柴油机振动试验三维可视化技术研究

0 引 言

近年来， 随着计算机技术的高速发展， 基于图像处理技术和计算机图形学的三维可视化技术越来越多地进入到人们的视野当中， 成为一种主流趋势广泛应用在气象预测、 石油勘探、 航空航天、 军事科学、 天文学、 医学图像处理等各个领域[1,2]. 这种技术不仅可以把产生的各种数据和结果转换为图像、 曲线, 二维、 三维图形以及动画等相关信息， 而且还可以将随时间和空间变化的物理现象或物理量直观、 便捷地呈现在用户面前,并使他们能够通过相关的视觉交互手段观察到各种模拟和分析过程,即看到传统意义上不可见的事物或现象[3-5].

基于三维可视化技术的优势， 为了实现柴油机振动试验过程、 数据分析及结果直观显示过程的三维可视化， 本文针对柴油机振动试验整个过程， 开展了柴油机振动试验三维可视化技术研究， 具体研究的柴油机振动试验三维可视化过程如图 1 所示. 通过研究， 在弄清楚各项主要关键技术的基础上， 开发了柴油机振动三维可视化试验平台. 该平台的开发不仅解决了柴油机振动试验过程中的三维可视化显示难题， 而且也为其他领域开展三维可视化技术研究提供了一定的技术和理论经验[6].

国家正努力营造一个“大众创业，万众创新”的双创氛围，各地大学生创新创业大赛如火如荼地开展起来，但大多数高等医学院校大学生的企业计划书停留在创意组，未能进一步发展，第一点原因在于创业孵化园并不接收在校大学生，而一些具备一定实力创办孵化基地的高校也缺乏专业的设备[5]；第二，师资在数量和质量上都不能满足现实需要。

图 1 柴油机振动试验三维可视化过程 Fig.1 Three-dimensional visualization process of diesel engine vibration test

1 总体方案设计

1.1 需求分析

该平台基于虚拟现实技术构建了柴油机振动试验三维可视化虚拟现实环境， 通过引入TeeChart Pro ActiveX V2010图表控件和Origin软件， 实现了柴油机振动试验数据的三维可视化管理、 处理及分析. 同时， 通过构建不同型号的柴油机三维模型、 传感器模型、 振动试验数据数据库， 实现了各类试验数据的分类管理. 平台还为用户提供了使用帮助， 从而方便用户在振动试验过程中熟练进行相关操作.

抛锚式教学就是要创造一个真实的问题情境，使学生通过思考自己发现问题，激发学生在好奇心的驱使下主动去探究学习。教师所创设的情景必须有针对性，方便学生发现并确定问题所在，不能过于冗长且宽泛，也不能直接将问题告诉学生，否则学生的思维太发散或者太固化都不利于问题的确定和解决。所以在《角的初步认识》这一课中，B教师的做法相对更妥帖。当然教师也可以出示学生每天都在使用的三角板进行引入，相较于软软的、比较大的红领巾来说，三角板更方便学生拿在手里直观感知它平面上的角，也便于接下来的教学。

1.2 平台体系结构

Origin绘图部分主要包括： 数据简单处理， X-Y曲线、 X-YY曲线、 等高线、 云图的绘制等子功能模块. 这些子功能模块主要是为了实现用户对不同型号的柴油机振动试验数据进行直观的处理分析和格式转换， 从而进一步实现曲线、 曲面图形的三维可视化直观绘制和显示.

1) 管理层主要是为了方便用户对交互层上的各功能模块进行开发和集成， 并对各种试验数据处理及分析结果进行统一管理.

2) 交互层主要是为用户提供操作便捷、 管理舒适的人机交互环境.

3) 接口层主要是为了方便平台底层各种数据接口通过利用FTP文件传输协议来交换和传输相关数据文件和三维模型.

4) 驱动层主要是构建和支撑整个平台各功能模块开发的软硬件条件， 该层OSG(Open Scene Graph)应用程序接口API主要用来构建柴油机振动三维可视化虚拟现实环境； TeeChart Pro ActiveX V2010图表控件和Origin软件主要用来实现振动试验数据的可视化处理及分析， 以及一、 二维曲线、 等高线、 云图的绘制； Microsoft Access数据库作为系统底层数据库， 用以实现柴油机三维模型、 试验原始数据、 处理及分析数据的存储； FTP文件传输协议主要用来实现底层数据文件和三维模型的交换与双向传输， Microsoft Visual Studio 2010开发平台和Visual C++应用开发环境主要用来完成整个平台各功能模块的开发[7].

