CS_5可视化建模与仿真

1、建模&仿真1建模与仿真建模与仿真Modeling & Simulation可视化建模与仿真Visualization Modeling & Simulation 曾洪涛曾洪涛武汉大学动力与机械学院College of Hydro Power and Information2012年5月建模&仿真21 可视化建模与仿真的背景2 可视化建模与仿真的要求3 可视化建模与仿真的基础4 可视化建模的方法5 基于可视化模型的水电机组可视化仿真6 数字化建模可视化模型与数字特性模型的有机融合7 可视化模型的应用建模&仿真3参考文献：参考文献：(1)陈燚涛,李朝晖.水轮

2、发电机组三维动态仿真研究.电力系统自动化, 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)王跃武, 李朝晖, 陈燚涛. 面向检修的水电厂设备技术资料多媒体管理系统. 水电自动化与大坝监测, 2003,2

3、7(2):66-69 (4)陈燚涛, 李朝晖. 面向检修的水电设备数字化建模. 电力系统自动化. 2005，29(7):79-83 (5)陈燚涛, 李朝晖. 基于数字化模型的水轮机调速系统状态监测与分析. 电力系统自动化.2005,29(9):72-76 (6)钟登华等,可视化仿真技术及其应用.水利水电出版社,2002年,TU7-39(7)费广正等,可视化OpenGL程序设计.清华大学出版社,2001,TP391.41(8)Daniel Tkach,可视化对象建模技术.科学出版社,1999,TP311 相关知识：相关知识： 虚拟现实，SolidWorks，3Dmax，Flash，3DFlash

4、，SpinFire等。建模&仿真4(1)应用专业背景对象专业知识(2)画法几何空间想象能力(3)机械制图工程习惯通识(4)计算机图形学实现方法及手段(5)美术常识形象、美观的表达方式建模&仿真51 可视化建模与仿真的背景1.1 可视化的历史背景及正式提出可视化的历史背景及正式提出*研究表明，人类获得的关于外在世界的信息80%以上是通过视觉通道获得的。 -“百闻不如一见”-“一图胜过千言”-作为千百年来文明载体的“图书”，“图”是在“书”前的！ *今天，设计图是借助纸张的媒介表达创意，工程图是现代工业生产的依据。 建模&仿真6*“Visualization”一词, 来自英

5、文的“Visual”,原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为贴切。*事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。*作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）召开的一个专题研讨会上。*研讨会后发表的正式报告给出了科学可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。这标志着“可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。 1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真7科学可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为

6、图形、图象，以直观的形式表示出来。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。 1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真81 可视化建模与仿真的背景实现科学可视化技术的意义重大: （1）大大加快数据的处理速度， 使目前每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用。 （2）实现人与人和人与机之间的图象通讯，从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。 （3）使科学家不仅被动地得到计算结果，而且知道在计算过程中发生了什么现象，并可改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。 （4）可提供在计算机辅助下的可视化技

7、术手段， 从而为在网络分布环境下的计算机辅助协同设计打下了基础。 总之，科学可视化技术的发展将使科学研究工具和环境进一步现代化，从而使科学研究的面貌发生根本性的变化。建模&仿真91.2 可视化建模与仿真的背景可视化建模与仿真的背景1. 系统仿真的发展趋势之一系统仿真的发展趋势之一系统仿真经历了模拟仿真、混合仿真和数字仿真三个阶段后，随着仿真系统的进一步完善，仿真技术已经成为系统全生命周期4个阶段(论证、设计、实现与运行)中重要的技术手段和工具。系统仿真有以下发展趋势：分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation)面向对象仿真(Object Orie

8、nted Simulation)多媒体仿真(Multimedia SimulationMS)智能仿真(Intelligent SimulationIS)1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真10多媒体仿真技术 不是仿真技术与多媒体技术的简单结合, 多媒体仿真是一个自成体系的研究领域, 其特点是：(1) 对象模型属性的多媒体化(2) 仿真模型的二重性(系统模型和表现模型)(3) 抽象时空与形象时空的一致性(4) 人的感官和思维活动进入仿真回路中1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真111 可视化建模与仿真的背景2. 信息表达的需要信息表达的需要(1) 传统信息表达方式：传统信息表达方

