摘  要： 通過對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行分類，以立罐為建模對(duì)象，就立罐構(gòu)模元素進(jìn)行分析，提出立罐的三維數(shù)據(jù)模型，并給出了其基本構(gòu)模元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先將立罐空間剖分成底面、側(cè)面和頂面等易于建模的部分，然后對(duì)其剖分后各個(gè)部分的三維建模方法、步驟進(jìn)行了詳細(xì)探討。最后將這些剖分的部分集成起來，構(gòu)成了立罐的三維空間實(shí)體模型。以VC++為程序設(shè)計(jì)語言，采用OpenGL三維圖形函數(shù)包做為圖形顯示工具，開發(fā)出儲(chǔ)油罐三維建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并以立罐和臥罐為例進(jìn)行三維建模，實(shí)驗(yàn)證明了三維數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、建模方法及步驟是可行的，為研究“數(shù)字石化”提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)油罐；立罐；數(shù)據(jù)模型；三維建模；數(shù)字石化

    數(shù)字石化是指以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為手段全面實(shí)現(xiàn)石化設(shè)備、石化設(shè)施和企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化[1-3]。石化企業(yè)設(shè)備、設(shè)施以及廠區(qū)的三維可視化以及相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)都是數(shù)字石化的一部分內(nèi)容。現(xiàn)如今，三維建模已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用，如地礦部門[4-6]、石油存儲(chǔ)地層建模[7-9]、數(shù)字城市[10-11]等，卻鮮有石化方面的三維模擬研究見諸公眾。
    大型儲(chǔ)油罐是石化企業(yè)最重要的設(shè)備之一，它具有很大的容積，有著廣泛的應(yīng)用。一些大的石化企業(yè)都有專門的場(chǎng)地存放儲(chǔ)油罐，其數(shù)量往往達(dá)到幾百甚至上千個(gè)，這為石化企業(yè)的管理帶來了困難。為了能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)這些儲(chǔ)油罐進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理(例如儲(chǔ)油罐的儲(chǔ)油量、消防等)，研究?jī)?chǔ)油罐的三維模擬就顯得十分重要和有意義，這也為“數(shù)字石化”的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。本文將以最常見的儲(chǔ)油罐——圓柱形立罐為例，主要針對(duì)其三維數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法進(jìn)行研究，并以VC++為程序設(shè)計(jì)語言，以O(shè)penGL為三維圖形顯示工具，對(duì)所研究的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)模方法進(jìn)行驗(yàn)證。
1 儲(chǔ)油罐的分類及三維數(shù)據(jù)模型
1.1 儲(chǔ)油罐的分類
    儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)存油品的容器，它是石油庫的主要設(shè)備。儲(chǔ)油罐按材質(zhì)可分金屬油罐和非金屬油罐；按所處位置可分地下油罐、半地下油罐和地上油罐；按安裝形式可分立式、臥式；按形狀可分圓柱形、方箱形和球形[12]。由于立罐具有代表性，本文將以圓柱形的立罐為研究對(duì)象，進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。
1.2 儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)模型
    三維空間構(gòu)模方法研究是目前3DGIS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。許多專家和學(xué)者在此領(lǐng)域都做了有益的探索，總共提出了20多種空間構(gòu)模方法，可分為基于面模型、基于體模型和基于混合模型的三大類構(gòu)模體系[4，13-14]。由于儲(chǔ)油罐是一種空間實(shí)體，具有規(guī)則的邊界，而內(nèi)部又是中空的實(shí)體，所以基于體元模型的構(gòu)模方法不適用于構(gòu)建三維儲(chǔ)油罐。本文利用面向?qū)ο蠓治龅姆椒▽⒘⒐奕S建模的基本元素抽象為點(diǎn)、線、面三大類，如圖1所示。

