水閘運(yùn)行控制仿真及三維效果

肖建華 ，朱 瑛

（1.石家莊市冶河灌區(qū)管理局，河北 石家莊 050000；2.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

面向通用任務(wù)的三維交互在國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，通常將交互任務(wù)分成 3 類：漫游、選擇/操縱和系統(tǒng)控制。復(fù)雜的交互任務(wù)都可以由這3 個(gè)基本的子任務(wù)組合完成[1]。面向任務(wù)的交互主要考慮幾何層面上的變換，語義與交互結(jié)合的應(yīng)用將交互上升到語義層，并面向用戶的意圖。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展語義交互方面的研究，如文獻(xiàn) [2]、[3]為場景中的每個(gè)物體提供了一套規(guī)則，充分利用了物體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如父子關(guān)系、兄弟關(guān)系，研究了物體的移動(dòng)和動(dòng)態(tài)成組的實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn) [3]實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于約束語義雙手交互場景布局系統(tǒng)，通過語義識(shí)別和反饋實(shí)現(xiàn)物體的精確定位，實(shí)現(xiàn)快速、高效的場景布局。

以人為中心，自然、高效的交互特性將是發(fā)展新一代人機(jī)交互的主要目標(biāo)[4]。語義交互是達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的有效手段，它為場景中的每個(gè)對(duì)象提供 1 套規(guī)則，當(dāng)用戶操縱這些對(duì)象時(shí)必須遵守這套規(guī)則[5]。

交互語義（IS）可以用 1 個(gè) 5 元組來表示[5]：IS =〈object，rule，action，task，feedback〉，object，rule，action，task，feedback 分別表示交互對(duì)象、規(guī)則、用戶行為、任務(wù)和反饋信息，并將語義分為供給語義（AS）和關(guān)聯(lián)語義（RS）。

文獻(xiàn) [6]定義了語義對(duì)象的概念，提出了通用領(lǐng)域中的語義交互體系結(jié)構(gòu)和過程，語義對(duì)象由圖形、行為、規(guī)則、交互和應(yīng)用等構(gòu)件構(gòu)成。這些構(gòu)件形成了通用領(lǐng)域的交互框架。

由于水利工程中的交互具有領(lǐng)域性，語義交互體系結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改進(jìn)。為保證水利工程中的水工建筑物正常、安全地運(yùn)行，通過三維實(shí)時(shí)仿真有助于管理人員的培訓(xùn)和預(yù)演。目前水利工程三維仿真很少能為工作人員提供一個(gè)易于操作的交互界面，往往將簡單的操作復(fù)雜化，雖然實(shí)現(xiàn)了控制水工建筑物運(yùn)行的功能，卻不能“理解”用戶的操作意圖。目前在文獻(xiàn)中還沒有水利工程中使用語義技術(shù)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的先例。因此，將語義交互技術(shù)結(jié)合到水利工程仿真環(huán)境中具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 水利工程的語義交互體系結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)水利領(lǐng)域中語義對(duì)象的應(yīng)用，需對(duì)現(xiàn)有語義交互體系結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)。水利工程中的語義對(duì)象由外觀、交互、規(guī)則、行為和任務(wù)等部件構(gòu)成，交互體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示[7]。

圖1 水利工程語義對(duì)象的交互體系結(jié)構(gòu)

將語義對(duì)象看成 1 個(gè)黑盒，接收交互事件，部件之間通過調(diào)用和反饋完成一系列的變換后輸出外觀上的反饋信息。水利虛擬環(huán)境中的語義對(duì)象包括水工建筑物、設(shè)備、水流對(duì)象等。

外觀部件描述了對(duì)象的外觀信息，定義了對(duì)象的物理屬性，包括水工建筑物的運(yùn)行屬性、設(shè)備的顏色和紋理屬性等。交互部件接收交互事件，包括用戶的操作事件和由關(guān)聯(lián)語義描述的狀態(tài)變化事件。規(guī)則部件描述了語義對(duì)象必須遵循的規(guī)則、約束條件等。行為部件描述了語義對(duì)象完成任務(wù)過程中的一系列行為（即狀態(tài)的轉(zhuǎn)化）。任務(wù)部件描述的是語義對(duì)象要完成的任務(wù)，即達(dá)到用戶意圖的中間步驟。

交互事件分發(fā)給特定的語義對(duì)象，交互部件負(fù)責(zé)接收交互事件和行為，并調(diào)用規(guī)則和任務(wù)部件解析交互事件，創(chuàng)建交互任務(wù)，最后將任務(wù)交付給行為部件執(zhí)行。用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行用戶的交互意圖，完成 1 個(gè)交互應(yīng)用。交互應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)需要若干相關(guān)聯(lián)的語義對(duì)象協(xié)同完成。

