1、论 文考试科目： 虚拟现实技术 学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息科学类 班 级： 2011211209 班内序号： 16 学 号： 2011211097 姓 名： 高星星 任课教师： 宋荆洲 北京邮电大学时间：2012 年 12 月 29 日石化行业安全预警物联网系统的构建高星星（北京邮电大学电子工程学院）内容摘要石油化工是我国国民经济的重要基础产业和支柱产业。随着国民经济和科学技术的发展,石油化工企业在我国国民经济建设中占据了越来越重要的地位,石油化工产品的应用已渗透到人们的生产生活的各个领域。但是，由于石油化工生产企业由于其特殊性，自身存在着众多危险源。于是安全预警系统就具有十分
2、大的现实意义。而利用虚拟现实技术，我们可以获得实时准确，详细的信息，从而预防危害的发生。本文主要介绍虚拟现实技术在石化行业安全预警物联网系统中的一些设想的应用。关键词：采集、传输、处理、数据库、现实模拟一、背景介绍随着我国石油和化工行业的迅速发展，面临的挑战和竞争是前所未有的，同时暴露出的问题也愈来愈多，特别是关于安全、健康、环境等方面的问题和潜在威胁日益突出。主要表现有以下几方面：1)超大型石化生产装置、储存装置的日益增多，重大危险源的数量不断增加;2)化学品经营、运输业的快速发展，形成了大量流动危险源;3)大量长输油、输气的管线建设，由于横跨不同地区，所处地理环境十分复杂，构成了新的危险因
3、素;4)由于城市的快速发展和城市规划管理的薄弱，很多化工企业建在市区，或十年前处于城市郊区但现在已被城市包围，居民区、生产区混杂，特别是城市加油站、加气站均建于市区，并有相当数量建在人口密集区，潜在危险性增大。安全生产形式十分严峻，加强安全管理的任务非常艰巨。近年来，随着我国石化工业的发展，安全管理部门积累并探索出大量组织安全生产的经验。二、项目简介安全预警物联网系统主要通过传感器以及电子追踪器等电子通讯元件进行数据的采集与传输；通过建立数据库来进行数据的监控与处理；最后将处理后的报告传输到中控中心，由中控中心进行现实的模拟以及作出相应的决策。与此同时，要进行虚拟现实的模拟必须具备输入输出设备
4、以及计算机的处理。输入设备我们通过传感器和 GPS 定位系统来实现；输出设备我们通过视觉感知设备和听觉感知设备来实现；对于数据的处理，我们通过建立庞大的环境信息以及人员信息数据库来对输入信息对比分析输出。三、预期成果1、预期功能1)监测人为施工，检测地质变化以及设备损坏（主要是燃气泄露） 。2)精确定位事故发生地点、地段。3)预警功能微机室组织抢险、抢修提供可靠信息。4)虚拟现实技术的应用更加准确地获得实时情况信息。2、具体硬件、软件设计通过合理的电路元件的应用，比如各式传感器电路和适当的放大电路的设计来实现数据的采集功能；通过传输电路的设计和应用来实现信息的传送功能；通过数据库的编程的建立来
5、实现数据的处理功能。四、主要研究内容和应用技术1、系统流程介绍安全预警物联网系统主要分为三大块，即数据采集系统；数据传输系统及数据的处理和模拟系统，而虚拟现实技术的主要应用就在数据的处理和模拟系统这一模块。1） 、数据采集系统：主要由追踪器和传感器件来实现，我们可以实现对员工工作信息及其环境信息进行采集。2） 、信息传输系统：主要应用射频等无线传输技术进行传输。3） 、数据处理:对于采集数据的处理我们主要依靠数据库的信息来进行对比分析，比利用虚拟现实技术进行现实的模拟，这样的话假如环境不符合条件或者发生危险时，就会发出预警信号，我们可以根据具体的模拟出来的现实结果作出相应的决策。2、数据的采集
6、主要通过传感器和追踪器来实现数据的采集，并且对传感器检测到的微弱的信号进行放大，主要采集员工环境温度、有害气体浓度、湿度、以及光线亮度，还可以根据具体的要求加入相应的传感器件；并用追踪器件采集员工具体信息。1)、温度传感器：感应温度的变化，使敏感元件( 如：热敏电阻、热电偶等)的阻值发生变化，从而在电路中，使输出的电压发生变化，在电路中运用放大器变化放大。2)、湿度传感器： 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。3)、危险气体浓度传感器：它可以实时地检测危险气体的浓度信息，当浓度达到一定的
7、安全标准下限时就会发出预警信号。4)、光敏传感器，主要由光敏电阻制成，通过电阻对光线的感知从而产生电信号的变化，这样我们就把光信号转换成了电信号，并且用模拟放大器进行信号的放大。 （对应的图是器件和工作原理电路图）5)、个人认证：主要采集员工信息，使之与相应的环境信息相匹配，我们就能够模拟出每个员工的工作环境状况。要想达到这个目的，当然我们还要给员工进行定位，追踪器是主要的法宝。6)、追踪器：追踪器，它的构造原理主要应用到的知识就是我们所学习的模拟电子技术、数字电子技术、射频电子、信号与系统等课程，与此相关的积分变换，还有复变函数等基础。我们可以根据需求设计出相应的追踪器。3、数据传输系统一种
8、短距离无线传输路由器的设计与实现：作为无线产业的新领域，短距离为几米到几百米，首先来介绍短距离无线数据传输技术。1） 、无线技术是通过无线电波在自由空间（包括空气和真空）传播信息的技术，它利用导体中电流强弱的改变会产生无线电波这一原理，将信息加载于无线电波之上，当电波通过空间传播到达接收端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过一定的方法将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息和数据传输的目的。2） 、短距离无线通信的特征：短距离通信和长距离无线通信有很多方面的区别，主要的特征如下：无线发射功率小，从几 W 到小于 100W；通信距离短，范围从几厘米到几百米可以，可以多搭建硬件以提高距