    點(diǎn)類主要包括儲(chǔ)油罐測(cè)量點(diǎn)、離散點(diǎn)等，線類有特征連接線，面類主要有基礎(chǔ)面元、儲(chǔ)油罐的底面、側(cè)面、頂面等。這樣儲(chǔ)油罐的體模型就可以由這些基本構(gòu)模元素通過一定的構(gòu)模方法構(gòu)建。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，特征連接線是由用戶指定的用于連接特征點(diǎn)的線段。在三維構(gòu)模過程中，體的生成主要由特征連接線構(gòu)成。基礎(chǔ)面元主要由特征連接線構(gòu)成，通常有三角形面元和四邊形面元兩種類型，在三維空間表面模型表達(dá)上，三角形面元要優(yōu)于四邊形面元[15]。這種通過面、邊、點(diǎn)來定義實(shí)體的位置和形狀的數(shù)據(jù)模型就是邊界表示模型[4]（B_rep），圖1表達(dá)了立罐的三維邊界表示模型。
2 儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    根據(jù)上述的三維數(shù)據(jù)模型，用C++語言描述立罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
struct 3DPOINT//空間點(diǎn)結(jié)構(gòu)
{
    long PointID;//點(diǎn)的ID號(hào)
    float x, y, z; //點(diǎn)的三維坐標(biāo)
}
struct LINE//線結(jié)構(gòu)
{
    long LineID; //線的ID號(hào)
    3DPOINT StartPoint;//起點(diǎn)坐標(biāo)
    3DPOINT EndPoint;//終點(diǎn)坐標(biāo)
}
struct TRIANGLE//基礎(chǔ)面元
{
    long TriID;//三角形ID號(hào)
    3DPOINT p1, p2, p3;//三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)
    LINE line1, line2, line3; //三角形邊
}
struct SURFACE//面結(jié)構(gòu)
{
    Long SurfaceID;//面的ID號(hào)
    TRIANGLE *Tri;//三角形串
}
class LG
{
public:
    long LgID; //立罐的ID號(hào)
    3DPOINT CenterPoint;//立罐中心點(diǎn)三維坐標(biāo)
    float h1;//立罐柱體高度
    float h2;//頂蓋高
    float r;//罐底半徑
    int precision;//罐頂模擬精度40
    int m_type;//罐頂模擬類型，1，采用直線；
//2，采用正弦曲線
    CString material;//材質(zhì)
    COLORREF rgb;//顏色
    …//其他一些屬性信息（自重，容積等）
};
    立罐的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接描述了構(gòu)成立罐模型的基礎(chǔ)元素，有利于三維立罐程序的設(shè)計(jì)及三維可視化操作。
3 儲(chǔ)油罐的三維構(gòu)模方法及步驟
    儲(chǔ)油罐的三維模型構(gòu)建總的思路是化復(fù)雜為簡(jiǎn)單，即首先將罐體進(jìn)行剖分；然后對(duì)剖分后的各個(gè)部分分別建模；最后再將這些剖分的模型集成起來。以立罐為例，先將立罐剖分成底面、側(cè)面、頂面、斜梯等部分；再對(duì)剖分后的底面、側(cè)面、頂面等分別建模，此時(shí)，已經(jīng)將復(fù)雜的立罐體模型簡(jiǎn)化為面模型；然后把這些面模型集成在一起構(gòu)成體模型。
    根據(jù)上述的邊界表示數(shù)據(jù)模型，結(jié)合線框構(gòu)模原理對(duì)立罐三維模型進(jìn)行構(gòu)建。其構(gòu)模步驟如下：
    (1)把立罐剖分成底面、側(cè)面、頂面和斜梯等。
    (2)首先，對(duì)底面進(jìn)行模型構(gòu)建。由于底面是一圓面，采用一正多邊形對(duì)其進(jìn)行逼近，本實(shí)例中，以正四十邊形來模擬底面。假定底面圓心點(diǎn)的三維坐標(biāo)為（x_center，y_center，z_center），半徑為r，利用式（1）可以求出正四十邊形所有頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再對(duì)底面進(jìn)行三角化，即每?jī)蓚€(gè)相鄰的頂點(diǎn)與圓心構(gòu)成一個(gè)三角形，如圖2所示，A、B為正四十邊形上的兩個(gè)頂點(diǎn)，這兩個(gè)頂點(diǎn)與圓心O就可以構(gòu)成三角形面ABO(基礎(chǔ)面元)，整個(gè)底面就可以由這樣40個(gè)三角形面片構(gòu)成。
 

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M
    針對(duì)上述提出的儲(chǔ)油罐的三維數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)模方法，在Windows XP環(huán)境下，以VC++6.0為程序設(shè)計(jì)語言，以O(shè)penGL三維圖形函數(shù)包為可視化工具[16]進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，圖5為立罐三維模型構(gòu)建的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，所構(gòu)模型如圖6所示。

    通過對(duì)立罐的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法的研究，得出以下認(rèn)識(shí)：(1)對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行分類后，以立罐作為典型實(shí)例進(jìn)行建模研究，給出了其空間構(gòu)模的基本元素，并對(duì)這些基本元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義；(2)提出的先剖分后建模的思路是可行的。對(duì)剖分后的各個(gè)部分分別進(jìn)行建模和詳細(xì)探討，并對(duì)復(fù)雜的頂部曲面采用正弦函數(shù)法進(jìn)行模擬，達(dá)到了良好的效果；(3)結(jié)合具體的建模方法及步驟，經(jīng)過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)證實(shí)本文所提出的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及建模方法是可行的。

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