基于三維虛擬技術(shù)的變電設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)

曹 瑜 孫 鵬 張 紅

（山東電力集團(tuán)公司淄博供電公司 255000）

1 系統(tǒng)內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用 3D技術(shù)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用Oracle 9i，程序語言選擇JAVA，二維渲染引擎選用GEF，三維渲染引擎使用JME。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用JAVA NIO模型設(shè)計(jì)，能夠最大限度的保證網(wǎng)絡(luò)吞吐。整體框架采用插件式結(jié)構(gòu)，可以無縫的擴(kuò)展。系統(tǒng)總體上采用了三層體系結(jié)構(gòu)，即平臺級的基礎(chǔ)層、工程師級的系統(tǒng)層和用戶級的應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)了多級功能、且便于系統(tǒng)擴(kuò)展。最終生成的應(yīng)用系統(tǒng)由基礎(chǔ)模塊平臺，安全措施演練系統(tǒng)生成模塊，安全措施演練系統(tǒng)運(yùn)行模塊，教員臺子系統(tǒng)，學(xué)員臺子系統(tǒng)，就地操作子系統(tǒng)等組成。

1.2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 最新的三維引擎技術(shù)

JME是一個(gè)高性能的3D圖形API，采用LWJGL于JOGL作為底層支持。JME和Java 3D具有類似的場景結(jié)構(gòu)，以樹狀方式組織自己的場景。JME有一套很好的優(yōu)化機(jī)制，這使得它得運(yùn)行速度要比Java 3D快很多。JME主要由Render系統(tǒng)、Material系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)、Texture和圖片解碼器、文件解碼器、Scene插件（主要是地形系統(tǒng)）、粒子系統(tǒng)、日志、物理系統(tǒng)、光照系統(tǒng)等構(gòu)成。可以說JME是一個(gè)功能齊全，性能卓越的3D圖形引擎。

JOGL使用OpenGl為渲染引擎的基于場景八叉樹的先進(jìn)的3D引擎，使用基于八叉樹的場景圖管理算法，并應(yīng)用LOD技術(shù)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，保證了系統(tǒng)的渲染效果和性能。

1.2.2 設(shè)備構(gòu)建器

基于Eclipse RCP平臺的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。一個(gè)Eclipse RCP可分為如下五個(gè)部分：

1)Wrokbench工作臺

為Eclipse提供用戶界面。它是使用SWT（Standard Widget Toolkit）和一個(gè)更高級的API（JFace）來構(gòu)建的；SWT是Java的Swing/AWT GUI API的非標(biāo)準(zhǔn)替代者，JFace則建立在SWT基礎(chǔ)上，提供用戶界面組件。

2)Workspace工作區(qū)

工作區(qū)是負(fù)責(zé)管理用戶資源的插件。它包括用戶創(chuàng)建的項(xiàng)目、項(xiàng)目中的文件，以及文件變更和其它資源。

3)Help幫助系統(tǒng)

幫助組建具有與Eclipse平臺本身相當(dāng)?shù)目蓴U(kuò)展能力。與插件向Eclipse添加功能相同，幫助提供一個(gè)附加的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，允許工具以HTML文件的形式添加文檔。

4)Team團(tuán)隊(duì)支持系統(tǒng)

團(tuán)隊(duì)支持組件負(fù)責(zé)提供版本控制和配置管理支持。它根據(jù)需要添加視圖，以允許用戶與所有使用的任何版本控制系統(tǒng)交互。

5)Platform Runtime運(yùn)行平臺

平臺運(yùn)行庫是整個(gè)Eclipse的內(nèi)核，它在啟動時(shí)檢查已安裝了哪些插件，并創(chuàng)建關(guān)于它們的注冊表信息。為降低啟動時(shí)間和資源使用，它在實(shí)際需要某個(gè)插件的時(shí)候才加載該插件。

使用Eclipse Rcp框架利用其高度靈活的插件系統(tǒng)構(gòu)建。可以大大加強(qiáng)本系統(tǒng)的擴(kuò)展性，可以后續(xù)無縫的擴(kuò)展功能。

2 系統(tǒng)主要模塊

2.1 電力設(shè)備部件模型制作

深入工作現(xiàn)場收集電力設(shè)備部件的各種影像資料。

2.2 電力設(shè)備模型上傳

建立部件標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目分層結(jié)構(gòu)，即三維仿真系統(tǒng)建立統(tǒng)一的部件設(shè)備系統(tǒng)，有效地組織設(shè)備和數(shù)據(jù)、臺帳之間的關(guān)系。

建立三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)架和標(biāo)準(zhǔn)，即建立標(biāo)準(zhǔn)的接口管理（各部件資料交換的標(biāo)準(zhǔn)格式和內(nèi)容），確保能夠提供型號正確信息和使用正確信息。

建立統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，建立標(biāo)準(zhǔn)化的模型、資料和文件，不斷積累資料并保持一致性，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的資源共享。

