括加油站廠房、裝置及設備立體層次的三維數位化模型，模型與現實場景按照1:1比例構建。
為解決上述技術問題，本發明還提供了一種加油站虛擬培訓系統，其包括
三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、 事故三維渲染模塊和考試評估模塊；
所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作；
所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為；
所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行；
所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行；
所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景；
所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊；
所述三維驅動引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成；
所述渲染層包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
所述虛擬環境模擬層進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊；
所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫。
為解決上述技術問題，本發明還提供了一種加油站虛擬培訓裝置，其包括
計算機終端設備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機、 數據手套、與數據手套相連的數據手套用傳感器和位置跟蹤器；
利用所述數據手套和所述位置跟蹤器在虛擬場景中完成虛擬手勢映射，實現對加油站設備的虛擬操作識別，通過虛擬手操作實現對虛擬場景中設備和物體的實時交互， 完成逼真實時的人機互動操作；
所述頭盔顯示器配合耳機用以顯示音頻、視頻信號，並感知受訓人員頭部方位，為使用者提供一個沉浸的虛擬環境；
所述數據手套、頭盔顯示器與所述計算機終端設備通過VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
所述數據手套利用其上的傳感器獲得數據，對加油機、消防炮等加油站設備實現虛擬操作識別。
所述數據手套可以實現手指的彎曲等動作，但是手平移的時候，位置發生變化了， 但是數據手套無法獲取手部平移的數據，而位置追蹤器可以實現這個功能。為解決上述技術問題，本發明還提供了上述加油站虛擬培訓系統或加油站虛擬培訓裝置在化工安全生產中的應用。
有益的技術效果在於
本發明的加油站虛擬培訓系統運用先進的虛擬實境技術、傳感器技術、網絡技術， 配合虛擬實境硬體設備在電腦終端上為加油站操作人員提供了真實的虛擬培訓場景，可以模擬特定的事故場景，將操作人員的加油、卸油、安全檢查、隱患治理、事故應急等幾乎所有在真實場景中涉及到得動作通過對應的傳感器傳遞給虛擬系統，驅動場景中角色做出相同的動作，使操作人員最大限度的貼近實際操作，大大節省培訓成本，提高培訓效率，另外，本發明真正體現了培訓的互動性，系統可操作性強，界面友好。


圖I基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統實現結構圖2三維驅動引擎模塊框架結構圖3數據手套驅動模塊操作仿真流程圖4加油站事故虛擬演練結構圖。
具體實施方式
本發明的基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統，利用數據手套、位置跟蹤器等虛擬實境硬體設備和三維驅動引擎模塊，生成逼真的加油站虛擬場景和典型事故場景，受訓者可以真實地完成標準化操作模擬和事故應急虛擬演練，以提高加油站員工虛擬培訓的真實性和培訓效果。
本發明提供一種加油站虛擬培訓系統，其包括
三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、 事故三維渲染模塊和考試評估模塊；
所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作；
所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為；
所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行；
