化工设备三维可视化管理系统的研究开发

化工设备三维可视化管理系统的研究开发

付平

吴俊飞

摘要介绍建立化工设备三维可视化管理系统的总体构架，分析了设备管理系统的数据流程。利用VB 编程语言在AutoCAD 平台上开发了虚拟工厂快速建模系统，将构成设备的各个单独的实体建成了图块，从而确定了其ID 号的唯一性。通过ID 号来识别设备图形，并将其作为数据库中字段，并据此来建立索引，实现了AutoCAD 中三维图形与外部数据库的连接，从而实现了设备的可视化管理。

关键词数据流程虚拟工厂设备识别

中图分类号TQ051文献标识码B

可视化管理

一、序言

基于AutoCAD 的化工设备三维可视化管理系统，是在原有的设备管理模式下，将可视化的方法引入设备管理系统中，将传统的设备台账式管理与设备的三维几何空间模型结合起来，最终实现设备的可视化管理。可视化管理使管理者对其所管理的设备有形象具体的概念，对设备所处的位置、外形及所有参数一目了然。无论是新厂房的规划设计还是已有设备的合理使用和管理，都会大大减少管理者的劳动强度，提高了管理效率和管理水平。

二、化工设备可视化管理系统的总体架构

研究开发的化工设备可视化管理系统，是在原有的设备管理框架上加入三维场景，使得日常的设备管理工作可在一个虚拟现实的计算机环境中完成。它的基本结构框架如图1所示。

三维场景管理是建立在三维显示以及实时交互的基础之上的。用户预定功能以及其他的输入信息将首先由三维场景管理模块进行处理。设备管理包括的内容较多，由于各个企业管理的理念和方式不同，设备管理信息系统的侧重也相应地有所不同。

三、系统的开发工具与开发平台

操作系统是软件平台的核心。目前国内PC 机平台中，Windows 系列是最流行的客户平台，故选用Windows 操作系统。

DBMS 是数据处理的核心，与应用密切相关，常称为数据库平台。由于本文的研究在Microsoft Windows 操作系统下进行的，而SQL Server 和Windows 同为Microsoft 公司的产品，有着更好的系统兼容性。因此，本文根据实际的数据环境选用SQL Server 作为开发的数据库平台。

客户端应用程序开发工具选用Visual Basic 语言，直接用它进行Word ，Excel 和AutoCAD 二次开发，并能通过ADO ，DAO ，RDO 等控件实现与数据库的相连。

三维图形开发工具采用AutoCAD 平台。AutoCAD 有很多二次开发工具，如AutoLISP 、基于C 语言的ObjectARX 、Visual Basic 、AutoCAD VBA 、Visual LISP 等。特别是AutoCAD 2000以上的版本，己将AutoCAD VBA 和Visual LISP 集成在系统内部，令用户使用更加方便。

本系统利用VB 编程语言对AutoCAD 进行了二次开发，对化工企业的常见设备例如换热器、反应釜、塔、储罐以及三维管道和阀门仪表等开发出了三维快速建模程序。通过开发的可视化系统界面中输入设备的几个简单参数即可在AutoCAD 界面中迅速建立该设备的三维简单模型，进而即可建立起车间以及整个工厂的三维仿真模型，在该模型图中通过AutoCAD 提供的平台可以实现动态漫游。该系统还将设备的属性信息与其对应的三维模型联系起来，将图形中不能显

图1基于AutoCAD 的化工设备三维可视化管理系统的总体框架

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工作研究

示的信息添加到设备台账数据库中，将设备形状及其在工厂中的位置与设备的性能参数联系起来，从而可实现设备在图形中的定位显示等功能。

四、系统数据流程

结合设备综合管理的思想以及化工企业设备的特点，本文建立了设备管理系统结构，设计了以下几类主要数据库：组织机构库、逻辑设备基本属性库、物理设备基本属性库、设备运行过程中各种记录库、设备备品配件库以及其他有关的数据库。组织机构数据库模式使得系统能够动态构造企业的设备管理组织机构，例如按照总厂、分厂、车间、装置分层管理。逻辑设备和物理设备基本属性库数据模式描述形形色色的各类设备基本技术参数。设备运行过程中的各种记录库包括设备生命周期中的检修记录、检验记录、事故记录、故障记录、状态监测记录、运行记录等。备品配件库包括设备所有配件的基本技术参数库、进出库记录等。组织机构中有多种多样的设备，每一设备具有特定的性能参数，针对每一设备可以建立检修、检验、事故、故障等的时间历史档案，同时，每一设备都有多种备品配件，每一配件有其技术属性，配件的进出库存都有详细信息进行描述。按照这样的组织，能保证数据脉络清晰、层次分明、数据流畅通。同时也能保证满足设备管理系统预期功能的数据需求，从而建立设备管理系统的数据流程。本开发系统的总数据流程如图2所示。

