本发明属于数据驱动三维可视化模型，具体涉及一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台及其开发方法。
背景技术：
1、目前在钢铁行业高炉运行实际场景中，操作人员对高炉内部的了解观察存在局限性。在工业领域中无论是设计、制造还是服务，都需要精确地测量物理实体的各种属性、参数和运行状态，以实现精准地分析和优化。但是操作人员很少能直接通过异常信息就精准地确定其在高炉的检测位置。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台及其开发方法。
2、一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，包括料柱模块、炉壁模块、渣皮模块、风口模块和炉缸模块；所述料柱模块用于用户观察高炉内部布料仿真、炉料跟踪到软融带形状的整体炉料变化过程；所述炉壁模块用于用户观察高炉冷却壁热负荷分布，并能精确地查询到显示异常数据的冷却壁所有的数据信息；所述渣皮模块用于用户观察高炉渣皮形成、脱落的动态变化，并能精确地查询到渣皮高度异常的位置信息；所述风口模块用于用户观察高炉风口回旋区火焰变化，使用户实时了解调剂手段对各段气流的影响效果；所述炉缸模块用于用户观察炉缸炉底三维侵蚀形貌及温度场分布图。
3、进一步地，所述风口模块中基于实时数据驱动风口回旋区域火焰的动态变化的方法具体为：
4、步骤1：fluent中的流体动力学的控制方程创建，包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分守恒定律及湍流输运方程；
5、步骤2：根据高炉设计图纸创建与实际高炉炉缸比例为1:1计算模型，在网格生产后输出为mesh文件，导入fluent中进行计算；
6、在对几何模型进行模拟计算前，根据测量的风口回旋区域的计算公式创建一个进行计算的流场区域模型，对流场区域进行位置与类型进行设定；按照真实参数输入边界条件，利用fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行结果处理生成流场数据；
7、步骤3：将fluent生成流场数据转换为可用于虚幻4引擎动态可视化渲染的矢量场的流程图；
8、将fluent生成的流场数据，使用lidarimport节点来导入流场数据，file设置为.ply文件路径；创建一个add节点将相邻的点进行连接，通过bound节点规划流场数据边界；用vbdformpolygons节点将曲面属性转换为vdb体积基元，再用volumevelocityformcurves获取其内部曲线切线方向的速度，整体数据通过merge进行数据整合，然后用volumetrail节点生成速度轨迹，通过popnetwork节点构建复杂的矢量场的粒子效果，最后labsvectorfieldexport节点导出高炉风口回旋区矢量场.fga文件；
9、步骤4：基于虚幻引擎的niagara粒子系统进行数据的三维可视化显示；将高炉风口回旋区矢量场.fga文件通过sample vector field节点导入到niagara粒子系统中；从高炉监测系统中获取数据点的风口的位置信息和监测数值信息，并将其分别保存在tarry数据类型的变量中；在粒子系统发射器中，基于数据库中array<fvector>positions数据点的数量来设置粒子的生成数量，根据所需的风口可视化效果来设置粒子模型及粒子的生命周期；
10、步骤5：在虚幻引擎的niagara粒系统的niagaramodulescript模块添加单位粒子所受到的速度强度控制方程式particle.velocity＝fvector(0.0f,0.0f,customspeed*deltatime)，根据httpwebrequest请求后台数据，再用数据返回的信息控制风口回旋区火焰的虚拟数据展示，从而实现数据驱动风口回旋区粒子运动。
11、进一步地，所述步骤2中风口回旋区域的计算公式具体包括：
12、(1)鼓风质量m：
13、
14、(2)鼓风速度u0：
15、
16、(3)鼓风动能e：
17、
18、(4)风口回旋区深度d：
19、
20、(5)风口回旋高度h：
21、
22、(6)风口回旋深度：
23、
24、其中，q0为标准状态下的鼓风量；n为高炉工作风口数；s为单个风口截面积；dpc为焦炭直径；p为鼓风风压；wr为回旋区宽度；dt为风口直径；d为风口回旋深度；v鼓风风量；t为鼓风温度。
25、进一步地，所述步骤5中customspeed的具体数学描述为：
26、根据某一时间矢量场中的一条曲线，曲线上的任意一点的切线方向与改变其旋转的角速度一致，即：
27、
28、其中，
29、在流场的末封闭周线上，流体速度矢量沿周线的线积分定义速度环量，用符号γ表示，即
30、
31、进一步地，所述料柱模块中基于高炉的数据信息，料柱的动态变化根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制高炉的炉料变化，通过虚幻4引擎的niagara粒子系统中的粒子分层技术区分炉料和焦炭，软融带和铁水通过粒子特效处理，模拟高炉布料过程。
32、当前一组测量的料柱深度h0大于新测量的料柱深度h1时，表示炉料下降，设置niagara变量的值h2＝h0-t×(h1-h0)/n，t为料柱变换的时间，n为料柱变换的次数，直至h2＝h1时运算结束；
33、当前一组测量的料柱深度h0小于新测量的料柱深度h1时，表示炉料上升，设置niagara变量的值h2＝h0+t×(h0-h1)/n，直至h2＝h1时运算结束。
34、进一步地，所述炉壁模块中高炉冷却壁热负荷分部根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制高炉冷却壁热负荷分布的虚拟数据展示，基于虚幻4引擎的目标渲染功能将炉缸的3d矢量坐标系转换成2d矢量坐标系，同时运用材质的颜色叠加技术模拟高炉冷却壁的热负荷。
35、进一步地，所述渣皮模块中基于高炉的数据信息，渣皮的动态变化根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息，通过极向量算法转换成位置坐标(x1,y1)再把坐标赋予虚幻4引擎的niagara粒子系统上，并根据渣皮厚度限值设定颜色变化；
