虚拟场景的三维建模与可视化V1.docx

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虚拟场景的三维建模与可视化V1

山西省基础研究计划

项目申报书

项目类别:

□自然科学基金□青年科技研究基金

项目名称:

三维数字化综采仿真平台

项目申报单位：

（盖章）

项目组织单位：

（盖章）

申请人：

填报日期：

山西省科学技术厅制

基本信息

项目基本信息

项目名称

研究属性

A基础研究

B使用基础研究

指南领域

所属国家或省级重点学科名称

所属国家或省级重点实验室名称

报审学科

学科1

代码1

学科2

代码2

起止年限

年月-年月

申请经费

申

请

者

信

息

姓名

性别

民族

出生年月

年月

学历

学位

身份证号码

毕业校名

专业

毕业年份

学术职务

行政职务

通讯地址

曾在何国留学或进修

技术职称

现主要研究领域

联系电话

手机

E-mail

申请者所在博士点或硕士点名称

申

报

单

位

信

息

名称

单位属性

通讯地址

邮编

法人代表

电话

法人代码

联系人

电话

传真

E-mail

开户银行

帐号

合作单位

1．

2．

摘

要

项目研究内容和意义简介（限400字内）

是针对现代化煤矿开采建立起来的数字化仿真平台，适用于综采的生产作业仿真。

为煤矿管理人员提供了可靠的决策支持。

实现了矿区布局展示、矿区内部地质构造展示、模拟矿井开采、开采过程实时仿真、机械设备作业实时仿真、安全预警、危险源分析等功能。

在山西整合煤矿大规模开工建设的推动下，煤炭行业固定资产投资增速将从2010年低点20%回升至2011年25%以上，拉动煤机设备行业超预期增长。

机械化率提升空间很大。

2015年我国煤炭行业机械化率的目标为75%，相比2010年将提升20%，且不排除机械化率超预期的可能。

十二五期间，煤炭机械化开采量CAGR达到12.8%，远超原煤产量CAGR的5.8%，对煤机设备需求形成重要支撑。

而在整个综合采煤过程中每个设备无法实时和准确的表达采煤现实场景，在以往的设计过程中，绝大部分煤机设备都采用二维平面设计，这样容易使产品结构等信息表达有误，不能及时反映采煤面实际采煤状态，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带来困难。

而后续所有的分析，动态仿真等方面都是以三维实体模型为基础，另外还实现了动态交互的设计的设计功能，实现煤机设备的三维可视化和虚拟现实进而提高对采煤设备和实际工况分析，具有很大的实用性于必要性。

关键词（用分号分开，最多4个）

山西整合煤矿虚拟现实三维可视化

项目组主要成员

姓名

出生

年月

性别

学历

学位

职称

学术职务

专业

所在单位

承担

任务

省级重点学科、重点实验室名称

曾在何国留学或进修

总人数

正高

副高

中级

初级

博士后

博士生

硕士生

报告正文

1.项目的立项依据（研究的科学意义，项目所面向的经济、社会和科学技术自身发展的需求，发展关联程度，对解决行业使用需求的调研和预期贡献，国内外研究现状和发展趋势分析）（限2000字内）

研究的科学意义：

要结合所报项目的核心内容，围绕研究背景、学术价值和使用前景进行撰写；基础研究须结合科学研究发展趋势来论述科学意义，使用基础研究须结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科学和技术问题来论述其使用前景。

国内外研究现状及分析：

围绕主要研究内容和可能的突破点，论述国内外研究情况，依次论证项目的创新或研究特色。

十二五期间我国原煤产量可能超预期。

山西整合煤矿批复产能达到8.5亿吨，全国大型煤企在建和规划的产能达到8亿吨，两者将推动十二五我国原煤产量超预期，2015年我国原煤产量可能达到45亿吨。

山西整合煤矿开工建设拉动煤炭行业固定资产投资拐点回升。

山西省内规定整合煤矿50%于2010年底前动工建设，100%于2011年中前动工建设。

山西需求将拉动2011年煤炭行业固定资产投资拐点回升，我们预期2011年煤炭行业固定资产投资增长25%以上，增速同比提升5个百分点以上。

根据我们对山西整合煤矿产能和大矿在建、规划产能的预期，我们认为2011-2015年，每年分别有2.5亿吨、2亿吨、3亿吨、3亿吨和1.5亿吨原煤产量增长，2015年原煤产量达到45亿吨，超过市场预期的40亿吨，对煤机需求提供有力支撑。

