構建面向電力行業深度優化的虛擬現實引擎

丁彥柟，黃劍峰

(國網上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

近年來，國家電網公司越來越注重電網虛擬現實應用的發展。國網公司運檢部的智能化運檢管控平臺要求各省公司將500 kV及以上的典型電站、線路制作成三維模型，在平臺中進行集中管控；國網上海市電力公司的虛擬現實電網生產管理系統更是國家電網范圍內首個將虛擬現實技術應用于生產運營管理的電力信息管理系統。它們的應用強化了國網公司在安全生產管理上的深度、廣度、準確度，提升了安全風險的管控能力[1-3]。隨著IT技術的日新月異，虛擬現實技術在電力生產應用方面扮演者越來越重要的角色。隨著電力行業人員三維基礎知識認知水平的提升，結合自身專業對三維系統提出更高、更實用、更豐富的需求。

1 三維引擎技術的理論依據

D3D11(OpenGL4.3)以上的渲染管線引入了全新的概念：支持全新的延遲渲染和命令集合；支持通用計算單元來實現通用計算程序；完善的幾何細分技術；支持更多的Shader指令；支持全新的多線程渲染模型從而實現更高的渲染效率；支持硬件實例化技術，大幅降低API調用和內核切換的負荷。新的渲染技術為打造高效的虛擬現實引擎奠定了三維底層基礎。

Ogre2.1及以上的版本對D3D11及以上的渲染技術支持達到很高的標準，可實現新技術的完美封裝，對開發者提供友好的二次開發接口，完全開源的靈活框架更對三維虛擬現實引擎提供良好的支撐。

2 三維引擎技術的作用

2.1 實現基于云存儲和新一代三維技術的技術架構

虛擬現實引擎需要充分結合云存儲技術，高效管理、存取海量非結構化數據，為快速構建諸如直流站之類的大場景奠定基礎數據服務基礎。

同時需要結合新的三維渲染技術打造自己的核心模塊，構建出一個全新的技術架構，以便支持和利用新的技術來實現更復雜、更專業化的電力應用，最終為完成一個擁有更高運行效率、更高渲染質量的電力行業三維應用支撐平臺奠定基礎。

2.2 實現海量高細節三維模型構建大場景的流暢渲染

在新三維技術構建的引擎支持下，研究利用新技術充分發揮硬件的性能，在可控的內存范圍內高效構建由海量的高細節三維模型組成的場景，并且讓虛擬現實引擎面對此類復雜的場景能夠維持穩定和流暢的渲染。

2.3 實現基于物理光照模型高逼真度還原電力業務場景

三維系統渲染質量越高，用戶代入感越強，系統的體驗程度越好。目前大多數三維應用系統還不能充分挖掘高細節模型的潛力，在表現力上還有很大的提升空間。

針對高細節模型的幾何數據，虛擬現實引擎將充分使用新技術，利用基于物理的光照模型結合高光、法線、環境等貼圖高質量渲染電力設備和電力設施，保證渲染效率的同時最大限度逼真還原三維場景。

2.4 實現跨平臺、高兼容、適用于電力行業業務應用需要的虛擬現實引擎

封裝虛擬現實引擎應用接口，達成對客戶端程序的良好支持；研究瀏覽器插件整合技術，完成虛擬現實引擎對瀏覽器的支持。充分利用新的三維技術，實現虛擬現實引擎在性能一般的桌面終端上也能發揮較高的效率；在移動端上能夠取得續航性、渲染質量、渲染效率的最佳平衡，充分保障電力用戶的現場作業。

2.5 應用適應新引擎的高逼真度電力設備、設施三維建模技術

高細節的模型對建模工作帶來更高的標準和更嚴格的要求。需要研究各種新的建模技術，用以支持高細節模型的制作。從模型幾何數據、光照效果相關數據、紋理數據等各方面入手，優化和豐富各項模型細節，從而滿足業務應用和引擎渲染的需求。

