三維變電站仿真場(chǎng)景生成系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

范展滔++鐘旭

摘要：該文的研究方向?yàn)榉抡鎴?chǎng)景的生成技術(shù)，為使三維變電站提高其仿真場(chǎng)景生成系統(tǒng)的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)了由二維向三維的轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景圖由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，并使用3D建模工具對(duì)變電站仿真場(chǎng)景給予變電站中各種設(shè)備模型及建筑環(huán)境模型進(jìn)行模擬。三維變電站的仿真場(chǎng)景渲染、生成場(chǎng)景圖由二維向三維的轉(zhuǎn)換及設(shè)計(jì)三維變電站場(chǎng)景圖，都通過(guò)使用OSG技術(shù)得到了實(shí)現(xiàn)。采用三維變電站的仿真場(chǎng)景及其生成系統(tǒng)，構(gòu)建了具有良好操作性與交互性的仿真空間。通過(guò)仿真結(jié)果顯示，遵循110kV的變電站電氣規(guī)范與其設(shè)計(jì)要求，用戶可對(duì)二維變電站的場(chǎng)景圖進(jìn)行繪制，并且對(duì)其相應(yīng)的三維仿真場(chǎng)景迅速做出轉(zhuǎn)換。三維變電站所呈現(xiàn)出的仿真場(chǎng)景其效果較為逼真，在變電站的實(shí)際應(yīng)用中比較適用于仿真培訓(xùn)，在應(yīng)用上有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：變電站 三維仿真系統(tǒng) 仿真場(chǎng)景

中圖分類號(hào)： TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在電力系統(tǒng)的輸送配電過(guò)程中，變電所是其重要環(huán)節(jié)，適用于調(diào)整電壓的場(chǎng)所。其運(yùn)行操作隨著變電站系統(tǒng)不斷發(fā)展，其自動(dòng)化進(jìn)程也趨于復(fù)雜，也使得對(duì)工作人員業(yè)務(wù)熟練程度及技術(shù)水平的要求越來(lái)越高。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，因變電站系統(tǒng)具有特殊性，難以對(duì)工作人員開(kāi)展培訓(xùn)工作。現(xiàn)如今仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要有兩種：軟件仿真與物理仿真模式。軟件仿真主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)錄像、實(shí)體圖片、平面接線圖與數(shù)據(jù)圖表等進(jìn)行仿真，其過(guò)程沉浸感較為缺乏。物理仿真主要是依靠于專業(yè)設(shè)備，但其又具備可移植性較差、系統(tǒng)龐雜與實(shí)施時(shí)成本略高的缺點(diǎn)。目前，在變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中最為常用的就是三維虛擬變電站的仿真系統(tǒng)，因其具有靈活多變的培訓(xùn)方式，且造價(jià)較為低廉，在運(yùn)行上也較為便捷，在三維虛擬的變電站仿真系統(tǒng)中培訓(xùn)，其培訓(xùn)過(guò)程存在較強(qiáng)沉浸感與真實(shí)感。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅需對(duì)電氣設(shè)備幾何模型進(jìn)行建模，建模中還需加入對(duì)變電站周圍環(huán)境的仿真模擬。

1國(guó)內(nèi)外對(duì)三維變電站仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，電廠仿真培訓(xùn)首先對(duì)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)用，變電站的仿真培訓(xùn)也因電網(wǎng)調(diào)度的仿真培訓(xùn)而逐漸展開(kāi)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，促使變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)也逐漸發(fā)展起來(lái)，其發(fā)展進(jìn)程由于變電站中自動(dòng)化水平的提高而起到了推動(dòng)作用。

20世紀(jì)60年代～70年代左右，電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)興起并在火電廠中被應(yīng)用，之后隨著發(fā)展其范圍擴(kuò)增至變電站及電網(wǎng)的培訓(xùn)中。早期的火電培訓(xùn)仿真機(jī)投入使用于日本及英國(guó)與美國(guó)，最具代表性的為日本的關(guān)西電力公司“變配電的技術(shù)培訓(xùn)中心”的建立。我國(guó)首套火電仿機(jī)組的研發(fā)建立時(shí)間為1982年，變電站及電網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)直至80年代末期才開(kāi)始建立。我國(guó)首套DTS為東北電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，研制時(shí)間為1990年。早期應(yīng)用的變電站的仿真系統(tǒng)由于其運(yùn)行操作較為簡(jiǎn)便，變電站的數(shù)量增大，但容量較小，再加上自動(dòng)化的水平過(guò)低，從而導(dǎo)致其應(yīng)用的效率不高。

2三維變電站的仿真系統(tǒng)研究成果

通過(guò)研究三維建模、計(jì)算機(jī)圖形與仿真場(chǎng)景生成這三種技術(shù)，從而使渲染和生成三維仿真場(chǎng)景、環(huán)境與變電站設(shè)備的建模及二維場(chǎng)景保存與繪制得到實(shí)現(xiàn)。三維場(chǎng)景圖漫游與渲染、場(chǎng)景圖由二維向三維的轉(zhuǎn)變通過(guò)OSG技術(shù)都得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)研究應(yīng)用系統(tǒng)子模型，三維變電站的仿真場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，具體研究如下。