图2设备管理系统的数据流程

在设备可视化管理系统中，工程数据库的设计方案是采用

AutoCAD 图形系统管理图形数据库、扩展关系数据库SQL Server 管理非图形数据，并用VB 开发的统一协调管理系统实现二者的有机结合。

五、系统开发方法

1. 三维虚拟工厂模型的建立

AutoCAD 提供的ActiveX Automation 支持将VB 与之联系起来，以实现特定的功能。ActiveX Automation 是基于构件对象模型（COM ）的技术，它由客户程序和服务器程序组成。只要服务器程序提供一定的接口，客户程序就可以通过标准的接口访问，使任何服务器程序对象实现自动化。图3为一个典型的ActiveX Automation 中客户机与服务器之间的相互关系。

由于本系统采用Visual Basic 作为开发语言，为了实现接口的通用性，对AutoCAD 的开发也采用了Visual Basic 语言。

工作研究利用VB 编程语言，本系统在AutoCAD 的模型空间、图纸空间和块对象中创建了各种三维实体。各类化工设备是通过对这些实体进行布尔运算而创建的，进而组合成所需的三维图形。为了以后在可视化管理中能方便地在图形中根据图形的句柄号来选定创建好的组合实体，系统将构成设备的各个单独的实体建成了图块，从而确定了其句柄的唯一性。

图3

执行中的ActiveX 工厂三维仿真模型的建

Automation

立，并不仅仅是将各类设备的简单罗列，在建立时，还要考虑到很多问题，比如设备的位置、设备之间的相互关系等等。由于AutoCAD 的三维空间在理论上是无限的，所以要想将各类设备依次加入到图形中，就必须建立一个相对的基准。在本系统中，为了便于添加设备，首先建立了三维网格，即建立一个基准平面，其网格的大小可由用户自由定制。当生成网格后，就可以开启智能捕捉，用鼠标来根据视觉位置放置设备。用户可根据所建工厂的大小、化工设备和建筑物的布局分布状况，设置三维视觉平面的大小，以生成化工工厂的三维视觉平面的网格模型。

建立了三维视觉平面后，用户就可以用系统开发的程序根据自己的需求依次建立各类设备的三维模型图，并将其放置到预先定义的平面上。本系统首先完成了化工厂常见设备如换热器、反应釜、塔、储罐等三维建模程序，通过可视化的设计界面，可迅速建立各类设备的三维简单模型，并根据其相对位置将其放入模型空间中。其设计思路与方法是：用户确定需要添加的设备，在三维建模的主窗体界面中察看并预览立体模型后，即可点击确定按钮进入到这类设备参数设置窗体界面中进行该设备的参数设置，如壳体（直径、长度）、封头（直径、长度）、支座（长度、宽度、高度、支座间距）以及绕Z 轴旋转角度、缩放比例等。用户在该设备的窗体界面中完成了参数设置之后，系统根据参数自动生成其模型图块，继而可在AutoCAD 界面选取插入点以放置该设备模型。其次，本系统在进行设备间化工管道的连接设计时，主要考虑了管道连接的方式、管道的大小、长短，以及管道的连接路径、连接方向及实际情况等。在添加管道模块中，用户可根据工厂中化工设备及建筑物的布局，进行三维管道的直径、长度、分布方向的确定，通过方向、长度的选择，一步一步地按照用户的意愿对化工设备进行任意三维空间管道的添加。最后，再添加阀门、仪表、人孔、护栏、扶梯、方体等附属部件后，形成工厂的三维仿真模型的建立。

2.Visual Basic6.0与SQL Server 数据库接口的建立数据库有结构化、实现数据共享、减少数据冗余度、数据独立性等特点，它负责把应用程序中使用的数据汇集起来，以记录为单位进行存储，在数据库管理系统（DBMS ）的监督和管理下使用，因此数据库中的数据是集成的。本系统采用SQL Server 数据库进行数据管理，采用ADO （ActiveX Data Objects ）技术获