36、x1＝r1 cosθ，y1＝r1 sinθ，r1＝r-t1
37、其中，r为炉壁半径，t1为检测到的渣皮厚度，r1为渣皮点半径，θ为检测点角度。
38、进一步地，所述炉缸模块中炉缸炉底三维侵蚀根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制侵蚀的虚拟数据展示，基于虚幻4引擎的目标渲染功能将炉缸的3d矢量坐标系转换成2d矢量坐标系，同时运用材质的置换功能模拟炉缸的侵蚀形态。
39、一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台的开发方法，包括以下步骤：
40、步骤1：获取现场数据，运用虚幻4引擎通过http协议与高炉数据库创建链接，提出请求，数据库接收请求，并根据请求返回相应的json数据；
41、步骤2：数据解码，创建一个空的json对象，然后调用decode-json函数，再使用getfield函数检索所需的数据；
42、步骤3：数据整理，按照数据类型对数据进行分组，包括料线深度、渣皮厚度、冷却壁温度，并在虚幻4引擎中存储；
43、步骤4：根据料线深度、标高、厚度数据，通过虚幻4引擎中的naigrar系统生成布料过程动态可视化模型，该模型可以实时地显示高炉内部物料、软融带等料柱动态变化；
44、步骤5：运用虚幻4引擎将需要进行3d热力展示的数据对坐标进行归一，以需要展示的数据为灰度值，烘焙成一张灰度图；材质对灰度图进行采样并根据采样到的灰度信息，对gpu instance生成的gpu粒子进行相应处理形成热力颜色渐变图，再根据冷却壁温度、高度、角度数据，在检测点上设置对应温度颜色，生成动态3d热力图；
45、步骤6：以每个高炉渣皮检测点的数据形成蒙皮网格体，并根据渣皮厚度数据实时形成姿势，用虚幻4引擎的naigrar系统进行相应的处理形成渣皮可视化模型；
46、步骤7：根据风口回旋深度、鼓风动能、煤气量数据，基于虚幻4引擎的naigrar系统及三维矢量场技术生成高炉风口回旋区三维动态可视化模型；
47、步骤8：根据炉缸残存厚度、炉底残存厚度数据，生成炉缸炉底侵蚀三维可视化模型，至此完成高炉数据可视化平台。
48、本发明的有益效果在于：
49、本发明通过数字化建模手段，将高炉、冷却壁等实体信息数字化，并与传感器、监控系统等数据源相连接，实时获取高炉生产过程中的数据。本发明提供的基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台可以对生产流程进行模拟和优化，找出生产中的瓶颈和问题，进而改进生产流程，提高生产效率。同时，平台还可以对高炉的运行情况进行及时的监测和预测，及时发现高炉内部异常信息并进行维护，提高高炉的使用寿命。
1.一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：包括料柱模块、炉壁模块、渣皮模块、风口模块和炉缸模块；所述料柱模块用于用户观察高炉内部布料仿真、炉料跟踪到软融带形状的整体炉料变化过程；所述炉壁模块用于用户观察高炉冷却壁热负荷分布，并能精确地查询到显示异常数据的冷却壁所有的数据信息；所述渣皮模块用于用户观察高炉渣皮形成、脱落的动态变化，并能精确地查询到渣皮高度异常的位置信息；所述风口模块用于用户观察高炉风口回旋区火焰变化，使用户实时了解调剂手段对各段气流的影响效果；所述炉缸模块用于用户观察炉缸炉底三维侵蚀形貌及温度场分布图。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述风口模块中基于实时数据驱动风口回旋区域火焰的动态变化的方法具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述步骤2中风口回旋区域的计算公式具体包括：
4.根据权利要求2所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述步骤5中customspeed的具体数学描述为：
5.根据权利要求1所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述料柱模块中基于高炉的数据信息，料柱的动态变化根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制高炉的炉料变化，通过虚幻4引擎的niagara粒子系统中的粒子分层技术区分炉料和焦炭，软融带和铁水通过粒子特效处理，模拟高炉布料过程；
6.根据权利要求1所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述炉壁模块中高炉冷却壁热负荷分部根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制高炉冷却壁热负荷分部的虚拟数据展示，基于虚幻4引擎的目标渲染功能将炉缸的3d矢量坐标系转换成2d矢量坐标系，同时运用材质的颜色叠加技术模拟高炉冷却壁的热负荷。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述渣皮模块中基于高炉的数据信息，渣皮的动态变化根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息，通过极向量算法转换成位置坐标(x1,y1)再把坐标赋予虚幻4引擎的niagara粒子系统上，并根据渣皮厚度限值设定颜色变化；
8.根据权利要求1所述的一种基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台，其特征在于：所述炉缸模块中炉缸炉底三维侵蚀根据httpwebrequest请求后台数据，根据数据返回的信息控制侵蚀的虚拟数据展示，基于虚幻4引擎的目标渲染功能将炉缸的3d矢量坐标系转换成2d矢量坐标系，同时运用材质的置换功能模拟炉缸的侵蚀形态。
9.一种权利要求1所述基于虚幻4引擎开发的高炉数据可视化平台的开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
