一种基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统构建方法

技术领域

本申请涉及虚拟仿真技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统构建方法。

背景技术

钢铁生产涉及大量复杂的材料和能量的转移和转化过程，这一过程产生的海量信息对于钢铁冶金行业的生产参数校正、技术决策和人员培训等具有重要作用。因此，过程可视化和虚拟仿真技术已成为钢铁冶金行业的研究热点，可大大提高生产效率和技术水平。

虚拟现实技术是集计算机图形学、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术和仿真技术于一体的一种新型可视化和人机交互技术。虚拟现实技术已经在各种领域得到广泛应用，包括钢铁制造业。目前，钢铁冶金行业的可视化仿真系统主要包括两种思路：一种是对钢铁冶金过程的三维重建，并展示实时生产数据，通过三维场景和数据可视化直观地了解钢铁生产的整个过程；另一种是结合数学模拟模型，对钢铁冶金生产中的典型过程或变化进行推演。然而，这两种系统都存在一定的缺陷：第一种系统虽然能够直观地展示生产过程和数据，但是缺乏针对冶金生产过程的仿真模型，不能对冶金生产过程进行推演；第二种系统则往往只针对某些冶金部件或某些过程进行建模，难以直观地展示整个生产流程。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统构建方法，以解决钢铁冶金过程三维可视化及虚拟仿真问题，该发明具有实施简单方便、可实施性高的特点。该发明可应用到钢铁行业的生产过程参数校正、决策技术支持、人员培训和过程可视化等场景中。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统构建方法，包括如下步骤：

步骤一，冶金生产过程的三维可视化建模，可视化过程分为建模、渲染、动画、编程和生成，通过接入预处理的实际生产数据，完成现场生产的数字孪生过程，形成闭环控制和监控，

步骤二，冶金生产过程的虚拟仿真建模，基于流体动力学或离散事件模拟引擎，构建三维可视化虚拟仿真模型，并实际生产数据转换为该虚拟仿真模型可以识别和使用的数据，实现三维可视化虚拟仿真模型的集成。

冶金生产过程的三维可视化建模包括以下步骤：

配套软硬件准备，采用典型的软硬件平台，配备主流VR硬件，完成整个系统研发环境的构建；

可视化建模工作，可视化过程分为建模、渲染、动画、编程和生成；

建模：根据轮廓或包络面对真实世界中的对象进行建模；

渲染：对建立的模型进行感官模拟，以再现大脑对真实物体的印象，主要通过材质、透明胶片、地图和特效；

动画：静态模型的动画；

编程：灵活调用静态模型或动画演示，包括选择性动作触发条件设置、角度选择和跟进以及对象参数设置；

生成：生成完整场景。

接入预处理的实际生产数据包括以下步骤：

数据采集：通过传感器、监测设备实时采集生产现场的数据；

数据清洗：对采集到的原始数据进行去噪、去重、异常值处理、数据对齐等操作，确保数据的准确性和完整性；

数据转换：将清洗后的数据转换为可供可视化系统使用的格式；

数据存储：将转换后的数据存储在数据库或文件中，以便可视化系统能够直接读取和使用这些数据；

数据渲染：对存储后的数据进行渲染，生成三维可视化效果，使用户可以通过图形界面观察实际生产过程；

数据动画：对渲染后的数据进行动画处理，形成生动的可视化效果，展示实际生产过程的动态变化。

冶金生产过程的虚拟仿真建模包括以下步骤：

设计了流体动力学或离散事件模拟引擎，引擎主要实现基本逻辑级流体动力学或离散事件模拟功能；

建立了三维可视化仿真模型，在仿真引擎的基础上，建立了符合实际生产情况的视景真模型，模型应包括影响生产状态的所有相关资源、设备和人员，为关键设备模型建立数据接口，并嵌套基本仿真逻辑程序；

对生产数据进行预处理，将现场的实际生产数据转换为可视仿真模型可以识别和使用的数据；

将预处理后的生产数据导入到可视化仿真模型中，以模拟实际生产情况进行可视化生产，仿真结果验证了可视化仿真模型的准确性。在此基础上，对可视化仿真模型进行了改进和优化，直至满足仿真条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的通过以上步骤，可以获得与真实世界高度一致的三维可视化仿真平台，并可以在该系统上进行各种实验。通过控制可视化仿真系统中的运行时钟，我们可以在短时间(例如一小时)内模拟现实世界中一年或更长时间的实际生产情况。通过使用历史事件的概率分布，系统可以模拟随机事件的发生，并捕捉到现实世界中可能发生但尚未发生的重要事件。同时，通过改变视景仿真系统的相关重要参数，如设备的生产时间和故障概率，可以知道生产系统变化时生产效率、生产质量和生产故障的变化。