水利工程場景中的語義對(duì)象用場景圖組織和描述，場景圖是有向非循環(huán)圖，提供了一種面向?qū)ο蟮膶蛹?jí)結(jié)構(gòu)方式來描述和組織三維虛擬場景，廣泛應(yīng)用于交互式三維應(yīng)用程序中。

2 水利虛擬環(huán)境中的語義交互建模

語義交互技術(shù)與具體應(yīng)用領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)，有必要對(duì)水利工程環(huán)境進(jìn)行語義研究。語義交互模型描述交互的運(yùn)作過程，提供了一個(gè)創(chuàng)建交互式系統(tǒng)的框架[8]。對(duì)水工建筑物的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行建模，為用戶提供一個(gè)控制虛擬水工建筑物運(yùn)行的交互環(huán)境。

2.1 水工建筑物的物理模型

從交互的角度出發(fā)，水工建筑物可分為 2 類：一類是固定的，如各種壩、堤、廠房、隧洞等；另一類是可以控制運(yùn)行的，如閘門、水泵等。本文主要考慮水利工程虛擬環(huán)境中可運(yùn)行的水工建筑物、操作設(shè)備及場景變化。閘門和水泵是水工建筑物的重要組成部分，可以是泄水和引水建筑物，在仿真環(huán)境中最為常見。

水工建筑物的結(jié)構(gòu)為運(yùn)行控制提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，物理特征往往是其他特征的載體。借鑒文獻(xiàn) [9]中對(duì)虛擬裝配零件信息的描述方式，水利工程虛擬交互環(huán)境中水工建筑物的物理特征用 BNF 范式表示如下：

＜物理特征＞:: = ＜標(biāo)識(shí)＞＜名稱＞＜模型＞＜位置屬性＞[＜運(yùn)行屬性＞]

＜位置屬性＞:: = ＜位置＞＜方向＞

＜運(yùn)行屬性＞:: = ＜運(yùn)行狀態(tài)＞＜運(yùn)行類型＞＜運(yùn)行速度＞

＜運(yùn)行狀態(tài)＞:: = ＜靜止＞|＜運(yùn)行＞

＜運(yùn)行類型＞:: = ＜直線類型＞＜旋轉(zhuǎn)類型＞

＜運(yùn)動(dòng)速度＞:: = ＜平移線速度＞＜旋轉(zhuǎn)角速度＞

可以利用 XML 文檔描述語義對(duì)象的物理模型，易于在任何應(yīng)用程序中讀寫數(shù)據(jù)，足以表示水工建筑物的物理特征，便于用戶靈活配置和修改語義對(duì)象的屬性。

2.2 交互對(duì)象的語義模型

交互對(duì)象是在交互過程中物理特征會(huì)發(fā)生變化的語義對(duì)象，變化的物理特征由外觀部件體現(xiàn)。水利工程虛擬環(huán)境中，按鈕是響應(yīng)交互事件的語義對(duì)象，用戶通過操作按鈕觸發(fā)三維交互過程。閘門的升降、水泵的開啟關(guān)閉及引起的泄水和引水現(xiàn)象是最終的交互應(yīng)用，體現(xiàn)了用戶的交互意圖。三維交互過程中每個(gè)交互對(duì)象完成各自的交互任務(wù)，這些交互任務(wù)共同構(gòu)成 1 個(gè)交互應(yīng)用。

水利工程環(huán)境中有關(guān)虛擬水工建筑物運(yùn)行的語義對(duì)象主要有閘門、水泵、按鈕設(shè)備及水流對(duì)象等。語義對(duì)象的交互部件調(diào)用規(guī)則和任務(wù)部件對(duì)交互事件進(jìn)行解析，創(chuàng)建交互任務(wù)。這里的交互事件既包括用戶的操作，也包括對(duì)象自身的狀態(tài)變化事件，交互事件觸發(fā)交互部件的運(yùn)行。語義建模的工作是對(duì)以上解析過程進(jìn)行描述，并對(duì)交互事件、規(guī)則及任務(wù)進(jìn)行分析，最后完成交互任務(wù)的創(chuàng)建。交互任務(wù)本質(zhì)上描述了語義交互對(duì)象狀態(tài)的改變過程，由行為部件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