9、离；使用全向天线和线路板天线；不需要申请无线频道；高频操作等。3）射频技术：射频即 Radio Frequency，通常缩写为 RF。表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从 300KHz30GHz 之间。射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于 1000 次的交流电称为低频电流，大于10000 次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。电磁波频率高于100khz 时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，射频技术在无线通信领域中被广泛使用4）整体信息传输：根据信息传输的编码解码，调制与解调，以
10、及发射与接收，我们可以完成信息的传输。4、数据处理系统当人员信息以及环境数据通过各种方式到达终端处理时，我们主要采用的是无限通信模块，所以，信息到达后，传输到中央微控制进行处理。在数据的处理过程，我们主要应用数据库对一个员工和环境信息的基本存储，最后对比分析处理输出结果，并进行现实模拟。1） 、数据库的建立：在一个石化企业中，我们需要对这样一个数据库进行系统上的管理，和数据的处理。虚拟世界数据库主要存放的是整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。在虚拟世界中含有大量的物体，在数据库中就需要有相应的模型。2）虚拟现实模拟技术：VR（虚拟现实技术）是一项综合集成技术，涉及 计算机图形学、人机交互技术、
11、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的 3D 世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。在这里我们主要应用虚拟现实技术中的第一种和第三种情况，即模仿真实世界中的环境。这样我们就能准确地知道工作环境以及设备环境的实时情况，一旦发生故障我们就能及时作出相应的处理。为了逼真地模仿真实，要求逼真地建立几何模型和
12、物理模型。这是实现虚拟现实技术的系统仿真的功能。第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。对于环境中空气的速度、温度、压力数据我们通过传感器件已经获得，但是我们的视觉和听觉不能感觉到。进行放大尺度的模仿，使人能看到。这是虚拟现实系统科学可视化的功能。 五、系统运行经过传感器的读入和信息的传输以及处理，应用虚拟现实技术，我们可以实现系统的一个准确预警功能。在中控中心，我们不仅可以接收到石化行业各个工作地点的环境状况和人员状况的具体数据参数，而且我们可以直接感受到现实环境的状况。在设备发生故障时，根据我们收到的参数的变化和现实的模拟我们可快速找到故障设备并且进行维修。当发生爆炸或者火灾时，系统
13、会发出预警，在中控中心的人员组就可以根据具体状况作出相应的措施，大大减少人员的伤亡以及企业的损失。六、虚拟现实技术具体介绍早在 60 年代初，随着 CAD 技术的发展，人们就开始研究立体声与三维立体显示相结合的计算机系统。80 年代，Jaron Lanier 提出了“虚拟现实“VR（Virtual Reality）的观点，目的在于建立一种新的用户界面，使用户可以置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中，并可以通过眼、手、耳或特殊的空间三维装置在这个环境中“环游“ ，创造出一种“亲临其境 “的感觉。虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。与传统的计算机人机界面（如
14、键盘、鼠标器、图形 用户界面以及流行的 Windows等）相比，虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。传统的人机界面将用户和计算机视为两个独立的实体，而将界面视为信息交换的媒介，由用户把要求或指令输入计算机，计算机对信息或受控对象作出动作反馈。虚拟现实则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视化，形成一个逼真的环境，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各种信息，并由此控制计算机。主要有以下几个特点：1、虚拟现实首先是一种可视化界面技术，可以有效地建立虚拟环境，这主要集中在两个方面，一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型，二是环境的可视化及渲染。2、虚拟现实仅是计
15、算机系统设置的一个近似客观存在的环境，为用户提供逼真的三维视感、听感、触感和嗅感的感受。它是硬件、软件和外围设备的有机组合。3、用户可通过自身的技能以 6 个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。4、 虚拟现实的关键是传感技术。5、虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术。可感知动态数据库技术与文字识别、图像理解、语音识别和匹配技术关系密切，并需结合高速的动态数据库检索技术。6、虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面，更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互，并在精神感觉上进入环境。它需要结合人工智能，模糊逻辑和神经元技术。因此，当我们把虚拟现实技术应用于安全预警物联网系统中时，系统将会在预警方面具有更加可靠、准确、实时、现实的特色，为我们做出决策做好了基础。既保障人员安全，又保证了企业的质量。插图：设备维修 设备检测设备维修 输油管道中设备应用加油站 系统参数中控中心