3 三維引擎技術的研究

3.1 大場景構建及快速動態維護技術的研究與應用

三維場景高效構建結構如圖1所示。基于數字化設計成果的虛擬現實技術在電力行業應用中前景廣闊。三維場景既涵蓋縣、地、市、省乃至全國這樣的大范圍電力調度通道場景，也包括不同電壓等級的電站內部設備、設施的小場景，甚至是變壓器、斷路器這樣的微場景。這些場景都有三維還原、可視化瀏覽、虛擬化操作的需要。虛擬現實技術不僅是從平面PC拓展到了移動終端和穿戴式設備，視角也從二維拓展到了三維真實模擬，數據處理領域更是包括地理高程、地理柵格、矢量影像、激光點云、設備設施模型等多種海量數據的集成加工和展示。如何在一臺普通的計算機上做到對不同類型海量數據的快速瀏覽、定位、查詢和更新，以此滿足電力業務的實時性要求高，管理范圍廣，設備數量多，安全等級高等業務特點。

圖1 三維場景高效構建結構

電力業務的大場景具有實時要求高、場景面積大、響應快速等特殊需求，需要的是面向電力行業業務的實時信息系統。將變電站、電網場景與三維GIS相結合，同步融入外圍系統信息。平臺前端使用虛擬現實技術，同一場景可以在個人臺式機、虛擬現實設備、手持移動終端同步展示；后端采用云技術，服務響應迅速，可以支撐三維場景中的海量結構化和非結構化數據。

數字化設計成果應用平臺的成熟是數字化設計成果能否被接受和大規模推廣的關鍵之一。使用數字化設計成果的大范圍場景能否被快速搭建和動態維護同樣也是關鍵點。

傳統的場景構建方法，受業務應用的影響，場景搭建后多數物體變動不大或者根本不變動，以瀏覽為主。更有一些受選用渲染引擎的發展方向和基礎設計影響，多數物體塌陷在一起，無法單獨選擇、查看。這樣的場景維護單個設備就需要整個場景一起替換，不適用于電力業務更新快、設備查詢量高的特點。

要解決這個問題，首先需要平臺能做到設備都是單個獨立的個體，可以單獨調整單個設備、設施的位置。不僅能在設計軟件中擺放場景后導入到平臺中，也能將數字化設計成果根據現場施工圖紙直接在平臺中擺放成場景。

在此背景下，平臺技術團隊提出標準模型庫的思想，在參考主流開源引擎，深度開發后擁有全部源代碼，具有自主知識產權，滿足電力行業大場景，設備獨立、快速響應的要求。可以做到使用同一套三維模型，同一組服務，在個人臺式機、虛擬現實設備、手持移動終端渲染和展示。

3.2 研究場景中的模型快速、動態替換方法

電網設備規模大、更新快、維護量高，因此必須要保證場景中任何電網設施、設備模型都是獨立存在，才能做到場景的快速搭建以及場景中模型的快速更新。在這前提下，為了解決場景大小與渲染效率成反比等一系列的技術難題，在此基礎上創立了“設備模型庫”的概念。

模型庫是一個標準，場景中的所有設備實例都使用這個標準。庫中不僅能定義每個設備模型，還能分解定義設備中的部件，實現精細化管理。以標準模型庫為基礎，實現場景中的模型快速、動態的替換，可以做到：“替換一個，成批替換”。如果在模型庫中更換一個設備類型的模型，那么場景中所有使用此模型的設備輪廓都會替換為更換的模型；“模型越多，搭建新場景越快，花費越少”。當標準模型庫中的設備類型越來越多，實現所有設備類型的全覆蓋時，構建一個場景只需要將標準模型庫中的設備模型擺放在需要搭建的位置，而不需要從頭開始掃描和建模，從而大大減少建模經費。

3.3 數字化設計成果與PMS2.0集成技術的研究

3.3.1 設備映射關系

數字化設計成果是現場建設的依據，理論上現場施工完成后會與數字化設計成果保持一致。現場設備、設施投入運行后，根據業務流程，PMS2.0中也會錄入、使用和監控這些設備和設施。數字化設計成果與PMS2.0集成，兩者之間設備、設施的映射關系是基礎。只有完成設備、設施間的映射，才能實現二三維相互定位、PMS2.0數據潮流計算在三維場景中展示、展示數字化設計成果的PMS2.0臺賬數據等應用功能。