2.2.1 按鈕設(shè)備對(duì)象的語義建模

水利工程虛擬環(huán)境中用戶不能直接操作水工建筑物，為了約束用戶的交互，通過按鈕設(shè)備觸發(fā)對(duì)應(yīng)的建筑物運(yùn)行。用戶通過操作按鈕控制相應(yīng)水工建筑物的運(yùn)行，系統(tǒng)同時(shí)給用戶相應(yīng)的反饋，表明交互的進(jìn)度和結(jié)果。按鈕設(shè)備對(duì)象的交互任務(wù)可描述為：

1）改變按鈕設(shè)備（操作箱和按鈕）對(duì)象的狀態(tài)；

2）按鈕控制水工建筑物的運(yùn)行。

用戶的靠近、遠(yuǎn)離、push 和 release 等交互操作由系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為交互事件并傳遞給交互部件。交互部件調(diào)用按鈕對(duì)象的規(guī)則部件（可激活的距離）查詢按鈕是否在可操作范圍之內(nèi)，并進(jìn)行語義解析，確定要完成的任務(wù)，交互部件調(diào)用行為部件進(jìn)行按鈕狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

按鈕設(shè)備語義模型的形式化表達(dá)如下：

公式左側(cè)描述了交互事件和規(guī)則等，公式右側(cè)是語義對(duì)象要完成的交互任務(wù)，一般是狀態(tài)的改變。active 表示按鈕設(shè)備的激活語義。設(shè)備包括操作箱和按鈕 2 部分，active (d) 表示操作箱打開，按鈕處于可操作狀態(tài)。用戶化身 a 與設(shè)備 b 的距離小于 x 時(shí)設(shè)備激活。交互過程為：用戶在場景中漫游時(shí)，系統(tǒng)將漫游操作轉(zhuǎn)化成交互事件，交互部件調(diào)用規(guī)則部件查詢與化身的距離是否在可操作范圍之內(nèi)，規(guī)則部件返回設(shè)備的狀態(tài)值。按鈕未激活時(shí)用戶對(duì)按鈕的按下操作是無效的。當(dāng)規(guī)則部件返回按鈕可操作（激活）的信息時(shí)，交互部件調(diào)用行為部件完成按鈕從未激活狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，行為部件進(jìn)一步調(diào)用外觀部件反映狀態(tài)轉(zhuǎn)化的可視反饋。這樣就完成了 1 個(gè)按鈕設(shè)備激活的任務(wù)。

inactive 表示按鈕設(shè)備的未激活語義，a 與 d 的距離大于等于 x 時(shí)操作箱關(guān)閉，按鈕不能操作。設(shè)備激活后用戶就可以操作設(shè)備中的按鈕，控制相應(yīng)的水工建筑物運(yùn)行。

假設(shè)設(shè)備 d 中有 n 個(gè)按鈕，b ={b1，b2，…，bn}，按鈕彈出和按下狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如式（3）所示：

在設(shè)備 d 被激活并且按鈕 b 彈出的狀態(tài)下，用戶的 push 操作使按鈕轉(zhuǎn)化成按下狀態(tài)；

式（4）中設(shè)備 d 被激活并且按鈕 b 按下，用戶的 release 操作使按鈕彈出。

按鈕控制水工建筑物的過程可描述為：設(shè)備被激活后，用戶利用外部設(shè)備進(jìn)行操作（鼠標(biāo)點(diǎn)擊、虛擬手或語音命令等），轉(zhuǎn)化成按下或彈起事件后傳遞給交互部件。交互部件調(diào)用規(guī)則和任務(wù)部件并得到響應(yīng)后，行為部件即調(diào)用外觀部件實(shí)現(xiàn)按下和彈起狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 閘門對(duì)象的語義建模

閘門對(duì)象的任務(wù)部件描述的是閘門的運(yùn)行情況，包括運(yùn)行方式（上升或下降），開啟和關(guān)閉的速度等，以及閘門與水流的關(guān)聯(lián)語義。

可以將閘門看成 1 個(gè)語義對(duì)象，也可以將閘門的各個(gè)部件拆分成多個(gè)語義對(duì)象，描述各部件之間的關(guān)聯(lián)語義，根據(jù)應(yīng)用的要求選擇不同的處理方式。在注重環(huán)境變化的應(yīng)用中不需要過多的閘門細(xì)節(jié)，將閘門封裝成 1 個(gè)對(duì)象即可；在檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用場合下則需要注重閘門各個(gè)部件的細(xì)節(jié)，以便為學(xué)員呈現(xiàn) 1 個(gè)閘門的詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型。