2.3 電力設(shè)備構(gòu)建3D模型

通過3D MAX技術(shù)，對變電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、部件裝配、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，將部件組建成裝置，三維模型與設(shè)備臺帳進(jìn)行接口，并將計(jì)算結(jié)果返回三維模型，抽取變電設(shè)備組建圖。

2.4 電力設(shè)備3D模型修正

基于3D技術(shù)開發(fā)的三維數(shù)字部件模型，基于Oracle 9i的數(shù)據(jù)庫模型，在統(tǒng)一的模擬平臺上，將兩個(gè)模型無縫的疊加在一起，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)現(xiàn)實(shí)的集成。

2.5 構(gòu)建電力設(shè)備3D模擬培訓(xùn)平臺

以電力設(shè)備3D模型搭建模擬培訓(xùn)數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建模擬培訓(xùn)平臺。利用視覺控制全方位展示變電二次設(shè)備及插件，對變電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、部件裝配、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將部件組建成裝置并抽取變電設(shè)備組建圖，綜合變電二次異常和故障信息、運(yùn)行狀態(tài)和狀態(tài)評價(jià)等數(shù)據(jù)為狀態(tài)檢修提供共享信息。

3 技術(shù)指標(biāo)和功能要求

3.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）以JAVA和JME三維渲染引擎為核心，構(gòu)建變電二次設(shè)備虛擬運(yùn)維培訓(xùn)一體化的Eclipse RCP培訓(xùn)平臺；（2）建立變電二次設(shè)備和插件的3D模型，構(gòu)建以變電二次設(shè)備插件為最小可視單元的變電二次設(shè)備3D培訓(xùn)平臺；（3）利用統(tǒng)一的部件標(biāo)準(zhǔn)、項(xiàng)目分層結(jié)構(gòu)、部件資料交換格式和標(biāo)準(zhǔn)接口、工程數(shù)據(jù)庫建立設(shè)備構(gòu)建器，構(gòu)建3D虛擬運(yùn)維培訓(xùn)平臺，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源的共享；（4）利用視覺控制全方位展示變電二次設(shè)備及插件，對變電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、部件裝配、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將部件組建成裝置并抽取變電設(shè)備組建圖，實(shí)現(xiàn)與狀態(tài)檢修的關(guān)聯(lián)。

3.2 功能要求

（1）以3D技術(shù)、Oracle 9i數(shù)據(jù)庫、JAVA程序語言、GEF二維渲染引擎、JME三維渲染引擎為核心，構(gòu)建變電二次設(shè)備3D虛擬運(yùn)維培訓(xùn)一體化的Eclipse RCP組裝培訓(xùn)平臺；

（2）將3D技術(shù)應(yīng)用到變電二次設(shè)備管理領(lǐng)域，采集變電二次設(shè)備及插件不同角度照片，以3D技術(shù)構(gòu)建變電二次設(shè)備及插件3D模型，構(gòu)建以變電二次設(shè)備插件為最小可視單元的3D變電二次設(shè)備培訓(xùn)平臺；

（3）建立統(tǒng)一的部件標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目分層結(jié)構(gòu)，建立部件資料交換格式和內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)接口，建立統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源的共享；

（4）以3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備及部件三維立體空間虛擬視覺管理，以全新立體影像建模對變電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、部件裝配、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將部件組建成裝置并抽取變電設(shè)備組建圖，綜合變電二次異常和故障信息、運(yùn)行狀態(tài)和狀態(tài)評價(jià)等數(shù)據(jù)，使檢修、運(yùn)行和試驗(yàn)人員快速掌握變電設(shè)備的構(gòu)造和性能。

（5）采用網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練平臺的全員大集中培訓(xùn)和利用單機(jī)訓(xùn)練平臺自我培訓(xùn)，在虛擬的三維空間完成變電設(shè)備拆卸和組裝培訓(xùn)，可快速提高一線員工的業(yè)務(wù)技術(shù)水平和異常處置能力，為培養(yǎng)復(fù)合型檢修人員創(chuàng)出一條全新的培訓(xùn)模式。

4 結(jié)束語

變電設(shè)備3D運(yùn)檢虛擬培訓(xùn)平臺建立設(shè)備三維仿真模型，然后通過信息關(guān)聯(lián)技術(shù)將三維可視化實(shí)體模型與設(shè)備數(shù)字化信息關(guān)聯(lián)起來，將視聽合一功能與計(jì)算機(jī)的交互功能結(jié)合在一起，產(chǎn)生出一種更合乎自然的交流環(huán)境和方式，直接訴諸培訓(xùn)對象的多種感官，調(diào)動培訓(xùn)對象主動運(yùn)用多種感官積極參與媒體的活動，使對知識的被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的主動發(fā)現(xiàn)、探索。

[1] 蔡偉,李龍華. 水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行檢修3D仿真培訓(xùn)界面設(shè)計(jì).2011

[2] 錢玉春,袁敬忠等.唐山郭家屯220KV數(shù)字化變電站工程實(shí)踐[D].2009