9、式： 数字、曲线、文字、模拟表计等缺点：数据表现形式匮乏信息可理解性差资源迷向和信息过载人类主观思维差异导致信息 “不准确”建模&仿真12(2) 多媒体信息表达方式：多媒体信息表达方式： 可视化模型、图形、图像、声音等 优点：信息表现形式多样化信息可理解性强可以减少或消除人类主观思维的差异信息集中度强1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真133. 工程应用领域的需要工程应用领域的需要(1)工程工程设计设计a. 外观设计 飞机、汽车外形设计。b.流体曲面设计 水轮机叶片流线设计。c.大型系统工程的规划、设计 数字流域、数字城市。如产品设计中，特别是机械产品设计中，可能会出现尺寸干涉

10、或其它缺陷，优秀的产品设计师也不可避免有疏忽的时候，有时候某一个微小的疏忽可能导致严重的后果，轻则造成产品报废、重则造成重大损失。1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真14(2)(2)产品制造产品制造 虚拟制造技术、数字加工技术的发展已经摈弃传统产品加工模式，获得了高性能、高质量的产品(3)(3)产品测试产品测试 虚拟测试仿真、仿真试验(如汽车碰撞试验、核弹爆炸试验、火箭发射试验等)不仅在一定程度上节省了成本，也减少了人类的劳动强度和危险性。1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真15(4)教育、培训仿真教育、培训仿真 传统的教育培训方式是书本教材或“师傅带徒弟”方式，一方面受训者无

11、法直接面对真实对象，从而影响了培训的难度和效果；另一方面实践经验知识只能靠受训者在实践中去体会，随着掌握经验知识人员的离去，直接导致一项技能的消失或“锯齿”状的发展。 为了让受训人员在“真实”的对象环境条件下了解对象的结构和特点，进而掌握对象的运行原理，达到在形象直观的虚拟物理空间中真实感知对象、掌握相关技能，需要给受训者营造一个形象直观的虚拟环境。 1 可视化建模与仿真的背景建模&仿真166.1 可视化建模与仿真的背景4. 娱乐行业的发展娱乐行业的发展突出表现在游戏行业、动画领域的飞速发展。5.5.医疗发展的需要医疗发展的需要医疗康复等非药物性治疗的手段之一。* 可视化建模与仿真的实

12、例介绍:-水电机组可视化建模与仿真-三峡工程可视化建模与仿真-水电维护系统的可视化建模与仿真建模&仿真171 可视化建模与仿真的背景建模&仿真182 可视化建模与仿真的要求2.1 可视化建模与仿真研究的内容可视化建模与仿真研究的内容 可视化建模与仿真的研究主要分为两大部分，可视化建模与仿真工具的研究和可视化建模与仿真应用的研究。重点是有关可视化模型的内涵，即可视化过程的组成内容，包括： （1）数据预处理：可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种多样的，这一步将各种各样的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式。 （2）映射：映射就是运用各种各样的可视化方法对数据进行处理，提取出

13、数据中包含的各种科学规律、现象等，将这些抽象的、甚至是不可见的规律和现象用一些可见的物体点、线、面等表示出来的。 建模&仿真192 可视化建模与仿真的要求（3）绘制：将映射的点、线、面等用各种方法绘制到屏幕上，在绘制中有些物体可能是透明的，有些物体可能被其他物体遮挡。（4）显示：显示模块除了完成可视信息的显示，还要接受用户的反馈输入信息，其研究的重点是三维可视化人机交互技术。 建模&仿真202.2 2.2 可视化建模与仿真的要求可视化建模与仿真的要求1. 充分了解建模对象充分了解建模对象建模对象就是我们的研究对象，对研究对象专业基础知识的掌握程度是可视化建模的关键。包括以下内容