本发明的优点与积极效果在于：

本发明搭建的系统创建一个逼真的虚拟环境，通过视觉、听觉、触觉等感知行为来创建一种强烈的沉浸感体验，并与虚拟环境交互，引起实时变化。

本发明搭建的系统针对不同冶炼需求对工艺流程进行具体而详细的模拟，为操作员或学生提供工艺流程、系统和设备性能、设备安装等方面的培训，从而有效降低冶炼成本和实际操作风险。

本发明搭建的系统集科研、教学、生产于一体，为企业的生产和安全管理提供了有力支持。

本发明具有较好的推广价值，可在更多的相似的应用场景进行推广应用，给用户良好的应用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例一整体应用框架图；

图2是本发明实施例一可视化仿真平台实现流程图；

图3是本发明实施例一炼铁过程(a)、炼钢过程(b)、热轧过程(c)和冷轧过程(d)的三维可视化示意图；

图4是本发明实施例一物料平均周转时间的模拟流程图；

图5是本发明实施例一系统优化流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参阅图1，本申请实施例提供一种基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统构建方法，包括如下步骤：

步骤一，冶金生产过程的三维可视化建模，可视化过程分为建模、渲染、动画、编程和生成，通过接入预处理的实际生产数据，完成现场生产的数字孪生过程，形成闭环控制和监控，

步骤二，冶金生产过程的虚拟仿真建模，基于流体动力学或离散事件模拟引擎，构建三维可视化虚拟仿真模型，并实际生产数据转换为该虚拟仿真模型可以识别和使用的数据，实现三维可视化虚拟仿真模型的集成。

冶金生产过程的三维可视化建模包括以下步骤：

配套软硬件准备，采用典型的软硬件平台，配备主流VR硬件，完成整个系统研发环境的构建；

可视化建模工作，可视化过程分为建模、渲染、动画、编程和生成；

建模：根据轮廓或包络面对真实世界中的对象进行建模；

渲染：对建立的模型进行感官模拟，以再现大脑对真实物体的印象，主要通过材质、透明胶片、地图和特效；

动画：静态模型的动画；

编程：灵活调用静态模型或动画演示，包括选择性动作触发条件设置、角度选择和跟进以及对象参数设置；

生成：生成完整场景。

接入预处理的实际生产数据包括以下步骤：

数据采集：通过传感器、监测设备实时采集生产现场的数据；

数据清洗：对采集到的原始数据进行去噪、去重、异常值处理、数据对齐等操作，确保数据的准确性和完整性；

数据转换：将清洗后的数据转换为可供可视化系统使用的格式；

数据存储：将转换后的数据存储在数据库或文件中，以便可视化系统能够直接读取和使用这些数据；

数据渲染：对存储后的数据进行渲染，生成三维可视化效果，使用户可以通过图形界面观察实际生产过程；

数据动画：对渲染后的数据进行动画处理，形成生动的可视化效果，展示实际生产过程的动态变化。

冶金生产过程的虚拟仿真建模包括以下步骤：

设计了流体动力学或离散事件模拟引擎，引擎主要实现基本逻辑级流体动力学或离散事件模拟功能；

建立了三维可视化仿真模型，在仿真引擎的基础上，建立了符合实际生产情况的视景真模型，模型应包括影响生产状态的所有相关资源、设备和人员，为关键设备模型建立数据接口，并嵌套基本仿真逻辑程序；

对生产数据进行预处理，将现场的实际生产数据转换为可视仿真模型可以识别和使用的数据；

将预处理后的生产数据导入到可视化仿真模型中，以模拟实际生产情况进行可视化生产，仿真结果验证了可视化仿真模型的准确性。在此基础上，对可视化仿真模型进行了改进和优化，直至满足仿真条件。

本发明的基于虚拟现实的钢铁冶金过程三维可视化与仿真系统，整体应用框架如图1所示，可视化仿真平台实现如图2所示。结合某钢厂冶金库存全过程三维可视化仿真系统实现过程来说明实现步骤。

