基于数字孪生技术的三维智能化系统设计

为了提升三维智能化水平,设计基于数字孪生技术的三维智能化系统。通过现场层管理数字孪生体映射的物理实体与监测对象,为三维智能化系统提供需要的基础数据;感知层利用温度传感器与颜色传感器等,感知现场层管理的物理实体相关数据;数据存储层利用分布式文件与关系型数据库,存储感知的数据;功能层利用数据预处理模块缺失值处理存储的数据;层次化建模模块,依据缺失值处理后的数据,建立物理实体的几何模型与属性模型,融合几何模型与属性模型,得到孪生体模型;孪生体模型驱动单元,利用三维模型驱动方法,驱动孪生体模型,实现物理实体与孪生体的同步映射,得到孪生数据;仿真与预测模块依据孪生数据,可视化监测与分析物理实体的工作状态;通过应用层为用户实时呈现物理实体的动作仿真与实时监控结果。实验证明：该系统可有效感知物理实体的相关数据,建立孪生体模型;该系统可有效实现物理实体的可视化管理,提升三维智能化水平。     

地应力监测中定位与姿态数据采集系统设计

针对地应力低频电磁监测中高效数据采集、精准授时和实时定姿定位问题,设计并实现了基于嵌入式的定位与姿态测量模块相结合的实时数据采集系统,以ARM微处理器(S3C6410)和嵌入式Linux作为系统控制核心平台,详细介绍了系统软硬件设计架构,设计并完成定位与姿态测量特征数据提取算法,基于LCD触摸屏和Qt/Embedded进行数据采集处理终端的图形用户界面设计并实现人机交互;另外,系统在完成控制显示等功能的同时能将所需数据实时存储至SD卡,为后续数据分析提供依据。系统联调与外场实验验证表明：该系统能够完成定位与姿态数据的实时采集和处理,数据获取效率较高,有效解决了地应力监测中的实时定姿定位,能够高速、实时、可靠地进行地应力低频电磁监测。     

工业数字孪生关键技术研究与实现

为了实现工业与数字化的融合,提高工业生产的效率与质量,研究了一种基于数字孪生关键技术的工业机器人实时监测和控制方法。构建工业机器人的实体建模,为工业机器人的实时监测奠定基础,提取机器人运行的几何特征与姿态特征,构建工业机器人的孪生虚拟模型,应用感知数据技术,建立虚实映射关联模型,将工业机器人实际的运动状态,与智能数字化的技术精确融合,完成对工业机器人的实时监测与控制,实现工业数字孪生关键技术的应用。仿真模拟试验结果显示,对于5组工业机器人运行数据信息,设计方法模拟运行所用时间均比传统方法快,具有高效性与实时性,对于随机的工业机器人关节节点的力矩曲线,与实际工业机器人运行的同一关节力矩曲线重合度更高,具有精准性。     

实时在线监控系统的三维可视化方案

为解决核反应堆辐射及不可接近环境下工人运维的技术难题,融合新一代信息技术,将数字孪生技术与工业互联技术相结合,提出了一套三维数据可视化实现方案,解决了数字孪生应用中三维模型呈现、实时数据对接、模型算法软件对接,以及数据可视化等关键问题。首先,利用3D Studio Max、SolidWorks等建模软件构建三维模型,并结合前端设计、虚拟场景渲染等技术,实现数字孪生可视化场景构建;其次,基于Node. js运行环境搭建WebSocket服务器,并通过Node-EPICS事件驱动读取实验物理和工业控制系统（EPICS）的过程变量,实现对设备支持层数据更新事件的监听;最后,利用Socket. io套接字创建双向数据通道实现服务器到Unity客户端的实时数据传输。使用该方案构建的反应堆三维监控系统现已应用于中国科学院（CAS）钍基熔盐堆（TMSR）核能项目,该系统实现了核反应设备结构及物理特性在虚拟环境中的数字映射,具备网络通信、数据显示等功能,且数据更新周期达到100 ms,有助于监控人员掌握现场实际情况与指导运维检修。     

基于数字孪生机房的三维可视化监控系统的设计与实现

针对当前机房的监控管理方式单一、实时性差、透明度低等问题,构建了一种基于数字孪生机房的三维可视化监控系统。以数字孪生的五维模型为指导,构建机房虚拟场景,实现机房三维可视化。论文采用Three.js三维引擎搭建机房三维场景,使用JavaScript语言实现各模块间的功能交互,运用深度学习算法完成机房故障诊断的功能。实验证明:基于数字孪生的机房三维可视化监控系统可以实时监测系统状态,动态展示设备信息,提高了管理效率。     