所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行；
所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景；
所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊。
其中，所述三維驅動引擎模塊採用層次化設計方式設計，由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成。
所述三維驅動引擎模塊是加油站虛擬培訓系統的核心部分，其基於VC軟體和 OpenGL可視化編輯語言開發，負責顯示、組織和管理三維加油站虛擬場景的數據，表現渲染三維培訓場景，實現加油站標準化培訓的各種應用，提供系統二次開發的接口與工具。能夠實現加油站三維可視化、場景編輯、自由遊歷、信息查詢等功能，對場景資料庫模塊的組織和管理，定製漫遊狀態機制，實現碰撞檢測，實時消隱，層次細節紋理映射，支持數據的輸入 /輸出設備，如作為數據輸入設備的數據手套、位置跟蹤器，作為數據輸出設備的頭盔顯示器。
其中，渲染層採用OpenGL作為渲染系統的底層圖形庫，提供對三維幾何模型(點、 線、多邊形、曲線和曲面等)的生成和渲染工作，進一步包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊。
三維幾何模型繪製子模塊主要負責對三維幾何模型數據進行組織、管理與繪製， 其支持的三維模型數據包括*. 3ds和*. max,不但可以對3DS文件進行解析繪製，而已可以利用自主研發的3DS Max數據插件，從3DS Max中直接導出自定義的三維模型格式，支持模型的烘焙或動畫特性，具有良好的兼容性。該子模塊首先採用漸進網格算法對模型數據進行預處理，對三維模型數據採用R-tree進行索引組織，基於IOCP機制與LRU緩存算法對模型數據進行多線程調度，實現面向加油站三維模型的高效數據引擎，在繪製過程中採用 「外存-內存-顯存」間的數據自適應調度技術及顯示列表(Display List)、VBO (Vertex Buffer Object)、硬體遮擋剔除等GPU渲染加速技術,進一步滿足系統高效繪製的需求。
光線處理子模塊主要負責渲染過程中光照效果模擬。該子模塊首先實時的構建了光照模型。在基本光照模型中，一個物體的表面顏色是放射(emissive)、環境反射 (ambient)、漫反射(diffuse)和鏡面反射(specular)等光照作用的總和。每種光照作用取決於表面材質的性質(例如亮度和材質顏色)和光源的性質(例如光的顏色和位置)的共同作用。該子模塊支持多種光源模型，包括平行光、聚光燈、泛光燈等，並可通過調整參數實時查看光照效果。然後基於GPU Shader技術進行光照模擬，Shader程序分為兩種頂點 shader和像素shader。通過頂點shader,提供靈活的光照模型計算方法；而像素Shader提供了一種靈活的建立真實光照模型和實現很多特殊效果的方法。
紋理處理子模塊負責管理和調度虛擬場景的紋理數據。該子模塊的核心是一個紋理管理器(TextureManager),支持常用的紋理數據格式,包括tga、png、jpg、bmp、dds等。 將載入到內存的紋理數據進行解析和信息提取，採用紋理計數器技術管理渲染引擎的公共紋理，避免相同紋理的重複載入，節省內存、顯存空間。同時，該模塊支持渲染多種GPU紋理特效，結合 FBO (Frame Buffer 0bject)、PB0 (Pixel Buffer Object)等顯不緩存技術,對模型紋理進行更加逼真的特效模擬，包括凹凸紋理、光亮特效、AVI視頻等。
其中，模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊，存儲模型子模塊負責構造虛擬加油站的三維造型；行為模型子模塊負責構造虛擬角色的各種基本行為；約束條件子模塊用於將存儲模型與行為模型相關聯。基本的約束條件包括虛擬行為與虛擬物體的貼合、貼合偏移、定向和坐標系等，這些約束條件都可歸為點線面之間的位置關係，常用的包圍盒相交判斷主要是為了確定約束識別的範圍及參與導航的約束作用範圍， 包圍盒不相交則不進行約束識別。
其中，虛擬環境模擬層負責虛擬加油站的交互操作解釋，其進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊。