按鈕的控制事件由交互部件描述，交互部件調(diào)用規(guī)則部件查詢閘門的運(yùn)行狀態(tài)，啟閉速度等，并與任務(wù)部件完成對(duì)交互事件的解析，創(chuàng)建交互任務(wù)。交互任務(wù)描述了閘門（各個(gè)部件）狀態(tài)的變化，行為部件調(diào)用外觀部件實(shí)現(xiàn)閘門開度的變化和對(duì)水流、水位狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置。用戶有手動(dòng)和自動(dòng) 2 種方式控制閘門的升降，手動(dòng)控制有上升、下降和停止 3 個(gè)按鈕，用戶可隨意控制閘門的開度；自動(dòng)模式使閘門由當(dāng)前狀態(tài)自動(dòng)運(yùn)行到一個(gè)設(shè)定的高度。

閘門對(duì)象的語義模型：水工建筑物的狀態(tài)變化由按鈕的按下狀態(tài)瞬間觸發(fā)，按鈕由按下到彈起狀態(tài)的轉(zhuǎn)換沒有控制作用，水工建筑物永遠(yuǎn)按照最近的按鈕按下事件和相應(yīng)的規(guī)則運(yùn)行。其交互語義可形式化表示如下：

若 F (b) ：b 是使閘門上升的按鈕；

按下控制閘門 g 的上升按鈕，并且 g 的當(dāng)前高度未達(dá)到上限時(shí)，閘門 g 上升。

若 F (b)：b 是使閘門下降的按鈕；

按下控制閘門 g 的“下降”按鈕，并且閘門開度大于 0 時(shí)，閘門 g 下降。

若 F (b) ：b 是使閘門停止的按鈕；

閘門 g 的停止按鈕被按下時(shí)，閘門停止運(yùn)行。

若 F (b) ：b 是使閘門按設(shè)定值運(yùn)行的按鈕；

“按設(shè)定值升/降”是自動(dòng)模式下按鈕，控制閘門運(yùn)行至設(shè)定的高度 h。當(dāng)前高度高于 h 時(shí)閘門下降，反之上升。

2.2.3 水流對(duì)象的語義建模

閘門的狀態(tài)變化是引起水流對(duì)象狀態(tài)變換的交互事件。水流對(duì)象的交互部件接收事件，通過規(guī)則部件查詢引起水流水位的變化效果，并獲得水流水位的各種參數(shù)，然后調(diào)用任務(wù)部件創(chuàng)建水流狀態(tài)變化的交互任務(wù)，調(diào)用行為部件實(shí)現(xiàn)水流和水位相應(yīng)的狀態(tài)變化。行為部件則調(diào)用外觀部件反饋給用戶逼真的水流效果。

與閘門相關(guān)的水流對(duì)象語義交互的形式化表示：

relate (s, g ) 描述了閘門與水流的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)閘門關(guān)閉（即開度為 0）時(shí)，不會(huì)有水閘泄流的場景，水流對(duì)象未激活；閘門的閘位高于 0 時(shí)，水流對(duì)象被激活，場景中添加水流對(duì)象。交互部件通過規(guī)則部件獲得各種參數(shù)后，行為部件調(diào)用外觀部件反饋水閘泄流的場景，并且使上游水位降低，下游水位升高。從而完成一個(gè)水閘泄流及水位變化的任務(wù)。

3 水利工程虛擬環(huán)境中的語義交互實(shí)現(xiàn)

本文采用 OpenSceneGraph（簡稱 OSG）來組織環(huán)境中的語義對(duì)象。OSG 提供了多種類型的節(jié)點(diǎn)以執(zhí)行各種各樣的交互功能，用以實(shí)現(xiàn)每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的空間屬性、運(yùn)動(dòng)特性等變換，因此可以描述水利工程虛擬環(huán)境中的場景組織和語義交互對(duì)象的物理及語義特征。

3.1 用戶交互控制的實(shí)現(xiàn)

用戶利用按鈕設(shè)備對(duì)水工建筑物進(jìn)行控制，它是通過按鈕語義對(duì)象的調(diào)用執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的。

1）設(shè)備激活和未激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)

用戶遠(yuǎn)離按鈕設(shè)備時(shí)，操作箱的蓋子合上表明設(shè)備未激活；靠近設(shè)備時(shí)，操作箱的蓋子打開，告訴用戶現(xiàn)在可以操作設(shè)備。

按鈕設(shè)備包括外部的操作箱和內(nèi)部的按鈕，包圍盒碰撞檢測前將設(shè)備的按鈕節(jié)點(diǎn)從遍歷過程中刪除[10]。設(shè)備未激活時(shí)刪除按鈕子節(jié)點(diǎn)，保留操作箱關(guān)閉狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，使用戶只能與外部的操作箱交互；設(shè)備激活時(shí)操作箱的蓋子打開，并添加按鈕節(jié)點(diǎn)。

