FAST饋源支撐系統(tǒng)三維可視化模型的創(chuàng)建

曹子騰 郭陽(yáng) 趙正旭 孫才紅 張慶海

摘? 要： 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)因其安全可靠被許多特定的企業(yè)和單位使用。中標(biāo)麒麟系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中較為成熟的一個(gè)系統(tǒng)。Blender是一款跨平臺(tái)的三維動(dòng)畫制作軟件，功能強(qiáng)大且可以在任何主流的操作系統(tǒng)上工作。在中標(biāo)麒麟系統(tǒng)下，用Blender建模軟件對(duì)“天眼”FAST中的一部分——饋源支撐系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行了創(chuàng)建，并選取其中的一部分，對(duì)其模型的創(chuàng)建過程進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。

關(guān)鍵詞： 中標(biāo)麒麟;Blender;FAST;饋源支撐系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP391.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.006

本文著錄格式：曹子騰，郭陽(yáng)，趙正旭，等. FAST饋源支撐系統(tǒng)三維可視化模型的創(chuàng)建[J]. 軟件，2019，40（10）：2529

Creation of Three-Dimensional Visualization Model for FAST Feed Support System

CAO Zi-teng1*， GUO Yang1， ZHAO Zheng-xu2， SUN Cai-hong3， ZHANG Qing-hai1

（1. Shijiazhuang TieDao University， Institute of Complex Networks and Visualsations， HeBei Shijiazhuang 050043;

2. School Of Mechanical and Automotive Engineering， Qingdao University of Technology， ShanDong Qingdao 266520;

3. Nation Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100012）

【Abstract】： Native operating system is used by many specific enterprises and companies because of its security and reliability. The NeoKylin system is one of the native operating systems， and it is relatively mature. Blender is a cross-platform 3D animation production software， powerful and can be used in any mainstream operating system. Under the NeoKylin system， the 3D model of the Feed Support System， which is a part of the Five-Metre-Radio Telescope （FAST）， is created by using Blender modeling software. Some of them are selected and their modeling process is introduced in detail.

【Key words】： NeoKylin; Blender; FAST; Feed support system

0? 引言

Windows操作系統(tǒng)雖然因?yàn)槠浜?jiǎn)單易用所以使用更加廣泛，但是安全性較低，不適用于特定的單位或個(gè)人使用，比如涉及到國(guó)家機(jī)密的機(jī)關(guān)單位或政府部門。2013年的“棱鏡門”和2014年Windows停止對(duì)XP系統(tǒng)的服務(wù)等事件讓越來越多的人開始注重信息的安全問題。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，各種網(wǎng)絡(luò)信息的盜取手段也更加猖獗[1]。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)信息安全的影響尤為重要，已經(jīng)成為我國(guó)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的核心戰(zhàn)略科技之一[2]，網(wǎng)絡(luò)信息安全與隱私保護(hù)得重要性也日益凸顯[3-4]。近年來，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，也因其更加安全可靠被越來越多的部門單位或個(gè)人使用。國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)大部分是以Linux為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)的操作系統(tǒng)，近些年來發(fā)展十分迅速，相對(duì)Windows操作系統(tǒng)更加安全可靠。中標(biāo)麒麟是國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中發(fā)展較為成熟，使用較為廣泛的系統(tǒng)，是由兩大國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)“中標(biāo)Linux”和“銀河麒麟”合并后的新品牌。中標(biāo)麒麟系統(tǒng)的桌面設(shè)置和Windows十分接近，安裝軟件等操作也更加簡(jiǎn)單和人性化[5-6]。

Blender是一款三維動(dòng)畫制作軟件[7]，開源且跨平臺(tái)可用，可以使用在大部分操作系統(tǒng)上，例如Windows和Linux等常見的操作系統(tǒng)。

五百米口徑射電望遠(yuǎn)鏡（“天眼”，F(xiàn)AST）是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。是世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[8]，于2016年順利完工。饋源支撐系統(tǒng)是FAST幾大重要構(gòu)成部分之一，因?yàn)镕AST是我國(guó)自主研發(fā)的科技成果，其創(chuàng)建圖紙等知識(shí)產(chǎn)權(quán)都需要嚴(yán)密地保護(hù)，所以創(chuàng)建模型時(shí)采用相對(duì)安全的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)——中標(biāo)麒麟系統(tǒng)，在中標(biāo)麒麟系統(tǒng)下，使用Blender對(duì)饋源支撐系統(tǒng)的一部分進(jìn)行了三維模型的創(chuàng)建，將數(shù)據(jù)可視化[9-10]，對(duì)其中六個(gè)饋源支撐塔之一以及索驅(qū)動(dòng)部分建模過程進(jìn)行了詳細(xì)地介紹和成品展示。

