基于OSG與CEGUI的電力設備虛擬裝配關鍵技術探究

趙 堅，黎大健，秦 楷

（廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧，530023）

0 引言

伴隨著國內經濟的高速發展，對電能的需求正在快速擴大，為了滿足進一步需求，國家加大了電力行業基礎建設的投入，包括電網技術升級、優化電源布局，建設超高壓電網等。電網升級和超高壓電網建設中，大型輸變電等設備的升級改造、安裝維修等工作任務繁重，另外電力設備的檢修安裝都存在相當危險性與復雜度，如何快速培養一批技術熟練的工程師，給電力事業的建設提出了挑戰。

近年來，虛擬裝配技術受到了學術界和工業界的廣泛關注，并對虛擬制造等先進制造模式的實施具有非常深遠的影響。用戶通過建立其產品的數字化裝配模型，通過虛擬裝配技術，在計算機上創建近乎實際的虛擬環境，并且用在此虛擬環境中制造的虛擬產品代替傳統設計中的物理樣機，這樣，為設計人員對產品裝配過程的模擬和分析提供了便利，使產品裝配性能的預估值更為準確，更使產品的潛在裝配沖突和缺陷得到及早的發現和反饋，可以極大的縮短產品的開發周期，降低其生產成本，使其在市場中的競爭力大幅提高。

1 虛擬裝配技術

1.1 虛擬裝配技術分類

根據實現功能和目的的差異，關于虛擬裝配的研究大體可以分為以下三類：以產品設計為中心的虛擬裝配、以工藝規劃為中心的虛擬裝配和以虛擬原型為中心的虛擬裝配。

(1)以產品設計為中心的虛擬裝配。

在產品設計過程中，為了更好的協助與裝配相關設計決策的執行，需要運用在虛擬環境下對計算機數據模型進行裝配關系分析的計算機技術，它結合面向裝配設計的理論方法，從設計原理方案的角度出發，在各種因素的制約下尋求裝配結構的最優解，并由此擬定產品的裝配草圖。該技術以全面改善產品的可裝配性為目的，通過模擬試裝和定量分析，找出零件結構設計中不合適裝配或性能不好的結構特征，由此進行設計修改。從技術角度來講，最終要保證所設計的產品合理可行；而從經濟角度來講，又要盡可能的降低產品的總成本，此外，還要兼顧環保等社會因素。

(2)以工藝規劃為中心的虛擬裝配

產品的裝配工藝設計過程中存在著工藝規劃問題，于此，采用計算機仿真和虛擬現實技術，基于產品的信息模型和裝配模型，可以獲得較優的裝配工藝方案來指導實際的裝配生產。根據工藝規劃所涉及的范圍和層次，可將其分為系統級裝配規劃和作業級裝配規劃。系統級裝配規劃是裝配生產的總體規劃，主要包括市場需求、生產規模、投資狀況、資源分配、裝配車間分布、裝配生產線平衡等內容，是裝配生產的綱領；作業級裝配規劃是指裝配作業與過程規劃，主要包括裝配順序的規劃，工藝路線的制定，裝配路徑的規劃，操作空間的干涉驗證等。以工藝規劃為中心的虛擬裝配，其操作仿真的逼真度非常高，如虛擬裝配的實施對象，操作過程，以及操作過程中所用的工具及輔助材料等，都需要與生產實際情況高度吻合，以生動直觀的反映產品裝配的真實過程，使得仿真結果可信度高。

1.2 虛擬裝配的關鍵技術

(1)三維場景建模技術

虛擬現實系統中存在很多不同的場景模型，如果這些模型都用三維渲染引擎自身代碼生成的話，系統的開發效率會極其低下，因此，在實際的開發過程中，工作人員要先用三維建模軟件構建出所需的各種三維模型，然后再通過引擎插件將這些構建好的模型文件導入到場景中來，這樣，不僅提高了工作效率，而且會加大開發人員之間的合作力度，使得非計算機相關專業人員也能夠致力于系統的開發。

而在這些三維建模軟件中，Maya可謂一枝獨秀，其獨特的界面設計，合理的快捷鍵組合，與其他建模軟件相比，極大的提高了開發效率，可謂事半功倍；此外，3ds Max的表現也不俗，因此，在此次系統的開發中，我們選用了這兩款三維軟件來構建場景模型。

(2)三維實時繪制

三維圖形的繪制已經有幾十年的研究歷史，技術相對較為成熟，由于圖形數據量龐大，而受到計算機硬件處理能力的限制，圖形的渲染與繪制需要一定時間，而在三維仿真系統中希望圖形能夠進行實時繪制，這也是關鍵問題之一，例如在變壓器線圈繞制仿真過程中線圈圖形的刷新率要求非常高。