碰撞檢測子模塊採用基於幾何面的層次式碰撞檢測算法，對加油站模型進行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進式的幹涉判斷。這是一種基於離散點的碰撞檢測方法，這個方法的運算開銷較小，但容易造成物體的交迭過深或者彼此穿越。為了避免這種情況的發生，我們根據經驗模型採用較小的模擬步長進行碰撞檢測。基於幾何面的層次式碰撞檢測算法能夠逐步縮小參與碰撞檢測的範圍，從而對加油站模型進行運算裁剪和優化。該算法能夠有效的彌補傳統碰撞檢測算法對幾何面信息考慮不足的缺點，有效的提高碰撞檢測的效率，而且可以直接返回發生碰撞的幾何面對，為後續的虛擬操作識別提供依據。
時間/事件觸發子模塊是指通過時間和事件觸發機制來加油站虛擬培訓系統中的複雜行為，使系統能夠在事先設定好的時限內或按照已設定事件而執行，時間觸發是指在加油站三維系統中的一個任務在某一預先設定的時間上才能運行，事件觸發是指三維系統中的一個任務只有在與之相關的特定事件發生的條件下才能運行，目前很多虛擬實境系統並不能滿足時間/事件混合觸發的要求，本系統通過對任務觸發增加一個調度控制層， 利用控制層來管理任務節點的觸發機制，採用的基本原則為時間觸發任務要在預先設定的時間點上開始運行，如果此時有事件觸發任務，那麼該事件觸發任務將優先執行。
攝像機子模塊用於支持用戶在漫遊虛擬實境場景過程中對視點的控制，攝像機子模塊可對相機視點的空間方位信息進行管理存儲，實現視點在場景中自由漫遊，路徑動畫等操作，同時該模塊也提供了對渲染引擎視景體信息的管理，包含視景體操作過程中需要的控制數據、方法及屬性信息，攝像機子模塊的質量直接影響整個虛擬實境系統的用戶體驗。
所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫， 所述加油站基礎資料庫包括加油站基礎信息數據、工藝流程數據、實時運行數據、典型事故模擬數據等，所述加油站模型庫包括加油站廠房、裝置及設備立體層次的三維數位化模型， 模型與現實場景按照1:1比例構建。
所述事故三維渲染模塊中的事故三維渲染方法基於面片疊加法，在GPU上實現事故的全部渲染工作，從面片的生成，排序和渲染全在GPU內部完成，實現了虛擬培訓系統中所需要的實時大規模洩漏、火災等事故三維模擬。
本發明還提供了一種加油站虛擬培訓系統，其包括
三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、 事故三維渲染模塊和考試評估模塊；
所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作；
所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為；
所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行；
所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行；
所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景；
所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊；
所述三維驅動引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成；
所述渲染層包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
所述虛擬環境模擬層進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊；
所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫。
進一步優選，所述加油站虛擬培訓系統僅由上述部件構成。
本發明還提供了一種加油站虛擬培訓裝置，其包括
計算機終端設備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機、 數據手套、與數據手套相連的數據手套用傳感器和位置跟蹤器；
利用所述數據手套和所述位置跟蹤器在虛擬場景中完成虛擬手勢映射，實現對加油站設備的虛擬操作識別，通過虛擬手操作實現對虛擬場景中設備和物體的實時交互，完成逼真實時的人機互動操作；
所述頭盔顯示器配合耳機用以顯示音頻、視頻信號，並感知受訓人員頭部方位，為使用者提供一個沉浸的虛擬環境；
所述數據手套、頭盔顯示器與所述計算機終端設備通過VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
所述數據手套利用其上的傳感器獲得數據，對加油機、消防炮等加油站設備實現虛擬操作識別。
所述數據手套可以實現手指的彎曲等動作，但是手平移的時候，位置發生變化了， 但是數據手套無法獲取手部平移的數據，而位置追蹤器可以實現這個功能。進一步優選，所述加油站虛擬培訓裝置僅由上述設備構成。
