變電站3D實景培訓平臺的應用研究

摘 要：變電站的培訓系統目前以變電站仿真培訓系統居多，這種專門培訓變電站工作人員的教學系統是以真實變電站為模型通過計算機仿真建模設計而實現的，具有成本高、周期長、真實感不強等缺點，本文的項目研究利用3D實景漫游技術構建3D實景漫游平臺，并在此基礎上擴展實景培訓功能，是性價比較高的變電站培訓系統，適合在一般規模的變電站進行推廣應用，提高培訓效率和節省培訓成本。

關鍵詞：3D實景漫游技術 變電站培訓 3D實景漫游平臺

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0126-01

1 發展和現狀

近些年來國內電力企業多利用變電站模擬仿真培訓系統對變電站值班員進行培訓。這種仿真培訓系統的的應用，解決了因真實變電站現場設備不可隨意操作帶來的工作人員培訓不便的難題。培訓仿真系統以變電站為原型，測量變電站的各項場景數據和設備數據，通過幾何建模和模型導入技術，利用造型軟件（如3DS Studio， AutoCAD等）人工搭建3D模型，建立場景和仿真設備。營造出于與真實變電站主控室相似的環境，使受訓人員盡可能達到類似于在變電站現場工作的感覺，但是這種仿真培訓系統需要耗費大量人力和時間去測量現場、建立模型，工作量很大，成本也很高；另外還涉及到定位、數字化結構平面、轉換現存CAD數據，對計算機的運行處理能力和存儲能力要求較高；其中漫游場景是由人工建模而成，然后由計算機根據一定的光照模型繪制，色彩層次沒有真實場景豐富，且帶有明顯的美工痕跡，不能逼真地再現真實場景，真實感不強。

基于以上情況，本文研究的變電站3D實景培訓平臺則是就是基于虛擬實景（境）技術的一種虛擬漫游技術，而這種技術又是通過基于圖像的繪制技術設計和實現的（也稱基于圖像的虛擬場景漫游技術）。

2 變電站3D實景培訓平臺的實現

2.1 3D實景漫游技術的原理

3D全景漫游技術的重要技術組成部分是基于靜態圖像的虛擬現實技術，原理是將相機環360°拍攝一組照片拼接成一個全景圖像，并用一個專用的播放軟件在互聯網上顯示，讓使用者能用鼠標控制環視的方向，可左可右、可近可遠觀看物體或場景。3D全景技術是一種桌面虛擬現實技術，并不是真正意義上的3D圖形技術。3D全景技術具有以下幾個特點：一是實地拍攝，有照片級的真實感，是真實場景的3D展現；二是有一定的交互性，用戶可以通過鼠標選擇自己的視角，任意放大和縮小，如親臨現場般環視、俯瞰和仰視；三是不需要單獨下載插件，一個小小的java程序，自動下載后就可以在網上觀看全景照片，或者使用quick time播放器直接觀看。并且，全景圖片文件采用先進的圖像壓縮與還原算法，文件較小，一般只有100～150 k，利于網絡傳輸。

3D實景漫游技術主要依靠Silverlight渲染技術實現3D實景漫游平臺的構建。Silverlight渲染技術是近年來興起的一種倍受關注的場景建模和繪制技術，也是目前虛擬場景漫游領域中的主流技術，原理是基于球形環境映射原理（Spherical Environment Mapping）。球形環境映射是模擬在球體表面產生環境映射的技術，通過對普通貼圖的UV坐標進行調整計算來產生在球體表面應產生的扭曲。UV的計算利用球體表面的法線來計算。計算公式如下：u=Nx/2+0.5 v=Ny/2+0.5。計算公式中的Nx和Ny是表面法線的x和y分量，除以2將區間限制在[-0.5，0.5]，+0.5將區間調整至UV坐標應在的[0，1]區間。在這個公式的計算下，當球體正中表面法線正對攝像機的地方，坐標不會有任何扭曲；周圍點依次隨著Nx和Ny分量的增大而產生扭曲。而球體背面的剔除面可以根據法線Z分量的正負來判斷。因此這種技術實現主要通過將一張帶有周圍環境的貼圖進行扭曲渲染，將其進行球形扭曲化以達到模擬現實的效果。基于該技術原理采用了微軟推出的高級著色器語言（High Level Shader Language，簡稱HLSL），HLSL的主要作用為將一些復雜的圖像處理，快速而又有效率地在顯示卡上完成。

2.2 3D實景培訓平臺的構建

3D實景漫游平臺系統由數據庫、Web Service服務、Web端及必要的輔助工具組成。數據庫負責管理和保存數據；Web端用于系統展示。系統具有以下功能：變電站內3D實景漫游、設備臺賬信息管理、SVG一次接線圖仿真、雷達地圖、地圖導航、指定巡檢路線、場景設備定位、熱點展示、模擬操作視頻&動畫觀看、制度管理、資料上傳&下載、在線測試等多項功能。

3D實景漫游平臺的構建大致可分為以下幾個步驟。

（1）搭建數據庫。可新購或使用原有數據服務器）上搭建一個3D實景漫游平臺的數據庫用于數據的存儲和管理。

（2）構架Webservice服務。在服務器（與數據庫同一服務器）上構建Webservice服務，為未來可能的數據的采集與通訊提供服務。

（3）構架Web程序。在服務器（與數據庫、WCF服務在同一服務器）上構架Web程序，為系統和模塊的人機界面和數據展示提供服務。

（4）展示插件代碼的內嵌。將3D實景漫游平臺的展示插件嵌入到需用于展示的門戶網站的網頁中，通過點擊門戶網站的特定模塊進行展示。

（5）場景和設備信息采集。由工程人員前往變電站現場使用單反相機、魚眼鏡頭及其它必要配件等設備對現場場景、設備進行取景拍攝，并保證拍攝的圖片清晰美觀利用合圖工具將圖片合成實景漫游圖并上傳由工程人員對所拍攝的圖片進行必要的美工處理后，利用合圖工具將拍攝回來一個場景的6張照片合并為一張全景圖，然后通過Web端將圖片上傳至數據庫中。

（6）Web端配置。經過上述七個步驟的操作，實現了3D實景漫游平臺的構建。當用戶通過瀏覽器打開指定的網址時，平臺會利用Silverlight渲染技術將第6步驟合成的全景圖經過球形渲染展現給用戶，使用戶可以通過鼠標操作或以自動巡游模式實現在變電站內360度全方位的虛擬實景漫游體驗。

3 結語

本文深入介紹了3D實景漫游技術的發展歷史和原理，并以廣東電網公司汕尾供電局變電站3D實景培訓平臺的開發和實踐經驗為例，詳細描述了變電站3D實景漫游平臺構建的具體實踐方法和步驟。變電站3D實景培訓平臺的建設和應用有助于提高變電站培訓工作的質量和效率，同時降低供電局和變電站的培訓成本，具有很好的推廣意義和市場前景。

參考文獻

[1]國家電網公司輸變電設備狀態監測系統總體框架設計.國家電網公司生產技術部/國網電力科學研究院，2010，3.

[2]變電設備在線監測系統技術導則.國家電網公司.2011，4.