1.3.3 Origin绘图

图 2 平台体系结构 Fig.2 The structure of platform

1.3 平台功能架构

根据平台体系结构的定义， 3D可视化虚拟现实环境、 TeeChart绘图、 Origin绘图、 试验数据库管理、 试验数据管理、 平台使用帮助等功能模块共同构成了图 3 所示的柴油机振动三维可视化试验平台功能架构.

为了方便用户更好地使用该三维可视化虚拟现实环境， 平台在设计开发时通过该虚拟现实环境为用户提供了三维可视化振动试验虚拟动画模拟、 3D视图方位转换、 测点数据实时读取、 传感器测点位置查看等功能， 方便用户将生成好的柴油机三维模型放在特定的振动试验场景中进行虚拟振动试验模拟， 同时有利于用户对各种三维模型进行XY Plane, XZ Plane, YZ Plane等视图切换， 以及实时获取传感器测点位置和数据， 图 6 所示是对柴油机振动试验三维模型进行XZ Plane转换后的视图.

1.3.1 3D可视化虚拟现实环境

3D可视化虚拟现实环境部分主要包括： 3D模型配置、 3D视图方位转换、 测点传感器配置、 3D振动动画模拟、 测点管理、 测点文件管理等几个子功能模块. 其中3D模型配置主要是对柴油机三维模型进行选型， 并对三维模型进行旋转、 缩放、 移动等操作， 从而方便用户快速、 直观地上手对柴油机三维模型进行配置； 3D视图方位转换主要为了对三维模型进行XY Plane、 XZ Plane、 YZ Plane等视图切换， 以便于后续对传感器进行布局， 同时有助于用户实时查看测点； 测点传感器配置主要是根据做试验类型对测点传感器进行选型和合理布局， 以便获取准确的试验结果； 3D振动动画模拟主要是在三维可视化虚拟现实环境中模拟柴油机振动， 从而为用户提供直观的动态振动试验过程； 测点和测点文件管理主要是为了方便用户对传感器测点数据、 以及数据文件进行实时查看、 数据读取、 导入、 导出、 保存等操作.

普通小球藻生物质的水热预处理强化了其VSS的水解和厌氧消化性能。在180℃水热预处理条件下其VSS水解率和产甲烷潜能最大。其水解率和最大产甲烷潜能分别增加了56.5%和141%。将最佳的水热预处理温度180℃运用于半连续反应器的研究，实验结果表明其产甲烷潜能为0.31L·g-1，比对照组高138%。水热预处理可以降低藻泥中束缚水的含量，降低量为41.2%～61.7%。水热预处理技术对改善普通小球藻厌氧消化具有很大的发展潜力，可以深入开展中试方面的研究。

图 3 平台功能架构 Fig.3 The structure of platform function

1.3.2 TeeChart绘图

通过对平台各个功能模块的描述和分析可知： 平台开发过程中所涉及到的主要关键技术有三维可视化虚拟现实环境构建、 三维可视化绘图方法构建等.

要说一辆酷炫的法拉利488停在学校门口，所有的家长和学生都能做到心如止水，我想也不现实。但无论收入高低，不同的人都有选择自己生活方式的权利，所以对有钱人开跑车接送孩子加以批评甚至“踢群”的做法，也未必经得起推敲。

平台在设计开发过程中采用4层体系结构， 这4层体系结构包括： 管理层、 交互层、 接口层和驱动层. 其在层次结构设计上， 构思相对合理， 思路比较清晰， 从而为用户构建了较为直观、 人性化的柴油机振动三维可视化试验平台， 该平台具体的体系结构如图 2 所示.

在该振动试验平台功能架构中， 除了以上3个主要功能模块外， 还有试验数据库管理、 试验数据管理、 平台使用帮助等功能模块. 其中试验数据库管理部分主要是用来完成各类柴油机三维模型、 传感器模型、 试验处理及分析数据， 以及曲线、 曲面绘制结果的保存和调用， 同时通过数据库对平台底层各功能模块之间数据结果文件、 三维模型进行统一管理； 试验数据管理主要是对不同型号柴油机振动试验数据、 Origin软件处理数据、 三维模型数据、 传感器模型数据等进行简单的添加、 删除、 查询， 从而方便用户对各种数据进行文档化管理， 同时提高数据使用效率； 平台使用帮助主要是为了解决用户在平台操作过程中所遇到的一些难题， 同时帮助用户熟练地操作平台[7].