本發明的加油站虛擬培訓系統通過運用三維建模軟體構建加油站的三維模型庫； 利用開源三維圖形開發庫OpenGL與物理引擎(前文描述的碰撞，事故的粒子特效等都屬於物理引擎的範疇)相結合，運用VC開發三維數位化虛擬實境引擎；利用數據手套和位置跟蹤器在虛擬場景中實現虛擬手勢映射，實現逼真實時的人機互動操作；頭盔顯示器通過與電腦終端相連，配合耳機用以顯示音頻、視頻信號，並感知受訓人員頭部方位；在提供標準操作培訓基礎上，在三維虛擬場景中以互動操作考核的方式對受訓者進行考試與評價；提供多角色協同培訓方式，在聯網狀態下多種角色進入同一場景，不用角色擁有不同的機能和裝備，進行互動培訓。
本發明還提供了上述加油站虛擬培訓系統在化工安全生產中的應用。
本發明是利用通信技術、計算機及其網絡技術這些現代信息技術手段，整個系統由硬體系統與軟體系統結合完成。
如圖I所示，本發明實施例提供了一種基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統實現結構圖。
(I)操作者是整個系統中的能動主體，他發出操作動作，並根據得到的反饋信息來調整操作動作，直到完成所要求的操作。本系統中操作者動作主要手部的抓取等動作；
(2)為了實現操作者與虛擬操作環境之間自然、高效的交互，由於操作者不可能直接進入虛擬環境中進行操作，只能通過人手在虛擬環境中的代理(虛擬手)來完成虛擬操作，本系統主要利用位置跟蹤器和數據手套，通過RS232接口與計算機相連。其中數據手套主要捕捉操作者手部動作，位置跟蹤器用來捕捉手部的位置信息。
(3)電腦終端利用三維驅動引擎接受並處理系統中各傳感器接受到的動作信號， 利用虛擬手模型實現對虛擬場景中設備和物體的交互操作。
(4)場景資料庫主要包括三維場景資料庫和事故資料庫。其中三維場景資料庫包括加油站設備基礎信息數據，加油站三維模型數據，日常標準化操作規範數據，加油站事故應急預案數據，消防資源數據和考核知識數據；事故資料庫包括典型事故(洩漏、火災、爆炸等)數值模擬數據，事故發生過程數據，事故後災害場景數據(設備事故殘骸等)以及事故三維可視化數據。
(5)操作者經過培訓後，管理人員可以利用該系統對操作者進行考核，管理人員通過設置不同的考核科目，由操作者根據自身的學習情況進行模擬操作，系統可根據操作者的操作情況給予評分；另外，系統提供的評估功能能夠對操作過程和演練步驟進行評價，通過與操作規範和應急預案進行對比，找出操作過程中的不足，對規範和預案進行完善和修改。
(6)頭盔顯示器作為本系統的輸出設備，能夠將主機的三維場景圖形顯示在頭盔中，提高虛擬培訓的沉浸感和交互性。
圖2顯示的加油站虛擬培訓系統中的三維驅動引擎模塊的框架結構圖，三維驅動引擎模塊採用層次化設計方式，由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成。渲染層基於三維圖形渲染庫OpenGL，提供對基本幾何體的生成和渲染工作；模型層包括存儲模型、行為模型和約束條件。存儲模型負責構造虛擬加油站的三維造型；行為模型負責構造虛擬角色的各種基本行為；約束條件用於將存儲模型與行為模型相關聯。虛擬環境模擬層負責虛擬加油站的交互操作和虛擬對象行為的解釋。
(I)模型層是整個引擎的基礎，三維驅動引擎由模型層開始。其中的存儲模型用來存儲場景資料庫，場景資料庫主要包括三維場景資料庫和事故資料庫。其中三維場景資料庫包括加油站設備基礎信息數據，加油站三維模型數據，日常標準化操作規範數據，加油站事故應急預案數據，消防資源數據和考核知識數據；事故資料庫包括典型事故(洩漏、火災、 爆炸等)數值模擬數據，事故發生過程數據，事故後災害場景數據(設備事故殘骸等)以及事故三維可視化數據。行為模型負責構造虛擬角色的各種行為，包括抓取、移動和旋轉、釋放等操作。約束條件包括虛擬行為與虛擬物體的貼合、貼合偏移、定向和坐標系等，這些約束條件都可歸為點線面之間的位置關係，常用的包圍盒相交判斷主要是為了確定約束識別的範圍及參與導航的約束作用範圍，包圍盒不相交則不進行約束識別。