14、：对象的原理对象功能对象结构2 可视化建模与仿真的要求建模&仿真212. 工程习惯及通识工程习惯及通识良好的工程习惯及全面的工程通识是可视化建模的基础工程习惯决定了建模的速度和可视化模型表达的意义工程习惯指的是工程制图方面的习惯性规定。如：基准的选择尺寸的标注工程通识决定了模型的可理解性工程通识指的是工程领域内约定俗成的表达方式。 如：颜色的渐变可以形象表达温度场、应力场等矢量箭头能直观表达气流、水流等流场特性2 可视化建模与仿真的要求建模&仿真223. 可视化模型的表达手段可视化模型的表达手段可视化模型的表达手段具有多样性，没有严格的工程规定，但应该遵循以下原则：用尽量少的表

15、达方式包含尽量多的状态信息。常用表达手段有： 二维图形、图像 图表、原理框图 三维实体模型 矢量箭头 颜色处理 透明度处理 .2 可视化建模与仿真的要求建模&仿真234. 可视化模型表达的效果可视化模型表达的效果可视化模型要求最大程度地相似于模型对象。相似性表现在以下几个方面：1）外形相似外形一目了然，具有直观感2）原理相同 运动过程逼真，具有形象感3）环境类似 模型外在环境表达确切，具有真实感4）表象一致特定条件下的表象等同于实际过程，具有沉浸感2 可视化建模与仿真的要求建模&仿真243.1 对象知识的准备对象知识的准备- -数据预处理数据预处理 对象知识指的是仿真对象在设计

16、、制造、安装、运行、维护和管理过程中各种参数、技术档案和专家知识经验的总称。对象知识的完整性直接决定了对象可视化建模的效果。1). 对象知识的获取 从知识存在的载体出发，对象知识可分为有形知识和无形知识。有形知识指的是以图形、图像或文字等方式存在的知识；无形知识指的是实际专家脑子里存在的经验知识。 有形知识获取：直接、全面 无形知识获取：难度大 3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真252). 对象知识分析 对象知识分析是对对象知识的组织和加工，一般包括对象层次分析和对象知识分类。 对象层次分析： 对象层次划分的原则是根据对象各组成部分的功能和物理结构特征按功能、结构和隶属关系进行分层分

17、级，逐级划分直至最小功能单元。 对象层次划分是可视化建模的关键，后续的可视化建模过程及可视化仿真都是以这个层次结构为基础的。电厂对象层次划分：电厂层机组层系统层子系统层设备层单元层模块层元件层 3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真26 3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真273 可视化建模与仿真的基础结构知识是与对象结构特征相关的知识，包括对象的物理组成结构、物理连接关系、结构特点、几何特征、物理特征、物理运动范围、空间拓扑关系等。功能知识是与对象功能特征相关的知识，主要包括对象功能、运行原理、运行特征参数、输入和输出参数、运行性能指标、保持对象功能的特征参数的阈值等。统计知识

18、就是与对象运行寿命相关的各种统计数据，包括制造时间、仓储时间、安装时间、投运时间、维修时间、设计使用寿命、测试使用寿命、实际使用寿命等。故障知识就是与对象故障和维护相关的知识，包括设计、制造、安装、使用和维护领域内所有与对象相关的信息和专家知识。 3）对象知识分类： 结构知识、功能知识、统计知识、故障知识建模&仿真283.2 对象知识的表达对象知识的表达- -映射映射对象知识表达要达到三个主要目的： 其一，对象知识表达形式便于计算机存储和识别； 其二，对象知识表达方式便于使用人员理解，方便用户查询； 其三，对象知识的表达形式便于对象知识本身的维护和更新。 3 可视化建模与仿真的基础建模

19、&仿真291). 对象层次知识的表达设备层次编码采用字符串的方式，每一位分别用0-9表示，其中0作为保留字不分配给任何具体设备，从而形成层次结构标志。这种编码方式既有利于设备层次关系的存储，又有利于层次关系的识别和查询。 3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真302). 对象结构知识的表达结构知识属于非编码型知识，采用可视化模型的方式来表达设备结构知识。 3 可视化建模与仿真的基础可视化建模关心的是对象的几何外形、物理特性和运行原理，针对不同类型对象有不同的可视化建模方法 对象分类及可视化建模方法：外形确定型对象实体真实造型法外形准确定型对象实体似然造型法外形不确定型对象图形、图