我国煤炭开采机械化率还有很大提升空间。

机械化开采既可以提高回采率，提升煤矿生产效率，也可以降低煤矿安全隐患。

根据《煤炭工业发展“十二五”规划（征求意见稿）》，至2015年我国煤炭开采机械化率将至少达到75%，不排除有进一步超预期的可能性。

我们假设2011-2015年煤炭开采机械化率逐年递增，分别为59.5%、62.5%、67%、72%和75%。

煤炭行业固定资产投资中，改扩建的占比一直在60%左右浮动，我们判断煤机设备需求中更新需求也会超越新建需求，占到50%以上的份额。

更新需求是煤机设备需求中非常重要的组成部分。

据调研了解，煤机设备的使用年限在5年左右，随着开采地质条件越来越复杂，对煤机设备的要求越来越高，使用年限也越来越短。

广义上的煤机，按照煤矿开采的顺序，主要分为勘探设备、综合采掘设备、提升设备、洗选设备、煤炭安全设备和其他设备，以及露天矿设备等。

而狭义上的煤机则是指煤炭综合采掘设备，包括掘进机、采煤机、刮板输送机及液压支架，合称“三机一架”。

本计划中主要涉及的是煤炭综合采掘设备。

成套化和服务化是煤机未来的发展方向。

而现在在现有的成套煤机综采装备制造能力基础上，将加大系统整合力度，力求从综采设备提供商向系统服务提供商和开采方案提供商转型。

而国际国内的主要的煤机设备制造厂商都是单一设备，而不是成套设备，所以对于综采成套化的三维建模和虚拟现实非常有必要，这样有助于提高采煤的效率，安全等各方面，山西作为一个煤机用量最大的省份，有必要综合各单一设备制造厂商，建立一个三维虚拟现实的实验室。

在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的综采成套没有建立，没有完整的设计理论依据，没有可以供分析和验证的数字化虚拟样机作为支撑，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统、运输单元、高端支架一体化综采等核心技术方面有较大差距。

在以往的综采设备的设计过程中，绝大部分都采用二维平面设计，为了赶工期，设计人员往往直接在老图纸上刮去尺寸和线条，手工画上线条，填写新尺寸，这样容易使产品结构等信息表达有误，引起设计部门和制造工艺部门不必要的信息反复，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带来困难。

而后续所有的分析，动态仿真等方面都是以三维实体模型为基础，使整个设计过程都是针对实体特征模型进行，摆脱了二维设计中的局限性。

另外还实现了动态交互的设计的设计功能，随时改变控制参数来满足自己的要求，具有很大的实用性于必要性。

●实现综采设备成套的数字化产品开发

●实现综采设备成套的运动仿真、动态干涉检查、关键设备有限元分析以及优化

●实现综采设备成套的零部件模块化、标准化、系列化，为后续形成综采设备配套标准形成理论依据

●建立虚拟的数字化采煤场景，在不下井的状态也可以实际模拟采煤的整个设备运行

项目研究的主要内容是煤炭综合采掘设备（简称综采设备）的三维建模和虚拟现实。

同时结合国际国内单一的设备提供商整合掘进机、采煤机、刮板输送机及液压支架。

同时根据三维虚拟现实特点研究“三机一架”中各个单独供应商之间的最佳搭配，为综采高效安全提供更好的理论依据，实现完整的综采数字化样机。

为顺利完成项目研究任务，项目承担单位主要进行了前期技术准备工作，对项目的可行性进行了调研，在认真研究调研国内外三维建模和虚拟现实经验的的基础上，结合综采设备厂家和煤矿实际情况进行设计，使整个项目更加科学合理，结合本单位实际情况，确立了适当的研究路线，提出了总体设计思路，并成功的付诸实施。

到目前为止，本项目已完成“三机一架”资料收集以及虚拟现实论证工作。

附主要参考文献目录:

（限700字内）（国内外最有代表性、权威性、时效性的论文或者著作资料，注意参考文献的格式应规范）

术语和缩写

PLM：

产品生命周期管理：

ProductLifecycleManagement的缩写。

管理跨产品整个生命周期所有数据的过程。

扩展了产品数据管理（PDM）的概念，能管理产品配置和产品数据如何使用于后续的生命周期阶段：

生产、运营、支持、回收，以及管理和产品相关的过程数据。

ARCAdvisoryGroup定义了PLM的六个组件：

innovationandportfoliomanagement、项目和Program管理、协同设计、产品数据管理、制造流程规划、服务和支持管理。

CATIA：

法国达索系统公司的CAD解决方案。

Pro/E：

美国参数技术公司的CAD解决方案。

DELMIA：

达索系统公司的数字虚拟现实解决方案。

Division：

美国参数技术公司的数字虚拟现实解决方案。

CAD：

计算机辅助设计：

ComputerAidedDesign的缩写。

DMU：

数字样机：

DigitalMockUp的缩写（也称电子样机），以电子形式表达完整产品的实体建模能力。

能在三维环境中为设计人员提供相互交流的参考数据。

能用于检查部件的干涉或冲突问题，减少制造物理模型，从而减少开发时间和成本。

BOM：

BillOfMaterial的缩写，用于表示高层组件、装配、产品或系统的一个层次化的，子装配、组件或物料的清单。

2.项目的研究内容、研究目标、以及拟解决的关键问题:

（详细阐述围绕地方或行业需求所要解决的关键科学问题的内涵。

主要研究内容要围绕关键科学问题，系统、有机地形成一个整体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。

）（限1000字内）

研究内容：

应突出重点，工作量要适度，要保证资助的经费基本够用，计划时间内可以完成目标。

研究目标：

应是有所创新的理论、重要结论。

拟解决的关键问题：

是相对难以解决的关键问题，是项目的真正难点所在，要仔细分析其理由并给出解决问题的措施。

基于MBD技术的数字化制造是以三维模型的数字化定义为使用依据，实现设计/制造过程的数据共享和集成，全面实施设计/制造的并行工程；建立数字化体系，采用三维设计及装配过程仿真，实现关键工装和零部件的三维数字化设计/制造；全面实现综采成套设备和单一设备制造厂制造数据共享、集成和管理；

综采成套设备三维设计：

建立三维数字化设计系统，全面实现设计的数字化，建立工艺资源库和专家知识库，形成快速工艺设计能力。

特殊零部件设计制造：

使用先进的复合材料设计、制造、分析专用软件，根据综采成套设备设计技术要求，实现成型过程、铺叠、厚度预知、性能预测、缺陷预知等工艺过程的仿真；进行复材零件和复材部件的数字化预装配和装配过程的仿真。