(2)渲染層是三維驅動引擎的核心，是對模型層的可視化顯示。幾何模型繪製支持的三維模型數據包括*. 3ds和*. max。不但可以對3DS文件進行解析繪製，而已可以利用自主研發的3DS Max數據插件，從3DS Max中直接導出自定義的三維模型格式，支持模型的烘焙或動畫特性，具有良好的兼容性。該模塊主要負責對三維幾何模型數據進行組織、管理與繪製。首先採用漸進網格算法對模型數據進行預處理，對三維模型數據採用R-tree進行索引組織，基於IOCP機制與LRU緩存算法對模型數據進行多線程調度，實現面向加油站三維模型的高效數據引擎。在繪製過程中採用「外存-內存-顯存」間的數據自適應調度技術及顯示列表(Display List)、VBO (Vertex Buffer Object)、硬體遮擋剔除等GPU渲染加速技術，進一步滿足系統高效繪製的需求。光線處理主要負責渲染過程中光照效果模擬。首先，該模塊實時的構建了光照模型。在基本光照模型中，一個物體的表面顏色是放射 (emissive)、環境反射(ambient)、漫反射(diffuse)和鏡面反射(specular)等光照作用的總和。每種光照作用取決於表面材質的性質(例如亮度和材質顏色)和光源的性質(例如光的顏色和位置)的共同作用。該模塊支持多種光源模型，包括平行光、聚光燈、泛光燈等，並可通過調整參數實時查看光照效果。然後基於GPU Shader技術進行光照模擬，Shader程序分為兩種頂點shader和像素shader。通過頂點shader,提供靈活的光照模型計算方法；而像素Shader提供了一種靈活的建立真實光照模型和實現很多特殊效果的方法。紋理處理負責管理和調度虛擬場景的紋理數據。核心是一個紋理管理器(TextureManager)，支持常用的紋理數據格式，包括tga、png、jpg、bmp、dds等。將載入到內存的紋理數據進行解析和信息提取，採用紋理計數器技術管理渲染引擎的公共紋理，避免相同紋理的重複載入， 節省內存、顯存空間。同時，該模塊支持渲染多種GPU紋理特效，結合FBO (Frame Buffer Object)、PBO (Pixel Buffer Object)等顯示緩存技術,對模型紋理進行更加逼真的特效模擬，包括凹凸紋理、光亮特效、AVI視頻等。
(3)虛擬環境模擬層是三維驅動引擎的重要組成部分，負責加油站培訓系統的交互操作。其中碰撞檢測採用基於幾何面的層次式碰撞檢測算法。對加油站模型進行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進式的幹涉判斷。這是一種基於離散點的碰撞檢測方法，這個方法的運算開銷較小，但容易造成物體的交迭過深或者彼此穿越。為了避免這種情況的發生，我們根據經驗模型採用較小的模擬步長進行碰撞檢測。基於幾何面的層次式碰撞檢測算法能夠逐步縮小參與碰撞檢測的範圍，從而對加油站模型進行運算裁剪和優化。該算法能夠有效的彌補傳統碰撞檢測算法對幾何面信息考慮不足的缺點，有效的提高碰撞檢測的效率，而且可以直接返回發生碰撞的幾何面對，為後續的虛擬操作識別提供依據。時間觸發是指在加油站三維系統中的一個任務在某一預先設定的時間上才能運行，事件觸發是指三維系統中的一個任務只有在與之相關的特定事件發生的條件下才能運行，目前很多虛擬實境系統並不能滿足時間/事件混合觸發的要求，本系統通過對任務觸發增加一個調度控制層，利用控制層來管理任務節點的觸發機制，採用的基本原則為時間觸發任務要在預先設定的時間點上開始運行，如果此時有事件觸發任務，那麼該事件觸發任務將優先執行。用戶在漫遊虛擬實境場景過程中對視點的控制，均是攝像機模塊提供的功能支持。相機模塊可對相機視點的空間方位信息進行管理存儲，實現視點在場景中自由漫遊，路徑動畫等操作。同時該模塊也提供了對渲染引擎視景體信息的管理，包含視景體操作過程中需要的控制數據、方法及屬性信息。相機模塊的質量直接影響整個虛擬實境系統的用戶體驗。
圖3顯示了數據手套驅動模塊的操作仿真流程過程，受訓者佩戴帶數據手套和位置跟蹤器進行交互操作，三維驅動引擎模塊採集數據手套和位置跟蹤器的數據，計算手部各個關節的位置和姿態，用計算得到的位置和姿態數據驅動虛擬手(數據手套是硬體，利用數據手套控制虛擬場景中的虛擬手，虛擬手是數據手套在系統中的一種體現或者說是一種存在形式)部各個關節的運動，進行虛擬手與被操作物體之間的碰撞檢測，依據抓取規則判斷虛擬手是否抓住被操作的物體。
(I)操作者根據需要完成的任務，發出操作動作，數據手套測量出人手各個關節的原始數據。1
(2)位置跟蹤器測量出人手在工作空間中的具體位置信息。
(3)數據手套和位置跟蹤器測量的數據通過RS232串口傳送給計算機中生成的虛擬加油站環境，計算機根據所得到的人手運動原始數據計算出虛擬手運動所需要的各個參數，並根據這些參數更新虛擬手在虛擬操作空間中的位置和姿態。
(4)虛擬手與虛擬操作對象(加油站設備和設施)間進行碰撞檢測。如果兩者之間沒有碰撞，進程轉到信息反饋一步；如果兩者之間有碰撞，轉入下一步，及判斷虛擬手與虛擬物體間是否滿足抓取規則。
(5)如果虛擬手與虛擬物體滿足抓取規則，則虛擬物體的坐標系與虛擬手的坐標系連接，即虛擬物體被虛擬手抓取；虛擬物體隨虛擬手一起被平移、旋轉等操作。
(6)如果虛擬手與虛擬物體之間不滿足抓取規則，則判斷虛擬物體是否與虛擬手坐標系連接，若連接，則解除此關係，既虛擬物體被釋放；若不連接，則保持虛擬物體與虛擬手各自的坐標關係，然後將此結果反饋給操作者。
