虚拟现实的船闸监控系统
摘 要随着国家对水利事业的日益重视和国内外虚拟现实技术的不断发展，信息化、自动化应用于建设水利事业的需求也日益明显。为推动水利工程事业的发展，提高区域经济社会效益和保障人民的生产生活安全，一个功能全面、便于操作、更加直观高效的船闸监控系统成为了水利信息自动化的迫切需求。本系统是运用三维仿真来模拟真实船闸的运行调度并实现虚拟和现实的有机结合，从而对船闸进行实时监测和智能调度的综合性自动化系统，相比于传统的二维船闸监控系统有着直观简洁、形象生动、易于交互和信息提取的特点。该系统后台设有专门服务器进行数据的管理和传输，可以实时将信息准确快速的进行反馈，从而便于及时的对船闸进行合理调度。本文首先介绍了基于虚拟现实的船闸监控系统的课题背景及意义以及现有船闸监控系统的特点和现状，并进行了对比。随后对一些相关的概念技术进行了简要的介绍。接着重点介绍了该系统的需求分析，概要设计和详细设计。最后对本文做了总结和对系统的展望。基于虚拟现实的船闸监控系统不仅有着重要的科学研究意义，也有着很强的应用推广价值。相信如果能将虚拟现实等技术运用到真实的船闸管理业中实现类似水利工程设施管理的智能调度，将会使决策更加科学、高效，也将会带来可观的经济社会效益。摘 要 4
目 录
Abstract 5
第一章 绪论 10
1.1课题背景及意义 10
1.1.1课题背景 10
1.1.2课题意义 10
1.2研究内容和主要工作 11
1.3开发工具简介 12
第二章 系统相关理论与技术 14
2.1虚拟现实技术 14
2.1.1虚拟现实简介 14
2.1.2 虚拟仿真的构架实现 15
2.2.SketchUp 16
2.3数据库 16
2.4服务器 16
2.5硬件零件介绍 17
2.5.1 超声波测距离传感器 17
2.5.2 Arduino 17
2.5.3步进电机 18
2.5.4接口 18
第三章 需求分析 20
3.1业务需求 20
3.2功能需求 20
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1功能划分 20
3.2.2功能描述 21
3.3性能需求 23
3.3.1数据精准度 23
3.3.2时间特性 23
3.3.3适应性 24
3.4运行环境 24
3.4.1硬件环境 n 24
3.4.2软件环境 n n 24
3.5接口需求 25
3.5.1用户接口需求 25
3.5.2通信接口需求 25
3.6可靠性和可用性需求 26
3.7出错处理需求 26
第四章 概要设计 28
4.1设计原则 28
4.2设计思路 28
4.3系统总体结构设计 29
4.4系统数据库的设计 29
4.5系统服务器的设计 29
第五章 详细设计 30
5.1设计思路 30
5.2模型的构建 30
5.2.1船闸模型 30
5.2.2场景建模 30
5.3界面设计 32
5.3.1主界面 32
5.3.2小地图 32
5.3.3电机界面 33
5.3.4闸门界面 33
5.3.5控制台界面 34
5.3.6消息界面 35
5.4服务器系统 35
5.4.1服务器搭建 35
5.4.2客户端搭建 37
5.5硬件部分的实现 38
5.5.1步进电机驱动模块 38
5.5.2 Arduino实现串口通信 38
5.5.3仿真实验的演示 39
5.6关键代码及说明 39
5.6.1俯视地图代码控制 39
5.6.2船闸动画代码控制 41
5.6.3模型的材质属性及交互代码 45
5.6.4摄像机控制代码 46
5.6.5控制步进电机的代码 47
5.6.6 Arduino与unity3D交互的程序代码 48
第六章 总结与展望 49
6.1总结 49
6.2展望 50
致 谢 51
参考文献 52
附录：英文文献翻译 53
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
水是生命的源泉，是我们生活和生产活动中不可或缺的物质，在人类的生存和发展中起着不可替代的作用。兴水利、除水害从古时起就是关乎国民的大计，水利事业关系着经济的长期平稳发展和社会的和谐稳定，是保障和改善民生的迫切需要。2011年的中央一号文件也显示出国务院对于加快水利改革发展的决心。可以说，水利事业已成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。
中国是建造船闸的最早的国家，船闸是厢形的水工建筑物，用来保证船舶顺利通过航道。在航运、防洪、排涝、灌溉、生态平衡等方面有着多重效益。船闸的建设对于有效控制水位，充分开发、科学利用水资源，保证航运正常进行，减轻自然灾害造成的危害，灌溉农田提供生产生活的保障，促进生态可持续发展具有十分重要的意义，其可靠性和运行效率也直接影响到航运安全和运输效率。随着河流的开发和航运的发展，船闸的数量逐渐增多，要求的技术也越来越高。在船闸的安全管理业中，信息化、自动化、智能化、规范化已经成必然。为了提高船闸运行管理的效率，实现科学合理快速的调度，一系列管理系统应运而生。
1.1.2课题意义
为了充分发挥船闸在水利水电枢纽工程中的作用，促进国民经济建设和社会发展，提高船闸综合管理水平，调度科学化合理化智能化，可以在原有的自动化控制基础上，考虑将虚拟现实技术应用到船闸的管理建设中。这将大大提高水利工程的效益，适应国家水利发展的要求，给人们的生产生活带来福利。
计算机技术的进步让实时监测和控制得以实现自动化智能化的远程控制，人们可以通过调度方案来对船闸进行开启关闭的控制。传感器技术的发展让实时获取闸门的数据和相关信息，时刻监测闸门的运行状态，及时捕捉异常并反馈异常状况成为可能，这大大改善了传统的消耗人力物力的低效率现场监控状况，在很大程度上提高了水利工程管理的安全性、稳定性，促进了现代化信息管理的发展。