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为了获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS技术、USBL技术研究构建了水陆一体化定位技术,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发了水下摄影测量系统,实现了数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深系统、水下三维全景成像声纳系统等对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行了验证,结果表明：水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域、工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。     

基于OpenGL的小卫星在轨运行仿真系统研究

传统的航天工业仿真技术主要用于分析计算航天器的飞行轨道与姿态运动,这种仿真方式通常不支持三维可视化仿真功能;文章结合卫星轨道、姿态动力学和计算机图形学,设计基于三维实时动态显示技术的小卫星在轨运行仿真系统,对卫星轨道、姿态进行可视化仿真,实时动画演示星内敏感器的工作状态,提供图形曲线和文本形式的分析数据,并能与卫星地面站进行数据通讯,实现小卫星的在轨监测功能;仿真结果表明,仿真系统能正确实时接收地面站的数据,支持二维、三维动画输出,可以成功完成小卫星系统的仿真与监测功能.     

基于物联网技术的滑坡监测预警研究

针对传统滑坡监测手段成本较高、测点偏少及监测数据内容单一等问题,为及时准确得到滑坡预警等级,基于物联网技术设计一款滑坡实时监测预警系统。该系统主要协调实时监测数据与预警调度模型的关系,结合不同传感器数据与数据驱动调度模式,降低系统虚报、漏报信息。经过实际部署,建立长期、中期及临灾状态滑坡监测,借助Node-RED平台与微信小程序发布预警信息,系统已在贵州地区投入实际使用。实际应用情况表明该系统信息发布及时、预警准确、发布平台功能丰富,在复杂环境中具有较强适应力。     

三峡库区遥感三维立体仿真系统及其应用

基于长江中上游(江津—宜昌段)地质调查项目完成的遥感影像、DEM、地质专题数据,构建了三维仿真系统。本系统通过对库区高精度三维地形地貌仿真和三维环境下的遥感影像、专题数据的一体化管理,实现了三维环境下的地质灾害人机交互遥感解译,以及在三维环境下的GIS空间分析和专业分析功能。通过两期三维场景对比、加载不同时期的影像数据、实时联动显示,直观清晰地开展研究区地质灾害、地形地貌、库岸线变化分析对比。系统大幅度提高了地质灾害遥感解译精度和工作效率,具有一定实际应用价值。     

基于PLC和WinCC的闸瓦间隙实时监测系统的设计

采用具有可靠性高、抗干扰性强的PLC和拥有友好人机交互界面的WinCC构架设计了闸瓦间隙实时监测系统,详细介绍了系统的总体结构及软件设计。该系统集数据采集、存储、分析和处理功能于一体,实时性强、界面友好。实际应用表明,该系统能实时可靠地监测闸瓦间隙及其故障。     

基于Quest3D的钻床加工虚拟教学系统的研究

针对培训系统要求人机交互界面好以及沉浸感强等特点,在钻床教学系统开发中采用实时3D建构工具Quest3D,提出了一种针对钻床教学培训的虚拟现实系统的开发方案,将虚拟现实系统分为三维显示模块,运动控制模块,场景交互模块和场景声控模块等,通过Quest3D的图形编程使得整个系统开发周期缩短,运行效率提高。成功将三维场景虚拟交互技术运用于钻床教学培训系统中。     

Development of an edge computing-based cyber-physical machine tool

Digital twin is a virtual model that represents physical entities in a digital manner. By leveraging means of data to simulate the behavior of physical entities in the real environment, the functions of physical entities can be optimized and expanded, through virtual and real interaction feedback, data fusion, decision making, and optimization. Despite numerous researches on digital twin concept and its applications, scarcely any discusses about the computation efficiency of the twin established. In order to shorten the latency of mapping and reduce the high computation workload in the cloud, this paper develops a cyber-physical machine tool based on edge computing techniques, to realize remote sensing, real-time monitoring and scalable high-performance digital twin application. Furthermore, a novel edge computing algorithm is proposed to detect the abnormality of the edge data from two aspects: the unary outliers of the edge data itself and the multivariate parameter correlation among edge devices. The effectiveness of the application platform of the cyber-physical machine tool developed is verified by the prototype system and edge algorithm experiment.     