PMS2.0數據分為圖形和臺賬兩部分，按照臺賬關系，設備類型可以分為：有臺賬有圖形(臺賬n-1圖形對應，臺賬1-1圖形對應)；有臺賬無圖形；無臺賬有圖形。

設備映射包括數字化設計成果與臺賬設備映射，以及數字化設計成果與圖形設備映射兩部分內容。在PMS2.0中，有臺賬有圖形的設備圖形表中有SBID字段記錄臺賬OBJ_ID，以此關聯臺賬記錄，如果一條圖形記錄對應多條臺賬記錄(分相設備)的話，那么SBID中記錄多個OBJ_ID，之間以逗號隔開。

數字化設計成果的三維場景可最大限度與現場相同，分相設備都是獨立存在的。PMS2.0的臺賬設備類型在設計時，應該是對現場設備類型(分相)的一一對應或是合并而不是擴充。事實上有些設備類型(分相)臺賬是合并的，例如：斷路器；PMS2.0的圖形設備類型在設計時，考慮分相設備的聯動性，設備類型(分相)是合并的。

典型的設備類型(分相)映射關系模型如下：數字化設計成果設備類型(分相)n-1臺賬設備類型(分相)n-1圖形設備類型(分相)。

分相設備可以作為一個整體出現，并且之間的位置不會相差太遠，因此映射關系模型中的n可以看做為1，既是映射關系模型是有條件收斂的。

3.3.2 圖形集成

圖形集成的目的在于使用數字化設計成果展示圖形數據的計算結果(例如，潮流計算設備的帶電狀態)，或者數字化設計成果與圖形設備間的相互定位。

一個或者多個數字化設計成果在查詢圖形設備時會對應一條圖形記錄，既是數字化設計成果查詢圖形設備沒有二義性；當一個圖形設備查詢數字化設計成果時會對應一個或者多個數字化設計成果，存在二義性。對應多個數字化設計成果的情況為這些數字化設計成果是一組分相設備，位置相差不遠，并且可以作為一個整體，因此可以在實際業務中應用映射關系。

考慮如下業務是否能正常開展。

(1)PMS2.0二維圖形設備向數字化設計成果三維場景定位。假設映射關系存在且正確，選擇一個PMS2.0圖形設備，至多會映射到一組分相數字化設計成果，可以將其作為一個整體定位。

(2)數字化設計成果三維場景向PMS2.0二維圖形設備定位。假設映射關系存在且正確，選擇一個數字化設計成果，總會映射到一個PMS2.0圖形設備，確定之后即可在二維圖形中定位。

(3)PMS2.0圖形數據潮流計算使用數字化設計成果展示。PMS2.0圖形數據計算設備的帶電狀態后，需要批量映射到數字化設計成果上。假設映射關系存在且正確，單個PMS2.0圖形設備，至多會映射到一組分相數字化設計成果，這一組的分相數字化設計成果可以共享使用對應的PMS2.0圖形設備的帶電狀態。

3.3.3 臺賬集成

在完成數字化設計成果與臺賬的映射關系模型后，一個或者多個數字化設計成果在查詢臺賬設備時會對應一條臺賬記錄，既是數字化設計成果查詢臺賬設備沒有二義性。

臺賬集成的目的是便于使用者查詢和查看，因此臺賬數據中的內部字段需要在翻譯之后提供。因此，可以對每張臺賬表進行翻譯視圖化處理，預先將內部字段與翻譯表結合成為一張視圖。

為了加快臺賬的查詢速度，需要由緩存服務提供快速查詢。此服務可以基于Radis等緩存技術預讀取PMS2.0臺賬信息，采用分布式服務的形式，能同時滿足多客戶端、大數據量的請求服務。

4 結語

三維引擎在電力行業的應用會大大提高三維模型的應用效率和性能，同時也提高了三維系統信息獲取的效率。構建面向電力行業深度優化虛擬現實引擎，將為電力行業提供更精細化的管理方式，提升了企業的工作效率，對電力行業的改革和發展都具有重大意義。