然而现今的船闸监控系统大多以二维表格形式的界面来显示诸多信息，有着信息冗余，界面不直观，难以操作的缺陷。无法将船闸的全貌和各模块的运营情况生动形象的展示出来，这就让一个新型的界面简洁，形象直观，操作性强，易于交互和信息提取的船闸管理系统的需求变得愈加迫切。
本系统针对这一课题作了充分的研究，通过实地考察，针对常州地区自然环境和水运的特点进行了一系列的分析和数据采集，打破了传统的管理系统模式，基于虚拟现实技术，开发了三维虚拟可视化的船闸监控管理系统。
目 录
Abstract 5
第一章 绪论 10
1.1课题背景及意义 10
1.1.1课题背景 10
1.1.2课题意义 10
1.2研究内容和主要工作 11
1.3开发工具简介 12
第二章 系统相关理论与技术 14
2.1虚拟现实技术 14
2.1.1虚拟现实简介 14
2.1.2 虚拟仿真的构架实现 15
2.2.SketchUp 16
2.3数据库 16
2.4服务器 16
2.5硬件零件介绍 17
2.5.1 超声波测距离传感器 17
2.5.2 Arduino 17
2.5.3步进电机 18
2.5.4接口 18
第三章 需求分析 20
3.1业务需求 20
3.2功能需求 20
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1功能划分 20
3.2.2功能描述 21
3.3性能需求 23
3.3.1数据精准度 23
3.3.2时间特性 23
3.3.3适应性 24
3.4运行环境 24
3.4.1硬件环境 n 24
3.4.2软件环境 n n 24
3.5接口需求 25
3.5.1用户接口需求 25
3.5.2通信接口需求 25
3.6可靠性和可用性需求 26
3.7出错处理需求 26
第四章 概要设计 28
4.1设计原则 28
4.2设计思路 28
4.3系统总体结构设计 29
4.4系统数据库的设计 29
4.5系统服务器的设计 29
第五章 详细设计 30
5.1设计思路 30
5.2模型的构建 30
5.2.1船闸模型 30
5.2.2场景建模 30
5.3界面设计 32
5.3.1主界面 32
5.3.2小地图 32
5.3.3电机界面 33
5.3.4闸门界面 33
5.3.5控制台界面 34
5.3.6消息界面 35
5.4服务器系统 35
5.4.1服务器搭建 35
5.4.2客户端搭建 37
5.5硬件部分的实现 38
5.5.1步进电机驱动模块 38
5.5.2 Arduino实现串口通信 38
5.5.3仿真实验的演示 39
5.6关键代码及说明 39
5.6.1俯视地图代码控制 39
5.6.2船闸动画代码控制 41
5.6.3模型的材质属性及交互代码 45
5.6.4摄像机控制代码 46
5.6.5控制步进电机的代码 47
5.6.6 Arduino与unity3D交互的程序代码 48
第六章 总结与展望 49
6.1总结 49
6.2展望 50
致 谢 51
参考文献 52
附录：英文文献翻译 53
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
水是生命的源泉，是我们生活和生产活动中不可或缺的物质，在人类的生存和发展中起着不可替代的作用。兴水利、除水害从古时起就是关乎国民的大计，水利事业关系着经济的长期平稳发展和社会的和谐稳定，是保障和改善民生的迫切需要。2011年的中央一号文件也显示出国务院对于加快水利改革发展的决心。可以说，水利事业已成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。
中国是建造船闸的最早的国家，船闸是厢形的水工建筑物，用来保证船舶顺利通过航道。在航运、防洪、排涝、灌溉、生态平衡等方面有着多重效益。船闸的建设对于有效控制水位，充分开发、科学利用水资源，保证航运正常进行，减轻自然灾害造成的危害，灌溉农田提供生产生活的保障，促进生态可持续发展具有十分重要的意义，其可靠性和运行效率也直接影响到航运安全和运输效率。随着河流的开发和航运的发展，船闸的数量逐渐增多，要求的技术也越来越高。在船闸的安全管理业中，信息化、自动化、智能化、规范化已经成必然。为了提高船闸运行管理的效率，实现科学合理快速的调度，一系列管理系统应运而生。
1.1.2课题意义
为了充分发挥船闸在水利水电枢纽工程中的作用，促进国民经济建设和社会发展，提高船闸综合管理水平，调度科学化合理化智能化，可以在原有的自动化控制基础上，考虑将虚拟现实技术应用到船闸的管理建设中。这将大大提高水利工程的效益，适应国家水利发展的要求，给人们的生产生活带来福利。
计算机技术的进步让实时监测和控制得以实现自动化智能化的远程控制，人们可以通过调度方案来对船闸进行开启关闭的控制。传感器技术的发展让实时获取闸门的数据和相关信息，时刻监测闸门的运行状态，及时捕捉异常并反馈异常状况成为可能，这大大改善了传统的消耗人力物力的低效率现场监控状况，在很大程度上提高了水利工程管理的安全性、稳定性，促进了现代化信息管理的发展。
然而现今的船闸监控系统大多以二维表格形式的界面来显示诸多信息，有着信息冗余，界面不直观，难以操作的缺陷。无法将船闸的全貌和各模块的运营情况生动形象的展示出来，这就让一个新型的界面简洁，形象直观，操作性强，易于交互和信息提取的船闸管理系统的需求变得愈加迫切。
本系统针对这一课题作了充分的研究，通过实地考察，针对常州地区自然环境和水运的特点进行了一系列的分析和数据采集，打破了传统的管理系统模式，基于虚拟现实技术，开发了三维虚拟可视化的船闸监控管理系统。
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