1? FAST饋源支撐系統(tǒng)

“天眼”FAST坐落于貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼，因?yàn)榇说鬲?dú)特的喀斯特地貌被選址于此，其口徑為五百米。主要有四大組成系統(tǒng)，分別為主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)、接收系統(tǒng)[10]。饋源支撐系統(tǒng)又包括饋源艙、饋源支撐塔、索驅(qū)動(dòng)、柔索等結(jié)構(gòu)組成，是一個(gè)大跨度的剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)[11]。其中饋源艙是用來精確調(diào)整饋源接收機(jī)的系統(tǒng)[12]，重約30噸，接收機(jī)主要用來準(zhǔn)確收集接收到的脈沖信號(hào)等信息，所以對(duì)饋源艙的運(yùn)動(dòng)精度要求十分嚴(yán)格。饋源艙被六根柔性鋼索[13]牽引在饋源支撐塔上，可以在一個(gè)直徑約為200米的球冠面上運(yùn)動(dòng)[14]。饋源支撐塔共有六座，用來支撐饋源艙。六座塔分布在一個(gè)半徑為600米的圓上，該圓圓心也是五百米口徑球面的圓心，按順時(shí)針排序分別為1H、3H、5H、7H、9H、11H，高度均超過100米，最高的塔高度超過179米，最低的塔也有約129米，塔頂平臺(tái)海拔高度一致。索驅(qū)動(dòng)部分又包括塔頂導(dǎo)向滑輪、塔底導(dǎo)向滑輪、地面卷?yè)P(yáng)機(jī)等部分構(gòu)成，用來精確控制饋源艙的運(yùn)動(dòng)。FAST饋源支撐系統(tǒng)各部分位置分布如圖1所示。

FAST是我國(guó)自主研發(fā)的科研成果，其圖紙信息都被精密地保護(hù)，其中FAST饋源支撐系統(tǒng)是其中具有創(chuàng)新意義的一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)其三維模型進(jìn)行創(chuàng)建與對(duì)外展示，使用相對(duì)較安全的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)替換Windows操作系統(tǒng)是很有必要的。

2? 饋源支撐塔的建模過程

“天眼”FAST饋源支撐塔是饋源支撐系統(tǒng)的基座，承載著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和柔性鋼索等設(shè)施，共有六座，分布在一個(gè)直徑為六百米的圓周上，命名依次為1H、3H、5H、7H、9H、11H，六座塔的分布如圖2所示。由于FAST所處的天然的喀斯特地貌，為了使塔頂平面所放設(shè)備層的高度一致，六座塔的高度都不相同。本文對(duì)六座塔之一——3H的建摸過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。建模過程分為豎直方向和水平方向兩部分。

2.1? 豎直方向上的建模過程

3H所處位置如圖2所示，高度為161500毫米，整座塔縱向被分為了十八部分，分別根據(jù)圖紙，在Blender對(duì)每一部分的三維模型進(jìn)行創(chuàng)建。首先對(duì)第一部分與第二部分進(jìn)行創(chuàng)建，其單線表CAD圖紙的前視圖和右視圖如圖3所示。

支撐塔3H主要由圓柱型鋼管結(jié)構(gòu)與角鋼結(jié)構(gòu)組成，角鋼和圓柱型鋼管的三維模型如圖4所示。

支撐塔每座在豎直方向上共有四個(gè)面。第一部分與第二部分的“前后面”和“左右面”略有不同，主要不同之處在圖3中所示L6-L8處與L9-L11處的

鋼管的長(zhǎng)度不同，所以偏轉(zhuǎn)的角度也不相同。創(chuàng)建過程是：先對(duì)其中一個(gè)面進(jìn)行創(chuàng)建。對(duì)整座塔每一根圓柱的創(chuàng)建都需要獲得四部分信息，分別為：長(zhǎng)度、直徑、偏轉(zhuǎn)角度、坐標(biāo)。其中長(zhǎng)度和直徑在圖紙中可以獲得，偏轉(zhuǎn)角度和坐標(biāo)需要進(jìn)行計(jì)算。為了方便建模過程中的坐標(biāo)計(jì)算，初步選定圖3中星型位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，這樣可以求得每一根柱體的具體位置坐標(biāo)，使得模型精確度更高。