20、像法建模&仿真31a. 外形确定型对象是指具有一定几何尺寸外形和明确可观察、可测量物理特征，在设备维护工作中需要单独维修或更换，能取得详细结构图纸资料的设备，如调速系统中的所有机械设备、部分液压阀和重要的一次电气设备等。b. 外形准确定型对象是指除了不能获得详细图纸资料以外具有确定型设备所具有的一切特征的设备，如部分液压阀和液压管路，部分一次设备，电气柜等。c. 外形不确定型对象指的是具有几何外形的不确定性和多样性，使用过程中人们更关注其定量运行特征，维护过程中不单独维修或更换的设备，如所有的电子设备、部分一次电气设备等。3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真323). 对象功能

21、知识的表达 结合对象结构知识进行，功能和运行原理可采用可视化仿真的方式形象生动的描述出来，也就是可视化模型的数据驱动。4). 对象统计知识的表达 对象统计知识是设备性能评估和寿命评估的一个重要依据。 5). 对象故障知识的分析与表达两种分析方法：FMECA：设备失效模式、影响及其危害分析表FTA：设备故障树分析图 采用故障可视化建模与故障状态可视化仿真3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真333.3 可视化建模工具选择可视化建模工具选择- -绘制绘制3 可视化建模与仿真的基础为了对外形确定型、外形准确定型和外形不确定型三种类型的对象进行可视化建模，通过对市场上现有的可视化建模工具进行了充

22、分的调研，最后将视线集中在以下集中建模工具上：普通二维建模工具：如AutoCAD和Protel等三维建模工具：如3Dmax、SolidWorks、SolidEdge、I-Deas、OpenGL等。建模&仿真343 可视化建模与仿真的基础1)OpenGL是微软最近几年推出的一种可视化建模工具，它是基于软件编程方式进行建模的一种工具。 针对每一个零部件我们必须知道其确切的几何尺寸，选定一个原始坐标，取得每个点的坐标，然后用程序语言来进行绘图，绘制出框架模型后再用程序语言来对模型进行贴图、上色和表面纹理处理。缺点：建模比较复杂，表面复杂对象算法相当复杂模型的可维护性较差对建模人员要求高建模周

23、期长模型重复利用率低 建模&仿真353 可视化建模与仿真的基础2)3Dmax是目前比较流行的应用比较广泛的一种三维图形制作工具，它在目前游戏软件开发中应用比较广泛。特点：a.只注重其表面渲染的视觉效果，可以绘制出外形逼真的物体，但是其尺寸、内部结构和物理特征无法详细描述b.不进行任何物理结构和拓扑关系的检查c.其建模过程简单，一般只要取得照片资料就可以做出外形逼真的三维模型 将其应用于部分外形准确定型和不确定型对象的可视化建模十分有效。 建模&仿真363)SolidWorks、SolidEdge和I-Deas这三种三维建模工具目前在工程领域的应用比较广泛。后两者是基于工作站硬件

24、环境的工具软件，对硬件设备的要求比较高，所以最后我们选择了SolidWorks这种基于PC机的三维建模工具。 通过对这几种工具的优缺点进行比较，最后选择了用Solidworks建立外形确定型和部分外形准确定型对象可视化模型，用3Dmax建立外形准确定型对象可视化模型，用AutoCAD或Protel等建立外形不确定型对象工作原理的可视化模型。3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真373 可视化建模与仿真的基础3.4 可视化建模工具介绍可视化建模工具介绍主要介绍SolidWorks建模工具。SolidWorks建模方法简单，建模过程类似于实际机械生产加工过程，用户只需要具备简单的机械常识就可