(3) 碰撞檢測

三維場景漫游中不可避免進行大量交互，而交互過程中的碰撞必然會導致三維實體間的交錯，因此必須通過碰撞檢測技術規避這類交錯問題。根據場景中模型的形狀情況，本項目將考慮在兩種碰撞檢測算法中選擇。

① 如果模型多為規則圖形，則采用包圍盒樹法進行碰撞檢測，的核心是將物體簡化為多面體或球體，計算兩待測實體中心點的距離與它們半徑之和的關系，以此來判定兩物體是否可能碰撞。

② 如果模型多為非規則圖形，采用空間投影的方法，將不規則物體投影成一個較規則的物體來進行碰撞檢測，或采用縮放的方法，將一個物體縮小而另一個物體相應地放大，同樣可以加速碰撞檢測.

1.3 多分辨率模型調度

為了實現場景模型的實時繪制與渲染，解決模型數據量龐大的矛盾，可以通過多分辨率模型調度的方法解決，即將三維場景模型進行多分辨率處理，處理后的不同分辨率模型間的數據量將進行數量級程度的減小，系統在進行三維場景顯示時會根據視場遠近自動調用相應分辨率的模型進行顯示，從而大大提高三維場景的繪制效率與渲染效果。

2 電力設備虛擬裝配系統設計與實現

2.1 系統架構

（1）三維仿真顯示平臺

整個三維仿真顯示交互平臺總共分為三層。

第一層為數據驅動層，驅動三維裝配模型進行裝配路徑規劃、動態裝配、約束加載、干涉檢測。

第二層為功能層，實現模型裝配過程中實時交互以及文字、圖片提示，實現變壓器生產過程中相關設備的功能仿真，實現變壓器零部件運動仿真

第三層為渲染層，主要進行界面、設備模型和場景模型的渲染與顯示。

（2）模型庫管理系統

本系統主要對兩個庫進行管理：三維模型庫、場景模型庫。

三維模型庫以裝配體為單位組織管理零件模型，最小粒度為零件模型，在裝配仿真過程中以裝配體結構查找調用零件模型。

場景模型庫主要管理裝配模型所在的環境模型或者外圍設施模型

（3）三維模型創建

三維模型庫中變壓器相關設備的模型創建可以根據具體精度需求采用：CAD/Maya/3DsMax進行建模與裝配，并保存于三維模型數據庫中。

場景模型庫中模型主要通過Maya/3DsMax進行建模實現，并保持與場景模型庫中。

2.2 系統具體實現

（1）OSG渲染線程模塊

OSG渲染線程模塊是整個虛擬裝配系統的核心模塊，該系統負責場景的動態渲染和顯示。該渲染線程流程圖如下：

圖4-2 OSG渲染線程流程圖圖2.OSG渲染流程

（1）CEGUI界面線程模塊

圖4-3 CEGUI模塊圖3.CEGUI界面流程

CEGUI模塊是負責與用戶交互的模塊，通過得到輸入系統的信息，為OSG渲染模塊提供渲染信息，如圖3。

（3）OSG渲染線程模塊與CEGUI模塊通訊

用戶通過鼠標鍵盤輸入設備輸入信息，CEGUI模塊接收用戶的輸入信息后，將其傳送給控制臺后臺主模塊，主模塊通過相關算法和處理機制，對接收到的信息進行處理和過濾，對信息進行優化處理，并將優化處理后的信息連續的傳送給OSG渲染模塊，OSG接收信息后，即根據信息要求，渲染更新場景，并將渲染后的信息通過顯示器反饋給用戶。

圖4.OSG與CEGUI通訊流程

2.3 系統實現案例

（1）線圈繞制初始化狀態仿真

圖6.線圈繞制仿真

圖1.系統架構

4 結論

本文以變壓器虛擬裝配系統的實現過程為線索，主要完成了以下工作：

深入研究虛擬現實技術的特點，歷史以及現今虛擬現實的應用范圍，探索了一個完整的虛擬現實系統的組成，研究了虛擬現實技術在仿真行業的現狀，以及國內外在虛擬現實上實現的成果，了解目前業界比較流行的虛擬現實開發軟件。

針對高壓/超高壓電力設備的裝配與檢修的復雜性與安全性，提出一種適合高壓/超高壓電力設備的虛擬裝配系統架構，并在此基礎上提出了基于CEGUI與OSG結合的界面設計、建模、渲染顯示、交互控制等等關鍵技術與方法，并最終實現了一套以輸變電為主的電力設備虛擬裝配仿真系統。

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