综采成套设备三维虚拟装配：

使用先进的装配仿真软件，建立装配工艺设计验证仿真系统，实现装配过程仿真和工艺设计验证，并实现和PDM的集成。

使用虚拟现实系统，建立装配现场数字化可视系统，取代现行的二维产品图纸和抽象文字性工艺文件，使得工人方便直观地进行装配作业。

利用三维数字化产品定义，建立虚拟的产品维护培训和工程技术支援

数字化产品支援和服务系统提供对矿井操作员、维护人员、管理人员等方面人员的在线培训支持。

性能工程师培训课程包括操作，工作原理等方面。

建立基于协同工作平台的综采成套设备在线技术出版物管理系统，包括：

维护大纲、培训资料、技术资料、维护手册、故障隔离手册、零件图解目录、维护提示、服役中活动报告、服务信件以及临时修改等完备的技术资料。

从综采业务使用角度，本项目的实施目标为：

Ø建立虚拟和仿真验证的环境、实现基于三维的产品数字化虚拟制造和验证；

Ø全三维的虚拟仿真；

Ø实现设计、制造并行。

减少协调时间、提高设计速度、减少错误和更改；

Ø实现面向制造的设计；

Ø实现面向维护的设计；

Ø实现面向使用的设计；

Ø探索建立和形成适应于数字化虚拟制造和仿真的规范；

3.拟采取的研究方案及可行性分析（阐述学术思路、试验手段、技术途径，和国内外同类研究相比的特色和取得突破的可行性分析等）（限1500字内）

研究方法：

要有特色、有创新，如把经典方法和最新技术相结合，要描述细节。

技术路线：

要明确、清晰，让人一目了然。

关键技术：

要切中要害，利用该关键技术可以解决上述的关键技术难题。

可行性分析：

要提供确实可行的理由（从原理上、方法上、技术上及前期研究经验等方面说明）。

3D数字化环境

利用“数字样机”的三维数据，实现基于三维数据信息的3D使用规划，可以进行：

Ø零件的加工3D工艺及仿真、验证

Ø装配件的装配3D工艺及仿真、验证

Ø加工或装配工位3D工艺规划及仿真、验证

Ø装配线或生产线3D工艺规划及仿真、验证

Ø矿井综采的3D规划及仿真、验证

而且，在进行各种工艺规划、仿真和验证的同时，可以生成3D的、图形化的工艺文档和过程演示视频，使工艺方案的评审更加直观和科学。

如果条件具备，可以生成3D可视化的AO（装配大纲）和动态的操作说明，发放到生产现场供工作人员使用，提高工作效率，减少失误，提高产品质量。

此外，还可生成3D维护手册，提高产品服务和支持的质量。

虚拟场景可以帮助煤矿建立一个完整的3D数字环境，并结合人机工程模块，将虚拟的人体模型放置到数字化环境当中，进行人机工效的评估，同时结合QUEST模块，进行人员流、物流以及生产线的分析、模拟，从而真实反映产品从零件到装配、到工位、到流水线、到工厂的生产过程，直观分析产品的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性，并生成相关的分析报告，为企业的决策提供支持。

DELMIA数字制造工艺--装配仿真工具（DPMAssembly）是一个强大的进行装配工艺规划、装配可视化和仿真校验的3D工具。

作为装配设计工具，DPMAssembly使得多级装配顺序、零件装配路径和装配工艺文档的处理变得非常便利。

设计和制造工程师能够使用DPMAssembly来分析装配规划中遇到的各种问题，确定最好的装配工艺，确定产品维护过程中最优的拆卸和重组顺序。

仿真过程和数据可以记录下来，作为车间操作指令、产品维护操作指令和培训教材。

DPMAssembly具有简单易用的图形用户界面，可以在其中同时处理装配、工具、机器人和工人等多种任务。

程序步骤定义好后可以链接到模型中，当步骤改变后，模型会自动更新。

同时，DELMIA具有强大的分析功能，可以分析距离、重心、体积、面积等几何信息，也可以分析装配件之间的截面、间隙、碰撞分析。

主要特点：

面向装配的设计（DFA）－基于3D的工艺规划，可以验证零部件的可装配性；

面向维护的设计（DFM）-从维修的角度来评估产品的设计；

主要实现内容：

Ø产品和装配分析

Ø创建装配顺序

Ø装配优化

Ø装配分析

Ø碰撞检查

Ø在无缝集成的3D环境中，进行工艺设计、细化和验证

Ø装配工艺规划的验证

Ø碰撞分析

Ø碰撞分析/接触分析/间隙分析

Ø截面分析

Ø2D和3D截面分析

Ø单截面（Single）/薄片（Slice）/长方形（Box）

Ø任意形式的2D&3D测量

Ø距离/最小距离/长度…

Ø重量/惯量/体积/面积…

Ø历史数据储存以及实时计算

Ø可以分析出两个零件或同一零件不同版本之间的区别

Ø空间范围分析（BandAnalysis）

Ø自动创建无干涉的拆装路径

Ø仿真记录可以添加文字注释等信息，利于交流

Ø可以添加文字、图形注释信息

Ø可以添加视角变化动画和超级链接（Hyperlink）

Ø数字化装配工艺装配过程仿真

由于大型产品结构零件数量多，装配关系极其复杂，又需要有大量的制造资源支持，致使装配工艺设计难度很大，仅凭工艺工程师的个人的经验，在数字化装配工艺过程设计中就难免会有各种工艺设计错误或工艺设计不合理的情况，如果这些错误在产品实际装配过程才发现的话，就会造成大量的产品、资源返工和工艺修改，甚至整个工艺布局和装配流程的调整，给制造周期、生产成本等都将带来不可估量的损失。

所以三维数字化装配过程仿真是产品实物在实施装配以前对装配工艺进行验证的最佳方法，它时间短、费用低。

4.本项目的特色和创新之处:

（限500字内）

特色：

是指研究设计（学术思想）或实验技术的特色；

创新：

分为原始创新和跟踪创新，包括提出新的的学说、理论，对原有理论的完善；采用新技术、新方法解决科学问题。

创新的表述应概括、精炼。

特色：

国内第一个综采虚拟现实项目

创新：

三维虚拟数字化综采平台是针对现代化煤矿开采建立起来的数字化仿真平台，适用于综采的生产作业仿真。

为煤矿管理人员提供了可靠的决策支持。

实现了矿区布局展示、矿区内部地质构造展示、模拟矿井开采、开采过程实时仿真、机械设备作业实时仿真、安全预警、危险源分析等功能。

如下实现都是在煤机和煤矿结合项目中是第一位。

●实现综采设备成套的数字化产品开发

●实现综采设备成套的运动仿真、动态干涉检查、关键设备有限元分析以及优化

●实现综采设备成套的零部件模块化、标准化、系列化，为后续形成综采设备配套标准形成理论依据

●建立虚拟的数字化采煤场景，在不下井的状态也可以实际模拟采煤的整个设备运行

5.预期研究成果（包括发表相关论文、申请发明专利、人才培养、对学科学位建设作用等，要求有具体的考核指标和人才培养计划）:

（限500字内）

包括研究结果和成果两部分。

研究结果要和预期目标相吻合，要描述可能获取的实验结果（不是重复研究内容）。

研究成果包括：

理论成果（论文、专著、科技奖励）；方法成果（论文、专利、科技奖励）；技术成果（仪器或装备原型、工艺、发明专利、科技奖励）；人才培养（相关的学位论文等）。

在协同环境中，通过调用数据库中存储的设计信息，进行综采设备装配仿真验证。

1、装配干涉的仿真。

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品和产品、产品和工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并示给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否和周边环境有碰撞。

在三维环境中，检查过程非常直观，如图所示。

图.装配干涉的仿真

2、装配顺序的仿真。

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。

虽然配顺序设计是按先里后外的原则设计的，但实际装配时候就发现有零件装不上去，无奈只有拆除别的零件，来先装这个零件，如图.所示。

图.装配顺序的仿真

3、人机工程的仿真。

产品装配的过程，少不了人的参和，产品移动的过程也就是人动作的过程。

在产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。

将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，针对零件的装配，对工人以下工作特性进行分析，如图.所示。

Ø可视性；

是否看得见，看多大范围。

Ø可达性；

工人的身体或肢体是否能到达装配位置。

Ø可操作性；

空间大小或零件重量是否便于工人操作。

Ø舒适性；

工人承受的负荷以及操作时间（次数）是否使工人容易疲劳。

Ø安全性；

工人在较高的位置操作等。

图.人机工程的仿真

4、可视化装配和人员培训。

以上装配过程的三维数字化仿真文件（或制作成AVI文件），可以在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观了解装配全过程，实现可视化装配。

也可用于维护人员的上岗前培训。

5、虚拟数字化采煤工作面仿真。

在工厂三维工艺布局中，放入产品、工人，按照已经设计好的装配工艺流程进行产品、资源、流程及操作者之间溶为一体的三维动态仿真。

通过仿真功能使车间布局更加符合工艺布局原则：

1）遵循工艺规程原则；

2）最短路线原则；

保证各个工位之间、各个设备之间，物料和人员流动的距离最短，采用最优的工艺流程，使物流过程合理，不发生交错和混乱。

从而做到物流畅通、物流时间少，费用低。

3）生产力均衡的原则；

4）充分利用空间和场地的原则；

5）方便运输的原则；

6）安全和环保的原则；

7）快速重组的原则；

6.工作基础（和本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）:

（限500字内）

Ø3D设计基础

Ø工程设计基础

Ø综采设备基础

Ø虚拟现实基础

Ø协同设计平台基础

7.工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家或省重点实验室和部门开放实验室的计划和落实情况）:

（限500字内）

软件部分

ØCATIA

ØDELMIA

ØPro/E

ØDivision

Ø协同设计平台

硬件部分

企业级工作站

8.申请者和项目组主要成员的学历和研究工作简历。

（限1000字内）

近期出版的主要著作目录（填写格式：

第×作者（申请人名）·书名·出版者·年份）；

近期发表的主要论文目录（填写格式：

第×作者（申请人名）·题目·刊名·年份·卷（期）·页码，论文被收录引用情况·影响因子·区间·学科类别）；

学术奖励情况（需说明排名顺序）；

青年基金申请者还应注明学位论文名称及导师姓名和工作单位；

申请者已发表主要论文复印件首页（限5篇，和申请书一并装订成册）；

应包括申请者及所有成员的信息。

项目分阶段计划进度（时间精确到月）

时间区间

计划进度及完成的主要研究工作

年月到年月

年月到年月

年月到年月

年月到年月

申请者承担国家和省、部级其它研究项目的情况（包括863计划、973计划、攻关计划及各部委、省市任务等）

计划类别

项目名称

起止年月

负责或参加

进展或完成情况

申请者承担国家和省自然（青年）科学基金项目的情况

批准号

项目名称

起止年月

负责或参加

进展或完成情况