(7)操作者接到反饋消息後，根據操作任務調整手的位置和姿態；
(8)數據手套和位置跟蹤器測量手的位置和姿態信息，並將該信息傳遞給虛擬加油站環境，開始新一輪的操作循環。
圖4顯示了加油站事故虛擬演練的一個實例，系統創建事故場景，受訓者選擇不同的角色進入演練，包括操作人員、班長、消防人員等，不同角色具有不同的視角和任務。 演練開始後，受訓人員操縱虛擬角色開展演練；演練過程中，管理員可以對演練進行幹預操作，虛擬場景能夠做出相應反饋，受訓者可接收到並採取相應對策；演練結束後，系統對演練過程進行記錄，編輯形成演練檔案，可通過與已有預案對比或專家講評考核。
(I)預案和基礎資料庫用來提供虛擬演練所需要的應急預案和基礎信息，其中預案主要包括加油站典型事故(洩漏、爆炸、火災等)的應急處置預案文檔；基礎資料庫包括加油站三維場景模型庫，加油站典型事故(洩漏、爆炸、火災等)數值模擬數據，和事故後災害場景數據(設備事故殘骸等)以及事故三維可視化數據。
(2)預案演練是指按照已有預案在虛擬場景中通過設置事故場景及相關設施開展虛擬演練。
(3)隨機演練主要包括任務設置和場景設置，其中任務設置是指通過設置各種參數，設置在演練場景中發生的災害和突發事件，並可根據時間和事件形式混合觸發下一步操作；場景設置是指可以根據演練需要創建演練環境，設置演練場地的相關信息。
(4)參訓者根據自己的任務選擇不同的角色進行演練，系統提供的角色包括班長、加油員、消防隊員，計量人員和群眾等角色。
(5)實施演練過程中，參訓者根據自己的角色利用數據手套和位置追蹤器等輸入設備與虛擬場景進行交互，完成預案中規定的動作和步驟；群眾可以作為觀摩人員在任意時刻選擇任意視角觀摩真箇演練過程。
(6)記錄模塊主要用以視頻、聲音等多媒體形式記錄演練過程，編輯形成演練檔案。
(7)考核模塊中通過引入專家講評機制對演練過程進行評價和考核，並與已有的預案文檔進行對比，查找演練過程中的不足，並對已有預案進行修改和完善。
所有上述的首要實施這一智慧財產權，並沒有設定限制其他形式的實施這種新產品和/或新方法。本領域技術人員將利用這一重要信息，上述內容修改，以實現類似的執行情況。但是，所有修改或改造基於本發明新產品屬於保留的權利。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種加油站虛擬培訓系統，其包括 三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、事故三維渲染模塊和考試評估模塊； 所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作； 所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為； 所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行； 所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行； 所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景； 所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊。
2.根據權利要求I所述的加油站虛擬培訓系統，其特徵在於 所述三維驅動引擎模塊採用層次化設計方式設計，由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成。
3.根據權利要求2所述的加油站虛擬培訓系統，其特徵在於所述渲染層採用OpenGL作為渲染系統的底層圖形庫，提供對三維幾何模型的生成和渲染工作，進一步包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊； 所述三維幾何模型繪製子模塊主要負責對三維幾何模型數據進行組織、管理與繪製； 所述光線處理子模塊主要負責渲染過程中光照效果模擬； 所述紋理處理子模塊負責管理和調度虛擬場景的紋理數據。
4.根據權利要求2或3所述的加油站虛擬培訓系統，其特徵在於 模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊； 存儲模型子模塊負責構造虛擬加油站的三維造型； 行為模型子模塊負責構造虛擬角色的各種基本行為； 約束條件子模塊用於將存儲模型與行為模型相關聯。