2.1變電站中其設(shè)備建模的實(shí)現(xiàn)

電壓互感器、變壓器、隔離開(kāi)關(guān)及電路器等組成了變電站設(shè)備。用三維方式將變電站設(shè)備的仿真場(chǎng)景進(jìn)行表示。通過(guò)對(duì)三維建模技術(shù)研究，變電站的設(shè)備建模是使用 ， 的模型文件是通過(guò) 的插件將其以IVE三維格式導(dǎo)出，在OSG的編程中可方便調(diào)用。

2.2繪制二維變電站的場(chǎng)景圖

變電站周圍的建筑環(huán)境與其各設(shè)備表示為二維圖元，圖元的編輯操作與其繪制使利用MFC所封裝各類的繪圖函數(shù)來(lái)進(jìn)行的。讀寫操作是通過(guò)二維圖形文件的格式研究，在設(shè)計(jì)中將二維場(chǎng)景圖的文件格式與文件存儲(chǔ)設(shè)置成自定義來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3生成三維變電站的場(chǎng)景圖

通過(guò)研究現(xiàn)有仿真的生成技術(shù)，三維變電站其場(chǎng)景圖的設(shè)計(jì)是通過(guò)OSG技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這一過(guò)程中還對(duì)變電站的場(chǎng)景圖由二維向三維轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)，由此證明，生成三維變電站的場(chǎng)景圖是以其二維場(chǎng)景圖為基礎(chǔ)的。

2.4渲染三維變電站的仿真場(chǎng)景

渲染三維變電站的仿真場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)是利用OSG技術(shù)，在此過(guò)程中還實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景的碰撞檢測(cè)與漫游等。通過(guò)研究粒子系統(tǒng)，使其仿真場(chǎng)景天氣模擬得以實(shí)現(xiàn)（如雪與霧及雨、風(fēng)等），使模擬效果更為逼真。

3什么是三維仿真場(chǎng)景

通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境形象的三維模擬技術(shù)，在虛擬場(chǎng)景中，用戶可對(duì)于其中的信息進(jìn)行查詢與預(yù)覽，還可對(duì)虛擬物體進(jìn)行場(chǎng)景交互的操縱，使用戶在使用過(guò)程中仿佛身臨其境，無(wú)需處于真實(shí)環(huán)境中即可有相同效果的感受。三維的仿真場(chǎng)景涉及多門學(xué)科，如人工智能、現(xiàn)實(shí)虛擬及計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)等，在人機(jī)工程的工作環(huán)境、培訓(xùn)及教育等仿真領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，除此之外，該技術(shù)還應(yīng)用于規(guī)劃領(lǐng)域、動(dòng)畫的制作領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、產(chǎn)品的展示領(lǐng)域及園林領(lǐng)域等。

4三維仿真場(chǎng)景結(jié)構(gòu)

仿真場(chǎng)景應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)中，一般為是用來(lái)描述場(chǎng)景圖。三維場(chǎng)景的元素存儲(chǔ)就是場(chǎng)景圖，在場(chǎng)景中對(duì)所有物體與物體相互間的關(guān)系有保存作用。本身場(chǎng)景圖就屬于一種層次結(jié)構(gòu)，其空間的數(shù)據(jù)集所使用的是自上而下樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖，以此為組織形式來(lái)達(dá)到渲染效率得到提升的目的。

諸多類型不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了場(chǎng)景圖，物體是由節(jié)點(diǎn)表示的。根節(jié)點(diǎn)是全部三維的仿真場(chǎng)景圖，場(chǎng)景圖位于樹(shù)形結(jié)構(gòu)頂端；場(chǎng)景圖最底端為葉節(jié)點(diǎn)，物體在場(chǎng)景中實(shí)際的幾何信息包含其中，葉節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景中特效、光源、實(shí)體及地形等基本單元構(gòu)成；組節(jié)點(diǎn)位于根節(jié)點(diǎn)下一層，包括的控制信息為物體的外觀渲染狀態(tài)及其幾何信息，每個(gè)組節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)都對(duì)子成員擁有零個(gè)或者多個(gè)（注：組節(jié)點(diǎn)為零個(gè)子成員，則不對(duì)其進(jìn)行任何的操作），組節(jié)點(diǎn)中場(chǎng)景幾何體的排列是通過(guò)OSG的程序進(jìn)行的。在此種層次的結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)可準(zhǔn)確將其環(huán)境中的父子關(guān)系與其位置進(jìn)行描述，在場(chǎng)景圖生成前，各圖層數(shù)據(jù)都要分別建模。如圖1所示，各節(jié)點(diǎn)間與場(chǎng)景圖層次結(jié)構(gòu)位置關(guān)系。

圖1 各節(jié)點(diǎn)間與場(chǎng)景圖層次結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