1.3.4 其他功能

2 关键技术实现过程

TeeChart绘图部分主要包括： X-Y曲线、 X-YY曲线、 等高线、 云图的绘制等子功能模块. 这些子功能模块主要是为了直观地显示各种数据曲线、 曲面图形绘制结果.

2.1 基于OSG的三维可视化虚拟现实环境构建

在振动试验过程中， 为了直观、 便捷地对柴油机三维模型,以及测点传感器三维模型进行可视化配置， 在平台开发过程中引入了OSG这一开源的基于Visual C++平台的应用程序接口API， 以此来构建柴油机振动试验三维可视化虚拟现实环境[8,9]， 具体的3D可视化虚拟现实环境构建与使用流程如图 4 所示.

图 4 3D可视化虚拟现实环境构建与使用流程 Fig.4 3D visualization virtual reality environment construction and usage flow

在振动试验三维可视化虚拟现实环境构建过程中， 首先需要用户选取相应的振动试验方案， 然后根据试验方案从模型库中查找与试验方案匹配的柴油机和传感器三维模型. 此时所需的各种三维模型也可以从外界导入，这些导入的三维模型不但可以被调用， 而且还可以被保存到模型库中， 以便重新制定新的试验方案， 每次使用前只需重新更新模型库和试验方案库， 即可查找到与试验方案对应的柴油机三维模型. 柴油机和传感器三维模型配置完成后， 需立即进行传感器测点布置， 传感器测点位置要选择相对合理， 不会对所测试验结果造成影响. 传感器测点布置完成后， 用户需要根据自己的需求选择相应的三维可视化振动试验场景， 开始柴油机三维可视化振动试验模拟. 此时， 基于OSG/Open API应用程序构建的柴油机振动试验三维可视化虚拟现实环境将各种试验结果显示出来. 每次当用户改变操作时， 该三维可视化振动试验平台都会驱动底层的OSG/Open API应用程序来实现三维可视化虚拟现实环境中画面的实时更新. 这样就为用户构建了一个操作便捷、 直观的柴油机三维可视化振动试验虚拟现实环境[8-11]， 具体的三维可视化虚拟现实环境交互界面如图 5 所示.

图 5 3D可视化虚拟现实环境交互界面 Fig.5 3D visual virtual reality environment interactive interface

图 6 柴油机三维模型XZ Plane视图转换 Fig.6 Three-dimensional model of diesel engine XZ plane view conversion

从抽样调查的统计数据可以看出，城阳区乡村旅游者大都有2次以上的乡村旅游经历，由此得知本次调查的乡村旅游相关数据比较客观。

2.2 基于二次开发的三维可视化绘图方法构建

为了方便用户对试验数据做进一步的分析、 以及曲线、 曲面绘图等处理， 并可以使用户直观、 便捷地看到试验数据处理过程及结果， 在数据分析和曲线、 曲面绘图等功能实现过程中平台采用了TeeChart工业绘图控件和Origin软件二次开发的方式来实现三维可视化绘图方法构建， 此绘图方法的构建过程如图 7 所示.

图 7 三维可视化绘图方法构建过程 Fig.7 The construction process of three-dimensional visual drawing method

2.2.1 基于Teechart控件的三维可视化绘图方法

实现此方法的过程中， 首先得判断数据的三维可视化处理方式， 如果只对数据做单一的曲线、 曲面绘图处理， 那么就选择采用Teechart工业控件为图表绘制接口， 并基于Visual C++开发平台编写相应的试验数据图表绘制交互界面， 以此来实现绘图过程三维可视化操作， 通过TeeChart控件特有的2D和3D图形风格， 为用户提供一个高效、 直观的柴油机三维可视化振动试验平台， 绘图时用户可以按照图 7 所示过程， 首先需启动TeeChart绘图模块， 然后在图表绘制交互界面上选择所需要的绘图数据， 并点击相应的绘图类型按钮来实现不同类型的X-Y, X-YY关系曲线， 以及等高线、 云图等曲面图形的绘制[12]. 任选振动试验测点G1数据进行X-Y关系曲线绘制， 绘制结果如图 8 所示.