25、以在此平台下建立出图像精美、尺寸正确的三维模型，它具有以下特点： 1). 准确的几何尺寸2). 形象逼真的外观效果建模&仿真383). 装配体零部件模型的任意隐藏与显示4). 三维零部件模型的任意剖视5). 三维模型和二维工程图纸之间的相互转化6). 几何尺寸的标注和检查7). 几何特征和物理特征的自动计算8). 简单预定路径动画制作3 可视化建模与仿真的基础建模&仿真394 可视化建模的方法4.1 可视化建模准备可视化建模准备 前期现场调研，了解设备的实际结构和现场装配特征，提取设备颜色、结构等外形信息 例如：2001年12月到2002年3月期间，刚好是大江电厂的18号机组扩

26、修期间，这是一个了解机组结构和装配工艺的一个很好的契机，于是我们分专业派人在扩修现场进行了为期三个月的实习，在此期间我们获取了3000多张现场照片和100多分钟的录像资料，这些资料中包含了足够的设备颜色、结构等外形信息，为后一阶段的机组设备可视化建模打下了良好的基础。 建模&仿真404 可视化建模的方法4.2 可视化建模对象分析方法可视化建模对象分析方法1对象结构分析 对象分析从对象结构层次分析开始，对象分层的原则是从对象的功能出发，兼顾结构和相互连接关系对对象进行有序的层次划分。首先将对象依照各组成部分功能的不同划分为多个功能单元，然后根据功能单元的构造特点继续划分成多个结构单元，最

27、后根据结构单元的可维护性划分至最小的模型单元(如零件)。 建模&仿真414 可视化建模的方法建模&仿真424 可视化建模的方法水轮机调速系统层次分析建模&仿真43 主接力器结构分析层次分析运动关系分析：活塞组件是主接力器的关键功能部件，其他部件都是为了完成主接力器运动的辅助结构部件。运动关系就是活塞组件沿着主接力器缸体直线运动，从结构的角度看，运动的范围是接力器缸体的有效长度。4 可视化建模的方法建模&仿真44空间拓扑分析：主接力器安装在水轮机支持盖上，其分油器侧通过圆柱销固定在支持盖的安装孔上；推拉杆侧通过圆柱销铰接在控制环上，主接力器内部的连接关系如上图所示

28、。失效模式分析：从接力器的结构特点和功能来看，主接力器最有可能出现的失效包括：活塞环磨损或破损(引起主接力器两腔窜油)密封组件破损或推拉杆磨损(接力器液压油外漏)推拉杆弯曲或活塞与活塞环之间夹杂杂质(推拉杆拒动或卡阻)其它故障还包括缸体密封损坏(漏油)等4 可视化建模的方法建模&仿真454 可视化建模的方法2对象特性分析特性分析是在对象结构分析基础上，从对象的功能和性能的角度出发，分析对象内部及外部的定量特征。对象特性分析从对象各组成部分之间以及设备整体与外界设备之间的连接特征开始，主要包括他们之间的能量流和信息流的连接与转换方式。特性分析包括以下内容：连接关系分析 运动原理分析输入输

29、出分析故障模式分析建模&仿真46调速系统连接关系分析4 可视化建模的方法建模&仿真47主接力器主要故障模式分析：故障模式故障原因相关参数特征参量概率两缸窜油活塞环磨损或破损两缸压力活塞环与缸体之间的间隙较高向外漏油密封组件损坏或推拉杆磨损有杆侧油腔压力推拉杆与密封组件之间的间隙高推拉杆拒动或卡阻推拉杆弯曲或活塞与缸体间有杂质两缸压力推拉杆位移推拉杆运动阻力一般4 可视化建模的方法建模&仿真484.3 对象可视化建模方法对象可视化建模方法可视化建模技术是一种基于图形和虚拟现实技术的建模方法，是在对对象结构和物理特征的研究基础上采用相应的工具建立对象的可视化模型，可以实现不

30、打开实际设备的前提下监视对象内部的运行过程、不拆开实际设备的前提下了解对象的内部结构等功能。可视化建模分为两个步骤：对象零部件建模对象可视化模型的装配。下面以主接力器为例来介绍设备可视化建模过程。 4 可视化建模的方法建模&仿真494 可视化建模的方法1)零部件建模(最小单元建模)最小单元可视化建模过程中需要遵循以下原则：a.基准原则，包括装配基准和视觉基准。为了简化零部件模型装配过程、保证可视化模型的视觉效果，需要合理选择建模原点位置、坐标系和基准面。建模&仿真50装配基准决定了可视化建模的坐标原点视觉基准决定了可视化建模的坐标系4 可视化建模的方法建模&仿真51b.