場(chǎng)景圖中所包括的節(jié)點(diǎn)其功能是不同的，比如說(shuō)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) 對(duì)其子節(jié)點(diǎn)的設(shè)置作用是可用或不可用，LOD細(xì)節(jié)的層次節(jié)點(diǎn)，其不同子節(jié)點(diǎn)的距離調(diào)用是依據(jù)觀察者對(duì)其作出的觀察決定的， 變換節(jié)點(diǎn)可對(duì)其幾何體坐標(biāo)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)的改變來(lái)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行更換。所有的節(jié)點(diǎn)類都有相同的基類，又各具不同的功能方法，場(chǎng)景圖的繼承機(jī)制，可為節(jié)點(diǎn)提供多樣性。

5三維仿真技術(shù)

通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，生成一個(gè)具備觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及視覺(jué)等包含多種感知、虛擬且逼真的環(huán)境，用戶可通過(guò)虛擬環(huán)境中虛擬對(duì)象與外設(shè)裝置的相互作用來(lái)體會(huì)，此種技術(shù)就是三維仿真技術(shù)。其技術(shù)包括粒子的系統(tǒng)模擬、碰撞檢測(cè)及包圍盒技術(shù)。

5.1粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)在三維的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，是對(duì)某些特定模糊的現(xiàn)象進(jìn)行模擬的技術(shù)。在此系統(tǒng)中，粒子模擬過(guò)程通過(guò)OSG實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜的過(guò)程，比如雨天特效、雪天特效及霧天特效等。粒子行為在粒子系統(tǒng)中的控制是通過(guò)對(duì)其空間的扭曲實(shí)現(xiàn)的，對(duì)粒子流施加仿真特效的影響，如風(fēng)力、阻力及重力等，可對(duì)天氣現(xiàn)象在三維場(chǎng)景中被有效的模擬出來(lái)，從而使視覺(jué)效果更為逼真。

5.2碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)隨著分布交互及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)發(fā)展，已成為該領(lǐng)域中的熱點(diǎn)研究對(duì)象。在虛擬的環(huán)境中，培訓(xùn)者沉浸感隨碰撞檢測(cè)精度越高而越強(qiáng)，促進(jìn)虛擬環(huán)境中真實(shí)性的提高。虛擬場(chǎng)景仿真場(chǎng)景渲染率與實(shí)時(shí)性受實(shí)時(shí)碰撞的影響很大，所以，在該領(lǐng)域中，碰撞的檢測(cè)技術(shù)也是難點(diǎn)之一。需要碰撞檢測(cè)解決的核心問(wèn)題就是虛擬場(chǎng)景中漫游實(shí)時(shí)性的保證、算法效率的提高及相交測(cè)試中對(duì)象數(shù)目的減少，碰撞檢測(cè)基本任務(wù)就是確定物體之間（多個(gè)或兩個(gè)）是否有穿透或者接觸。碰撞檢測(cè)的算法有空間分解法與層次包圍盒法。這兩種算法加速碰撞檢測(cè)都是通過(guò)相交測(cè)試的幾何數(shù)目減少為基本思想的。

5.3包圍盒技術(shù)

包圍盒技術(shù)在計(jì)算機(jī)幾何領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，在虛擬場(chǎng)景將幾何體（簡(jiǎn)單且規(guī)則）對(duì)象進(jìn)行包圍，簡(jiǎn)化其計(jì)算方法，以此促進(jìn)幾何運(yùn)算效率的提高。

5.3.1碰撞檢測(cè)

判斷兩個(gè)包圍盒或者物體包圍盒和檢測(cè)線是否有相交，無(wú)相交，物體間則無(wú)碰撞發(fā)生；相交，則有碰撞發(fā)生。

物體在場(chǎng)景中的構(gòu)建是以實(shí)體為依據(jù)的，一般幾何體為不規(guī)則，但物體包圍盒的幾何體一般都是規(guī)則的，因此碰撞檢測(cè)不對(duì)物體本身直接使用，碰撞檢測(cè)的檢測(cè)效率提高是通過(guò)物體包圍盒直接碰撞進(jìn)行的。

5.3.2光線渲染與跟蹤

包線盒用于光線跟蹤時(shí)，其功能為相交檢測(cè)，用于渲染算法，則是檢測(cè)視體。如包線盒與視體或者光線無(wú)相交，則盒內(nèi)物體不相交。物體列表可通過(guò)相交檢測(cè)來(lái)獲得，如果場(chǎng)景中物體在列表中顯示，就說(shuō)明被柵格化或者渲染。

6結(jié)語(yǔ)

三維變電站的仿真場(chǎng)景生成系統(tǒng)，可使其開(kāi)發(fā)周期有效縮短，避免重復(fù)性的開(kāi)發(fā)工作，利于開(kāi)發(fā)成本的降低。此外，該仿真場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，不僅提供了高效且安全的培訓(xùn)平臺(tái)，也促使變電站工作人員對(duì)其各部分有了更為深刻的了解，從而使其業(yè)務(wù)能力與操作技能得到提高。

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