四旋翼无人机飞行过程孪生仿真研究

为了满足无人机在实际飞行过程中的虚实交互、实时响应和精确控制等要求,以四旋翼无人机的飞行过程作为任务需求,提出基于数字孪生技术的四旋翼无人机飞行过程仿真研究。搭建了四旋翼无人机飞行数字孪生系统架构,分析了数字孪生体仿真数据的流向及其作用,并对四旋翼无人机飞行数字孪生系统的功能和意义进行了介绍。从几何、物理、行为和规则等四个方面融合构建了四旋翼无人机的数字孪生体模型。最后进行了四旋翼无人机巡航过程的案例研究,通过仿真案例中的各项参数分析,考察了虚实无人机之间的交互性,证明了数字孪生体模型的精确性,验证了四旋翼无人机飞行数字孪生系统的可行性。     

三维闪电探测仪状态检测监控系统设计与实现

针对传统二维闪电探测仪复杂低效的状态检测方式和设计简单、功能不全的状态监控系统,该文使用C/S架构与C++builder设计开发了三维闪电探测仪状态检测监控系统。通过检测探测仪程序可以实现从天线到输出端口的全自检功能,还可自动输出三维闪电设备核心部件的工作参数完成状态检测。系统应用场景方式展示与其它功能的交互状态,根据接收的状态数据判断当前探测仪状态,并提供人机互动界面进行状态监控。结合湖北省三维闪电探测网的实际运行状况验证适用性与稳定性,结果表明,状态检测监控系统程序设计清晰合理、状态检测及时便捷、状态监控信息完整、系统功能全面完善、操作界面友好直观,满足三维闪电探测仪状态检测监控的实际需求。     

A study on three-dimensional vision system for machining setup verification

In computerized numerical control (CNC) machine tools, it is often a time-consuming and error-prone process to verify the Euclidean position accordance between the actual machining setup and its designed three-dimensional (3D) digital model. The model mainly contains the work piece and jigs. The mismatch between them will cause a failure of simulation to precisely detect the collision. The paper presents an on-machine 3D vision system to quickly verify the similarity between the actual setup and its digital model by real and virtual image processing. In this paper, the system is proposed first. Afterwards, a simple on-machine camera calibration process is presented. This calibration process determines all the camera's parameters with respect to the machine tool's coordinate frame. The accurate camera mathematical model (or virtual camera) is derived according to the actual imaging projection. Both camera-captured real images and system-generated virtual images are compensated to make them theoretically and practically identical. The mathematical equations have been derived. Using the virtual image as a reference and then superimposing the real image onto it, the operator can intuitively verify the Euclidean position in accordance to the actual setup and its 3D digital model.     

RTX 平台下实时全软件数控雕刻系统

计算机仿真设计与制造需要极高的实时性和可控性,由于Windows操作系统本身实时性的缺陷,给计算机仿真应用带来了一些不确定因素.经过充分论证,引入了IntervalZero公司的基于Windows的实时仿真解决方案RTX,并结合某型号数控雕刻机的设计要求,总结出了Windows环境下RTX实时仿真应用系统的设计方法及RTX环境下全软件数控雕刻系统主要功能模块程序编写,并将这种设计方法成功应用于某数控雕刻系统中.实际雕刻实例表明RTX平台下全软件程序能够满足数控雕刻系统对实时性要求.     

基于Web的虚拟物流实验室设计与实现

通过对虚拟物流实验室设计特点的分析,提出了基于Web的虚拟物流实验室构架,并设计了实现方案.运用3D 软件结合VRML建立虚拟场景模型,通过Java 3D对模型文件的调用实现虚拟场景的构建.调用Java 3D类库实现场景漫游、人机交互等功能,并对虚拟模型进行优化、重组.最后建立一个虚拟实验室的场景实例,验证了该设计方法具有良好的开发效率以及系统的沉浸性与交互性.     

基于HoloLens的变电站巡检系统

In order to realize the intelligent inspection of substation, the design method of inspection system of substation based on HoloLens is proposed, the overall design framework of inspection system of substation is analyzed, the function modules of the system are constructed. The wearable AR / MR equipment is used to conduct the human-computer interaction and remote information collection in the inspection process of substation, so as to obtain the engineering file configuration of inspection system of substation. Vision sensing and bioelectric signal measurement sensing technology is used to sample and analyze the inspection image information of substation, and realize the design of visual information acquisition module. The near-field wireless communication is used to design the inspection network of substation, and the multimedia virtual reality enhancement technology is applied to 3D display the inspection output of substation, and the virtual scene generator, helmet display, the aligner of virtual scene and real scene are designed. In the process of substation inspection, users can observe and track the line of sight, and optimize the design of substation inspection system based on wearable HoloLens intelligent products. The test results show that the designed substation inspection system can accurately obtain information, the safety factor of substation inspection is high, it has good human-computer interaction and good practical application value.