31、简化原则。在保证零部件外观效果的情况下，可采取适当简化措施：尽量忽略维护中不关心的设备细节。这样可以提高可视化模型的使用过程中的显示速度，减小计算机的性能开销。细节忽略 形状简化 标准件简化c.整体原则。对于维护中作为整体单元更换、且运行中与其它零部件无相对运动的部件，在不影响部件外观效果的前提下，尽量作为整体建模，以减小模型使用中对计算机性能的开销。 4 可视化建模的方法建模&仿真52在取得主接力器的设计蓝图或测量取得每个零部件的尺寸和形状信息，熟悉主接力器各零部件实际颜色和材质的前提下，根据以下步骤进行建模： a.选择零部件建模的原点、坐标系和基准面，如活塞的建模原点选择在活塞的几

32、何中心位置，选择厚度方向为x坐标，由于圆形外形所以无基准面的选择问题；b.采用SolidWorks软件对每个零部件进行三维实体几何造型，几何造型中注意细节的简化，如推拉杆的螺纹，如果按照实际尺寸造型，整个推拉杆模型文件的大小将增加3倍，因此在保证推拉杆螺纹视觉效果的前提下，可采用夸张方式，夸大螺纹的螺距和牙形进行建模；4 可视化建模的方法建模&仿真534 可视化建模的方法c.在SolidWorks软件中然后根据每个零部件的真实颜色和材质进行渲染，为了区分装配体中零部件的界限，颜色可进行适当调整；d.根据零部件的物理特征，赋予每一个零部件进行物理性质，如零部件密度、粘度、表面纹理等。 a

33、) 活塞 b) 推拉杆 建模&仿真542)可视化模型装配4 可视化建模的方法 对象可视化模型装配是建立在对象真实物理结构基础上，按照设备层次进行的，如主接力器装配就是先对主接力器活塞组件等进行装配，最后进行接力器整体装配。可视化模型装配包括以下步骤： a.基准零部件选择：每个装配单元只有一个基准零部件，它是固定的，其它零部件都是以它为参考进行装配和运动的。如在活塞组件中选择活塞作为基准零件，在主接力器中选择缸体作为基准零件。建模&仿真554 可视化建模的方法b.约束关系定义：完全固定一个物体需要定义三个无关的约束。对于无相对运动的零部件采用三个约束关系与基准零部件进行完全约束；

34、有相对运动的则只定义部分约束，保留运动特征，如活塞组件不约束其相对缸体的直线运动。c.运动范围限制：采用碰撞检测和位置限制技术可将运动部件限制在其允许的范围，如可以限制活塞组件的运动范围是0到900mm。d.可视化模型后台运动端口定义 ：主要包括设备的安装和拆卸过程、正常过程和故障发生过程等动作过程数据输入端口的确定。建模&仿真56 a) 活塞组件 b) 主接力器 装配完成的活塞组件和主接力器可视化模型4 可视化建模的方法建模&仿真57运动部件：运动部件：发电机转子、推力头、永磁机转子、上端轴等运动输入：运动输入：机组转速运动方式：运动方式：绕机组轴线旋转u 发电机可视化模型4

35、 可视化建模的方法建模&仿真58u 发电机可视化建模中的简化装配体简化为零件 装配过程的简化处理无简化1.834秒/帧加装2个磁极，其他以简化模型代替0.497秒/帧加装1个磁极，其他以简化模型代替0.335秒/帧4 可视化建模的方法建模&仿真595基于可视化模型的水电机组可视化仿真 所谓可视化仿真就是采用可视化模型，结合适当的数据、文字、颜色和矢量迹线等其他表达方法来模拟对象的物理运动、健康状态、维护方法等。 5.1水电机组运行过程可视化仿真 u 水电机组的物理运动类型a.机械运动 b.电磁类参数变化 c.流体运动 d.温度场变化u 机械运动可视化仿真a.三维实体模型仿真b.