5.根據權利要求2至4所述的加油站虛擬培訓系統，其特徵在於 虛擬環境模擬層負責虛擬加油站的交互操作解釋，其進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊； 所述碰撞檢測子模塊對加油站模型進行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進式的幹涉判斷； 時間/事件觸發子模塊是指通過時間和事件觸發機制來控制系統中的複雜行為，使系統能夠在事先設定好的時限內或按照已設定事件而執行，其中的時間觸發為在加油站三維系統中的一個任務在某一預先設定的時間上才能運行，事件觸發為三維系統中的一個任務只有在與之相關的特定事件發生的條件下才能運行； 攝像機子模塊用於支持用戶在漫遊虛擬實境場景過程中對視點的控制。
6.根據權利要求2至5所述的加油站虛擬培訓系統，其特徵在於所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫，所述加油站基礎資料庫包括加油站基礎信息數據、工藝流程數據、實時運行數據、典型事故模擬數據，所述加油站模型庫包括加油站廠房、裝置及設備立體層次的三維數位化模型，模型與現實場景按照1:1比例構建。
7.一種加油站虛擬培訓系統，其特徵在於，包括 三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、事故三維渲染模塊和考試評估模塊； 所述三維驅動引擎模塊用於接收並處理加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數據手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓系統中的參訓者動作信號，採集數據手套和位置跟蹤器的數據，控制虛擬場景中角色做出對應動作； 所述事故三維渲染模塊實現加油站洩漏、火災和爆炸等事故的虛擬場景，結合有限狀態機算法模擬事故的發展過程機理與動態行為； 所述數據手套驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的數據手套和位置追蹤器的運行； 所述頭盔顯示器驅動模塊用於驅動加油站虛擬培訓硬體裝置中的頭盔顯示器的運行； 所述場景資料庫模塊用於為虛擬培訓提供數位化場景； 所述考核評估模塊包括電子試卷子模塊、自動評分子模塊及情景考核子模塊； 所述三維驅動引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環境模擬層組成； 所述渲染層包括三維幾何模型繪製子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊； 所述模型層包括存儲模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊； 所述虛擬環境模擬層進一步包括碰撞檢測子模塊、時間/事件觸發子模塊和攝像機子模塊； 所述場景資料庫模塊包括加油站基礎資料庫，加油站模型庫，典型災害模型庫。
8.一種加油站虛擬培訓裝置，其特徵在於，包括 計算機終端設備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機、數據手套、與數據手套相連的數據手套用傳感器和位置跟蹤器； 利用所述數據手套和所述位置跟蹤器在虛擬場景中完成虛擬手勢映射，實現對加油站設備的虛擬操作識別，通過虛擬手操作實現對虛擬場景中設備和物體的實時交互，完成逼真實時的人機互動操作； 所述頭盔顯示器配合耳機用以顯示音頻、視頻信號，並感知受訓人員頭部方位，為使用者提供一個沉浸的虛擬環境； 所述數據手套、頭盔顯示器與所述計算機終端設備通過VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
9.權利要求I至7所述的加油站虛擬培訓系統或權利要求8所述的加油站虛擬培訓裝置在化工安全生產中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種加油站虛擬培訓系統，其包括三維驅動引擎模塊、場景資料庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、事故三維渲染模塊和考試評估模塊。本發明的基於硬體交互的加油站虛擬培訓系統，利用數據手套、位置跟蹤器等虛擬實境硬體設備和三維驅動引擎模塊，生成逼真的加油站虛擬場景和典型事故場景，受訓者可以真實地完成標準化操作模擬和事故應急虛擬演練，以提高加油站員工虛擬培訓的真實性和培訓效果。
文檔編號G09B9/00GK102930753SQ20121039472
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者王春, 袁紀武, 翟良雲, 李磊, 劉剛, 孫春媛, 毛文鋒 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院