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取数据源和对数据进行操作。

由于系统中有大量的过程需要连接数据库，为了提高代码的效率和方便维护，故在本系统将数据库的连接建立了公用的数据操作函数，来执行一系列的SQL 语句。

3. 设备图形与外部SQL Server 数据库的连接

AutoCAD 图形对象一般都有句柄（Handle ）、对象标识（ObjectID ）、实体名称（EntityName ）、实体类型（EntityType ）、对象所在的层（Layer ）、对象所使用的线型和对象的可见性（Visible ）等属性。在AutoCAD 数据库中用对象句柄（handle ）和对象标识符或称ID 来区别数据库对象的，对象句柄在具体的图形文件中是某一对象与其他对象的唯一区别，在多个数据库装入后对象句柄不能保证唯一而对象标识符始终保持唯一，因此对象的访问可通过对象标识符即通过数据库对象打开函数获得指向对象标识符指针进行。

AutoCAD 中三维图形与外部数据库的连接，就是通过其对象标识符即ID 号来识别设备图形，并将其作为数据库中字段，并据此来建立索引，从而将设备实体和数据库中的记录一一对应起来。图4显示了图形与数据库的对应关系。

当数据库中已经存在设备的图形信息后，用户要想在AutoCAD 中查看设备的位置、形状等各类信息时，可以在设备台账界面下点击定位显示，系统会自动根据数据库中存贮的设备图形ID 号在设备图形中查找与之相符合的设备图形，并根据其坐标值再将图形窗口缩放到该设备图形上，便于用户查看设备位置及周围的情况。

（2）根据设备的图形信息查看设备台账信息

在设备仿真模型图中，用户可以查看某一设备图形的相关台账信息。其方法是根据提取的图形ID 号，在设备台账数据库中查找是否存在与该设备相匹配的台账信息。若没有，则提示用户添加。若存在，则弹出对话框提示用户选择所要查看的设备信息。

六、结论

（1）建立了化工设备三维可视化管理系统的总体构架，确定了开发系统所选用的工具及开发平台，详细分析了设备管理系统的数据流程。

（2）利用VB 编程语言在AutoCAD 平台上开发了虚拟工厂快速建模系统，为了以后在可视化管理中便于在图形中根据图形的句柄号来选定创建好的组合实体，系统将构成设备的各个单独的实体建成了图块，从而确定了其句柄的唯一性。

（3））通过其对象标识符即ID 号来识别设备图形，并将其作为数据库中的字段，据此来建立索引，从而将设备实体和数据库中的记录一一对应起来，实现了AutoCAD 中三维图形与外部数据库的连接。

（4）将设备在图形中的唯一标识“设备ID 号”与设备在台账数据中的唯一标识“设备编号”建立一对一的联系。本系统在设

图4设备图形与数据库连接

为了要将建立好的设备三维图形与数据库联系起来，就要

把设备在AutoCAD 的图形实体的ID 号等图形信息提取出来并存入数据库，以便于在管理中通过这些信息在AutoCAD 中将图形显现出来。

4. 可视化管理的实现

当设备的三维实体建立好之后，需要将设备图形与其设备台账各类信息联系起来，其关键是将设备在图形中的唯一标识设备ID 号与设备台账数据中的设备唯一标识“设备编号”建立一对一的联系。在化工设备可视化管理系统中，设备的图形信息也被一并存入到设备基本信息数据库中，设备图形以设备ID 来唯一识别，而设备台账管理中设备可以用设备编号来唯一定位设备，实现设备数据与图形的结合。

可视化的概念有两个含义：其一是可以根据设备台账信息查看已经存储在数据库中设备的图形信息；其二是根据设备图形信息查看已经存储在数据库中的设备台账信息。本系统实现了二者的相互结合。

（1）将设备图形信息加入设备基本信息数据库在建立设备台账时，通过控制AutoCAD 打开已经建立好的设备三维仿真模型图，选择与之对应的设备，提取相应信息后加入数据库。

备图形中以设备ID 号来唯一识别设备，在设备台账管理中用设备编号来唯一定位设备，完成了设备图形与数据的结合，从而实现了设备的可视化管理。

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W10.10-06

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作者通联：青岛科技大学机电工程学院山东青岛市崂山区松岭路69号266061

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〔编辑

肖佳〕

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