36、图像帧格式仿真maxminmaxLYP可视化仿真精度建模&仿真60u流体运动过程仿真 流体的运动过程仿真一般采用矢量迹线(vector path line)与箭头表示法相结合的方法来仿真流体运动的轨迹、速度和方向。 5 水电机组可视化仿真建模&仿真61u温度场可视化仿真 温度场的数据变化一般采用颜色的变化来仿真温度值的大小，即在数据与颜色之间建立一个映射关系，把不同的数据映射为不同的颜色。 5 水电机组可视化仿真建模&仿真625.2水电机组故障状态可视化仿真 u水电机组设备故障类型 (1)软件故障。如控制软件中的Bug、不合理的控制参数等。(2)设备状态突变。 (3)设

37、备结构破坏。(4)设备形状变化。 (5)设备物理特性改变。5 水电机组可视化仿真建模&仿真635.3水电机组维护过程可视化仿真 提供一个通用的可视化仿真平台，实现水电机组设备检修规程提供一个通用的可视化仿真平台，实现水电机组设备检修规程和专家维护经验知识的模拟和仿真。和专家维护经验知识的模拟和仿真。 其目的是保存维修方法和经验、进行人员培训、对实际维护过其目的是保存维修方法和经验、进行人员培训、对实际维护过程的在线指导。程的在线指导。5 水电机组可视化仿真建模&仿真646.1 数字化建模定义 定义：数字化建模就是在设备分析的基础上，采用可视化建模技术建立对象可视化模型，采用分布

38、式物理图网建模方法建立对象全状态数字特性模型；通过信息关联技术将对象可视化模型与对象全状态数字化模型的信息关联起来，使得计算机能自动识别设备物理结构、辨识设备运行状态和健康状态、反映设备故障机理。 6 数字化建模可视化模型与数字特性模型的有机融合建模&仿真651. 数字化建模的基础对象分析技术 对象分析技术是仿真建模的技术基础。传统的仿真建模过程一般是从分析实际对象的物理功能、运动原理和运行规律开始，经过大量的假设和推论，从对象功能的角度出发，研究其总体物理运动方程和限制条件，在此基础上再经过抽象和简化，以传递函数、状态方程等形式来描述对象的运动特征。这种建模方法存在以下缺点：1）建模

39、过程只是从设备总体功能出发进行分析，而对设备的物理结构分析较少，模型反映的是以建模对象设备为单元的总体运动和功能，很难反映对象本身的内部运动过程；6 数字化建模建模&仿真662）没有或很少考虑建模对象的故障特性，模型无法反映设备部件的失效模式、故障机理及故障表征；3）模型本身的描述方法抽象，模型可理解性差、物理意义不明确；4）模型不能明确反映对象非线性特征，更无法表达各种定性的非数据信息，因此不能反映对象的全状态特性。6 数字化建模建模&仿真67传统的建模主要从对象功能作用出发，很少考虑对象的物理结构。实际上，对象所具有的功能作用是设备物理构成的外在表现，功能作用对设备物理构成的影响是设备设计阶段要考虑的问题。设备数字化建模过程充分认识到设备物理构成对设备建模同样起到关键的作用，因此将设备物理构成和功能作用放到同等地位来考虑。 6 数字化建模建模&仿真68对象分析主要包括：面向对象物理构成的结构分析和面向对象功能和性能的特性分析 项目内容物理结构分析 对象结构层次、几何关系和结构特性分析等运动关系分析 对象功能单元的运动原理及其运动范围分析空间拓扑分析对象的安装位置、安装方法及其各组成部分间的连接关系分析失效模式分析 故障发生时各组成部分之间的反应及其对外部的影响分析结