《数学课程标准》指出：数学活动必须建立在学生的认知发展水平与已有的认知经验之上，要重视知识之间的内在联系。这就要求在平时的数学教学中，教师要遵从学生们接受认知事物的特点以及数学知识之间的联系，引领学生展开新知的学习，这样教学，遵循了学生的学习规律，降低了学生的学习难度，更容易被学生理解与接受。

图 8 X-Y关系曲线 Fig.8 X-Y relationship curve

2.2.2 基于Origin软件的三维可视化绘图方法

如果既对数据做简单的数据分析处理， 又对数据进行曲线、 曲面绘图处理， 那么就需要通过Origin软件二次开发来完成. 在Origin软件二次开发时， 首先需要基于Visual C++开发平台来编写X-Function， 并通过X-Function调用OriginC来建立Origin软件二次开发交互界面， 然后把开发好的X-Function放到平台开发时设置的Origin菜单和工具栏上， 以此来实现Origin软件二次开发， 并通过Origin软件特有的数据分析、 图表绘制功能来实现绘图过程三维可视化操作， 从而方便用户使用.

此外，2010-2016年边缘区与核心区间的旅游经济联系密度均高于边缘区旅游经济联系密度，边缘城市由于自身旅游发展能力受限，对外寻求旅游经济发展机会的需求旺盛，故主动承接来自核心城市的旅游经济辐射。但整体而言，核心城市对边缘城市的旅游经济带动力仍显不足，旅游经济网络中存在较严重的核心—边缘结构。这也说明在进一步加强核心旅游城市建设的同时，也要注重发挥核心城市对边缘城市的旅游经济辐射带动作用。边缘城市也应转变旅游经济发展理念，变被动为主动，积极融入核心城市旅游经济建设中，同时加强边缘城市间的旅游经济合作，最终达到优化河南省旅游经济空间结构、促进区域旅游经济联动发展的目的。

绘图时用户可以按照图 7 所示过程， 首先需启动Origin软件二次开发模块， 然后判断数据处理方式. 若在绘图前还需要对数据进行简单分析， 则需要按照图 7 中Origin绘图模块左侧流程先将试验数据通过Origin二次开发交互界面发送到Origin工作表中， 然后点击相关数据分析按钮， 对数据进行分析处理， 分析处理后的数据还可以被后续绘图部分直接调用； 如果直接对试验数据进行绘图处理， 那么既可以选择以上分析后的绘图数据， 也可以按照图 7 中Origin绘图模块右侧流程， 选择原始试验数据绘图， 并将绘图试验数据通过Origin二次开发交互界面发送到Origin工作表中， 然后选择相关绘图按钮来绘制X-Y， X-YY关系曲线、 以及等高线、 云图等曲面图形， 每次操作时通过调用OriginC应用程序来进行Origin二次开发交互界面上各种图形的更新和实时显示. 通过X-Function编写建立的Origin二次开发交互界面如图 9 所示， 同样选择测点G1数据通过Origin二次开发模块绘制的等高线如图 10 所示.

图 9 Origin二次开发交互界面 Fig.9 Origin two times development interactive interface

图 10 利用Origin软件二次开发模块绘制的等高线 Fig.10 Contour drawn using the two-time development module of origin software

通过对以上平台开发过程中的主要关键技术进行分析和阐述， 表明了柴油机振动三维可视化试验平台在技术开发方面的可行性和使用上的可靠性.

3 结 论

本文在对机械振动理论研究的基础上， 将现代化的计算机技术、 三维可视化技术、 软件二次开发技术与工程实际相结合， 自行开发了一种柴油机振动三维可视化试验平台. 通过对平台体系结构和功能架构的分析， 阐述了平台开发过程中涉及到的三维可视化虚拟现实环境构建、 三维可视化绘图方法构建等主要关键技术实现方法， 通过分析和阐述可以看出该平台在实现柴油机振动试验三维动画模拟、 试验数据分析及结果直观显示等方面的可行性. 该平台的开发， 不仅为柴油机振动试验过程提供了一套直观高效的三维可视化显示工具， 而且也为其他领域开展三维可视化技术研究提供了一定的理论参考.

演化博弈起源于生物进化论，被广泛用于分析群体演化过程，能够分析重复博弈中，当存在有限理性引起的偏差的干扰，是否存在能够回复稳定的均衡策略，如存在该策略，即为演化稳定策略均衡。

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