2）按鈕按下和彈出狀態(tài)轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)

按鈕對(duì)象被操作時(shí)需要給用戶 1 個(gè)可視反饋。按鈕外觀顯示紅色表示某個(gè)功能按鈕已被按下。

3）交互事件及關(guān)聯(lián)語義的實(shí)現(xiàn)

按鈕的作用是控制水工建筑物的運(yùn)行。用戶按下按鈕時(shí)系統(tǒng)將接收到用戶的操作（如鼠標(biāo)點(diǎn)擊、虛擬手觸摸）轉(zhuǎn)化成鼠標(biāo)按下事件。這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)可以在 OSG 中重寫 osgGA::GUIEventHandler handle 函數(shù)，程序運(yùn)行時(shí) Viewer 將調(diào)用每個(gè) GUI 事件的 handle( ) 函數(shù)，直到其中 1 個(gè)的 handle ( ) 函數(shù)返回 true 為止。

3.2 水工建筑物交互對(duì)象的實(shí)現(xiàn)

語義對(duì)象通過各個(gè)部件的協(xié)同工作完成交互過程，外觀部件反饋語義對(duì)象物理特征的變化。行為部件實(shí)現(xiàn)交互任務(wù)，完成水工建筑物狀態(tài)的轉(zhuǎn)化及關(guān)聯(lián)語義的實(shí)現(xiàn)。

1）水工建筑物狀態(tài)轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)

在場景圖中為水工建筑物模型節(jié)點(diǎn)添加變換節(jié)點(diǎn)，交互信息根據(jù)規(guī)則部件設(shè)置變換節(jié)點(diǎn)的變換方式。規(guī)則部件主要描述水工建筑物的運(yùn)動(dòng)屬性，包括運(yùn)動(dòng)類型和運(yùn)行速度等，其中運(yùn)動(dòng)類型決定了對(duì)象平移或旋轉(zhuǎn)的變換方式。每個(gè)水工建筑物都有 1 個(gè)變換和模型節(jié)點(diǎn)。

水工建筑物交互對(duì)象的物理信息由 XML 形式化描述，系統(tǒng)初始化時(shí)讀取 XML 中的信息設(shè)定對(duì)象的屬性。

2）關(guān)聯(lián)語義的實(shí)現(xiàn)

水工建筑物狀態(tài)的變化會(huì)引起水流的變化。水流的狀態(tài)定義為開啟和關(guān)閉，開啟狀態(tài)對(duì)應(yīng)場景圖中水流節(jié)點(diǎn)。閘門在上升或下降過程中會(huì)引起水流形態(tài)的變化，而水流的狀態(tài)由閘門的開度決定：當(dāng)開度為 0 時(shí)水流關(guān)閉，開度大于 0 時(shí)水流開啟。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以水庫為例，主要建筑物有擋水壩、引水建筑物、電站廠房等，實(shí)驗(yàn)原型為壩上有閘控制泄洪，閘門形式為平板閘門。

大壩、地形、設(shè)備等使用 3DS MAX 建模，采用OSG 組織場景，在 Visual Studio 2005 集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行仿真控制和三維效果展示如圖 2 所示。

圖2 閘門運(yùn)行的仿真控制和三維效果

圖2 中，a 圖表示按下第 2 個(gè)閘門的上升按鈕，閘門上升并產(chǎn)生泄流現(xiàn)象。下降按鈕控制閘門下降，如果閘門上升或下降過程中按下停止按鈕，閘門停止，否則閘門會(huì)一直上升到上限或下降至閘門的下限。b 圖表示第 2 個(gè)閘門上升到最大值，第 3 個(gè)閘門按設(shè)定值升/降時(shí)的運(yùn)行效果。

當(dāng)設(shè)備操作箱打開時(shí)，用戶才可以操作設(shè)備。用戶可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊功能按鈕，按鈕接收交互事件后進(jìn)行狀態(tài)改變，并設(shè)置閘門的運(yùn)行狀態(tài)，然后啟動(dòng)閘門，水流根據(jù)閘門的高度展示泄流場景。

5 結(jié)語

自然、逼真、高效的三維交互已成為新一代人機(jī)交互技術(shù)，其技術(shù)關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)對(duì)人的意圖的理解。本文以水利工程建筑物中最常見的水閘為例，研究了閘門運(yùn)行場景中的交互模型，采用形式化描述定義了閘門、控制柜、水流等交互對(duì)象的語義，并運(yùn)用于仿真控制和三維效果展示之中，為三維交互技術(shù)開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

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