例如圖3中標(biāo)號(hào)為①的圓柱體的創(chuàng)建過程：在對(duì)①號(hào)圓柱所在面進(jìn)行創(chuàng)建時(shí)只需涉及到xoy面，已知①號(hào)圓柱體的長(zhǎng)度為ls，高度為L(zhǎng)5，利用反正弦函數(shù)可以計(jì)算①號(hào)圓柱體的偏轉(zhuǎn)角度。計(jì)算公式為：

（1）

其中θ表示鋼管偏轉(zhuǎn)角度，h表示其所在梯形的高，ls表示鋼管長(zhǎng)度。，將高度L5與長(zhǎng)度ls代入公式中可得與z軸偏轉(zhuǎn)角度為5.71°（保留小數(shù)點(diǎn)后兩位）。

坐標(biāo)的計(jì)算需要根據(jù)幾何圖形關(guān)系計(jì)算，在①號(hào)圓柱體與②號(hào)柱體所處的等腰梯形中，上底長(zhǎng)度已知，下底長(zhǎng)度已知，高度已知，所以計(jì)算xz軸坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

（2）

將①號(hào)圓柱體的參數(shù)信息代入公式可得出其坐標(biāo)為（–4450，–2900），同理可分別得出②號(hào)柱體坐標(biāo)為（4450，–2900），單位是毫米。在Blender中將對(duì)應(yīng)參數(shù)輸入后創(chuàng)建相應(yīng)模型，再將支撐塔3H的第一、二部分的其他柱體利用相似方法創(chuàng)建可得圖5所示。

將整個(gè)面按相同方法創(chuàng)建好。豎直方向的面創(chuàng)建好后，需將整個(gè)面旋轉(zhuǎn)5.71度，這時(shí)需要用到3D游標(biāo)，將要旋轉(zhuǎn)的面全部選中后，在下方功能欄中“Pivot center for rotation/scaling”選項(xiàng)由默認(rèn)的“邊界框中心”改成“3D Cursor”，隨后在右方狀態(tài)欄設(shè)置3D游標(biāo)的坐標(biāo)為（0，0，0），再使用旋轉(zhuǎn)工具——“rotation”，設(shè)定好參數(shù)值5.71°即可以以設(shè)定好的3D游標(biāo)位置為中心按設(shè)定的軸旋轉(zhuǎn)。將四個(gè)面全部旋轉(zhuǎn)后可得到豎直方向上的三維模型。

2.2? 水平方向上的建模過程

豎直方向的三維模型創(chuàng)建好后，還需創(chuàng)建水平方向的三維模型，水平方向的CAD圖紙共有兩種分別如圖6中所示。

水平方向上的三維模型創(chuàng)建好后，需要將其移動(dòng)到對(duì)應(yīng)高度位置，水平方向的三維模型如圖7所示。

將豎直方向與水平方向上的模型全部創(chuàng)建好后，模型成品如圖8中“整體”所示，三視圖如圖8中“俯視圖”、“前視圖”和“右視圖”所示。

3? 索驅(qū)動(dòng)的建模過程

饋源艙由鋼索連接到饋源支撐塔上，需要在一定范圍的空間中運(yùn)動(dòng)，所以需要在支撐塔上安裝索驅(qū)動(dòng)，以此來精確控制饋源艙的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)支撐塔上都有一套索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一套索驅(qū)動(dòng)的主要部分包括塔頂導(dǎo)向滑輪、地面導(dǎo)向滑輪以及地面卷?yè)P(yáng)機(jī)等。地面卷?yè)P(yáng)機(jī)通過柔性鋼索與地面導(dǎo)向滑輪相連，再與塔頂導(dǎo)向滑輪相連，繼而連接饋源艙控制饋源艙的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)這三部分三維模型進(jìn)行創(chuàng)建，并以塔頂導(dǎo)向滑輪為例，介紹建模過程以及過程中使用的一些基本建模方法。