基于三维可视化技术和虚拟仿真技术，建立了炼铁、炼钢、热轧和冷轧在内的钢铁冶金企业全过程三维可视化仿真平台，如图3所示。在钢铁企业生产物流数据分析和优化方案的基础上，结合多维链接可视化技术，实现了高炉生产和配送的三维仿真模型。结合虚拟现实实时调度与监控技术的研究，实现了冶金库存全过程三维可视化。其输入数据和仿真逻辑如下。

(1)仿真模型的输入数据。

仿真模型输入数据的选择很重要。一方面，必须显示实际生产的所有细节。另一方面，必须避免导致选择许多对生产结果没有直接影响的无用数据的细节。因此，选择仿真模型的输入数据需要对仿真对象的生产过程、生产环境和生产结果进行深入研究。通常选取企业过去六个月或一年的相关数据进行分析和筛选。此外，生产现场记录的许多实际生产数据无法直接应用于仿真模型。因此，必须进行适当的操作，如概率统计、测量单位的统一和数据清理，以确保数据真实、可靠和可收集性。以钢铁冶金全过程可视化仿真模型为例，分析生产数据的相关性，选择直接影响生产结果的相关数据作为模型的输入数据，如表1所示。鉴于仿真模型的目标不同，仿真模型的输入数据没有固定的形式和内容，因此需要根据每个仿真模型的仿真优化逻辑进行定制。

表1视景仿真模型输入数据的案例研究

(2)模拟物料平均周转时间的逻辑结构。

如上所述，输入数据的选择取决于模拟优化的逻辑。基于历史生产业绩，本发明模拟了仓库区域内材料的平均周转时间，包括板坯仓库、热轧材料仓库和酸洗材料仓库。如果仿真模型的输出与实际生产结果的匹配率超过95％，则认为仿真模型是真实可靠的。因此，本发明可以根据需求优化仿真模型的过程，并根据优化仿真模型的输出结果进行可行性分析。根据实际生产输入数据的未来变化，该模型还可以模拟未来的生产结果(例如，根据模拟未来固定周期的模拟结果)，获得不同攻丝标记、等级、成球方法、厚度组间距的物料的平均周转时间，以及所有物料的物料周转时间，并根据实际捆包周期表和热轧维修时间修复统计值。对于任何材料，根据其加工路径确定所需的仓库面积，并根据平均周转时间计算结果，估计材料通过仓库的进出时间。最后，估算了各库区的物质分布和库存；通过了解库区的未来情况和库存，可以有效地指导生产，避免物料破损和仓库扩建。工作流程如图4所示。

在上述过程中，最关键的步骤是跟踪仿真模型中每种材料的库存。跟踪每种材料库存的详细步骤如下所示。

步骤1：跟踪并记录模拟模型中不同生产过程s(s＝1,…,S)中任何材料i(i＝1,2…,n)的加工开始时间B

步骤2：对于任何物料i(i＝1,2…,n)，跟踪并记录物料i将通过的仓库区域集InV

步骤3：对于任何物料i(i＝1,2…,n)，设置其进入仓库的时间k∈InV

步骤4：对于任何相邻仓库，找出需要通过两个相邻仓库的所有加工路径，从模拟结果中检索加工路径必须通过两个相邻仓库的物料信息，计算不同钢号、包装方式和厚度的物料的平均周转时间，并计算仓库之间所有物料的平均周转时间。

步骤5：根据包装方法的消耗时间和热轧检测时间，对库区统计平均时间进行修订和更新，形成物料平均周转时间统计表，以及各相邻仓库之间不同钢号、包装方法和厚度间隔的所有物料的平均周转时间统计表。

步骤6：获取物料当前的仓库面积和入库时间。

步骤7：从步骤5中估计的仓库间平均周转时间表中，找到具有相同攻丝标记、品牌、包装方法和厚度间隔的材料的平均周转时间。

步骤8：根据物料在当前仓库区域的周转时间和估计的平均周转时间，计算未来生产过程中通过每个仓库区域的物料的存储时间和交付时间。

步骤9：对于任何仓库k∈InV

基于上述嵌套程序逻辑，例如仿真模型中的预测或优化，可以在可视化仿真模型平台上进行仿真时记录相关数据，并在仿真后获得所需的统计、预测或优化结果。根据结果，可以指导和优化实际生产，优化流程如图5所示。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。