3.1? 塔頂導(dǎo)向滑輪

塔頂導(dǎo)向滑輪位于塔頂平臺(tái)，位置如圖1中所示。塔頂導(dǎo)向滑輪通過鋼索與饋源艙連接，整體高度約為2700毫米，由滑輪、滑輪支座、上支座、中間支座、下支座、擋繩架和一些必要的螺絲釘?shù)冉M成。以滑輪支座的模型創(chuàng)建為例，在滑輪支座的創(chuàng)建過程中，采用了添加“boolean修改器”的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所創(chuàng)建物體的切割等操作。距離流程為：先創(chuàng)建基礎(chǔ)物體，在計(jì)算好所要切下部分的角度和長(zhǎng)度以后，創(chuàng)建相應(yīng)的輔助物體，旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，為基礎(chǔ)物體添加修改器，在“Add Monitor”中，選擇“boolean”，在“Operation”選項(xiàng)中選擇差值“Difference”，然后在對(duì)象“Object”中用拾取器拾取準(zhǔn)備求差的物體，再應(yīng)用該修改器點(diǎn)擊“Apply”，隨后將輔助物體刪除即可。在塔頂導(dǎo)向滑輪的滑輪支座創(chuàng)建中使用該方法創(chuàng)建完成后得到的模型如圖9所示。

索驅(qū)動(dòng)中有很多螺絲釘，用來銜接支座、擋繩架等部件，所以在模型的創(chuàng)建過程中螺絲釘也是關(guān)鍵部分。但是由于螺絲釘數(shù)量多，采用傳統(tǒng)的一一創(chuàng)建的方法會(huì)消耗大量的時(shí)間，所以采用Blender中的“Array（陣列）修改器”，可以對(duì)規(guī)律分布的、大量的螺絲釘進(jìn)行創(chuàng)建。流程為：在創(chuàng)建好一個(gè)螺絲釘后，選擇“Add Monitor”，選擇陣列修改器“Array”，計(jì)算好偏移量以后，在相對(duì)偏移中設(shè)置好偏移量，直接選擇所需要的數(shù)目即可得到一組線性排列的結(jié)果如圖所示。如果螺絲釘在滑輪上呈環(huán)形分布且分布規(guī)律，可以采用環(huán)形陣列的方式，選擇陣列修改器“Array”，再創(chuàng)建一個(gè)空物體作為物體偏移的標(biāo)準(zhǔn)，將空物體縮放旋轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)陣列的形狀的角度的變換，兩種陣列的效果如圖10所示。

將整個(gè)塔頂導(dǎo)向滑輪創(chuàng)建完成后的三維模型如圖11所示。

3.2? 地面導(dǎo)向滑輪與塔底卷?yè)P(yáng)機(jī)

地面導(dǎo)向滑輪通過鋼索與塔頂導(dǎo)向滑輪相連接。位置如圖1中所示。地面卷?yè)P(yáng)機(jī)通過鋼索與地面導(dǎo)向滑輪連接，用來控制繩索方向牽引地面導(dǎo)向滑輪進(jìn)而牽引塔頂導(dǎo)向滑輪，從而牽引饋源艙，控制饋源艙的運(yùn)動(dòng)。地面導(dǎo)向滑輪與地面卷?yè)P(yáng)機(jī)的三維模型創(chuàng)建方法與塔頂導(dǎo)向滑輪的過程類似，主要都用到了修改器，例如修改器中的“boolean”和“Array”。二者的三維模型創(chuàng)建完成后如圖所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

“天眼”FAST是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科研項(xiàng)目之一，在其建成并投入使用后，二維圖片是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能將其每一部分都詳細(xì)展示的，所以創(chuàng)建其三維模型是很有必要的。其中饋源支撐系統(tǒng)是FAST中具有創(chuàng)新意義的，也是FAST中不可或缺的一部分。因?yàn)镕AST的圖紙必須受到精密地保護(hù)，考慮到常用的Windows操作系統(tǒng)可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，所以采用了相對(duì)較為安全的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中標(biāo)麒麟系統(tǒng)，再使用跨平臺(tái)可用的軟件工具Blender對(duì)饋源支撐系統(tǒng)中的一部分進(jìn)行了三維模型的創(chuàng)建，得到了較為精確的三維模型，可為今后對(duì)FAST的學(xué)習(xí)、研究和參觀提供一種新的途徑。

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