基于OSG與CEGUI的電力設(shè)備虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)探究

趙 堅(jiān)，黎大健，秦 楷

（廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧，530023）

0 引言

伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對電能的需求正在快速擴(kuò)大，為了滿足進(jìn)一步需求，國家加大了電力行業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的投入，包括電網(wǎng)技術(shù)升級、優(yōu)化電源布局，建設(shè)超高壓電網(wǎng)等。電網(wǎng)升級和超高壓電網(wǎng)建設(shè)中，大型輸變電等設(shè)備的升級改造、安裝維修等工作任務(wù)繁重，另外電力設(shè)備的檢修安裝都存在相當(dāng)危險(xiǎn)性與復(fù)雜度，如何快速培養(yǎng)一批技術(shù)熟練的工程師，給電力事業(yè)的建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。

近年來，虛擬裝配技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對虛擬制造等先進(jìn)制造模式的實(shí)施具有非常深遠(yuǎn)的影響。用戶通過建立其產(chǎn)品的數(shù)字化裝配模型，通過虛擬裝配技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建近乎實(shí)際的虛擬環(huán)境，并且用在此虛擬環(huán)境中制造的虛擬產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的物理樣機(jī)，這樣，為設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品裝配過程的模擬和分析提供了便利，使產(chǎn)品裝配性能的預(yù)估值更為準(zhǔn)確，更使產(chǎn)品的潛在裝配沖突和缺陷得到及早的發(fā)現(xiàn)和反饋，可以極大的縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低其生產(chǎn)成本，使其在市場中的競爭力大幅提高。

1 虛擬裝配技術(shù)

1.1 虛擬裝配技術(shù)分類

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和目的的差異，關(guān)于虛擬裝配的研究大體可以分為以下三類：以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配、以工藝規(guī)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(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了更好的協(xié)助與裝配相關(guān)設(shè)計(jì)決策的執(zhí)行，需要運(yùn)用在虛擬環(huán)境下對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它結(jié)合面向裝配設(shè)計(jì)的理論方法，從設(shè)計(jì)原理方案的角度出發(fā)，在各種因素的制約下尋求裝配結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，并由此擬定產(chǎn)品的裝配草圖。該技術(shù)以全面改善產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不合適裝配或性能不好的結(jié)構(gòu)特征，由此進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。從技術(shù)角度來講，最終要保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品合理可行；而從經(jīng)濟(jì)角度來講，又要盡可能的降低產(chǎn)品的總成本，此外，還要兼顧環(huán)保等社會因素。

(2)以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配

產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)過程中存在著工藝規(guī)劃問題，于此，采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于產(chǎn)品的信息模型和裝配模型，可以獲得較優(yōu)的裝配工藝方案來指導(dǎo)實(shí)際的裝配生產(chǎn)。根據(jù)工藝規(guī)劃所涉及的范圍和層次，可將其分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃。系統(tǒng)級裝配規(guī)劃是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括市場需求、生產(chǎn)規(guī)模、投資狀況、資源分配、裝配車間分布、裝配生產(chǎn)線平衡等內(nèi)容，是裝配生產(chǎn)的綱領(lǐng)；作業(yè)級裝配規(guī)劃是指裝配作業(yè)與過程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃，工藝路線的制定，裝配路徑的規(guī)劃，操作空間的干涉驗(yàn)證等。以工藝規(guī)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(shí)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(chǎn)實(shí)際情況高度吻合，以生動直觀的反映產(chǎn)品裝配的真實(shí)過程，使得仿真結(jié)果可信度高。

1.2 虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維場景建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)效率會極其低下，因此，在實(shí)際的開發(fā)過程中，工作人員要先用三維建模軟件構(gòu)建出所需的各種三維模型，然后再通過引擎插件將這些構(gòu)建好的模型文件導(dǎo)入到場景中來，這樣，不僅提高了工作效率，而且會加大開發(fā)人員之間的合作力度，使得非計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)人員也能夠致力于系統(tǒng)的開發(fā)。

而在這些三維建模軟件中，Maya可謂一枝獨(dú)秀，其獨(dú)特的界面設(shè)計(jì)，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(fā)效率，可謂事半功倍；此外，3ds Max的表現(xiàn)也不俗，因此，在此次系統(tǒng)的開發(fā)中，我們選用了這兩款三維軟件來構(gòu)建場景模型。

(2)三維實(shí)時繪制

三維圖形的繪制已經(jīng)有幾十年的研究歷史，技術(shù)相對較為成熟，由于圖形數(shù)據(jù)量龐大，而受到計(jì)算機(jī)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(tǒng)中希望圖形能夠進(jìn)行實(shí)時繪制，這也是關(guān)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(jìn)行大量交互，而交互過程中的碰撞必然會導(dǎo)致三維實(shí)體間的交錯，因此必須通過碰撞檢測技術(shù)規(guī)避這類交錯問題。根據(jù)場景中模型的形狀情況，本項(xiàng)目將考慮在兩種碰撞檢測算法中選擇。

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

② 如果模型多為非規(guī)則圖形，采用空間投影的方法，將不規(guī)則物體投影成一個較規(guī)則的物體來進(jìn)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(yīng)地放大，同樣可以加速碰撞檢測.

1.3 多分辨率模型調(diào)度

為了實(shí)現(xiàn)場景模型的實(shí)時繪制與渲染，解決模型數(shù)據(jù)量龐大的矛盾，可以通過多分辨率模型調(diào)度的方法解決，即將三維場景模型進(jìn)行多分辨率處理，處理后的不同分辨率模型間的數(shù)據(jù)量將進(jìn)行數(shù)量級程度的減小，系統(tǒng)在進(jìn)行三維場景顯示時會根據(jù)視場遠(yuǎn)近自動調(diào)用相應(yīng)分辨率的模型進(jìn)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(shè)備虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

（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(shù)據(jù)驅(qū)動層，驅(qū)動三維裝配模型進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃、動態(tài)裝配、約束加載、干涉檢測。

第二層為功能層，實(shí)現(xiàn)模型裝配過程中實(shí)時交互以及文字、圖片提示，實(shí)現(xiàn)變壓器生產(chǎn)過程中相關(guān)設(shè)備的功能仿真，實(shí)現(xiàn)變壓器零部件運(yùn)動仿真

第三層為渲染層，主要進(jìn)行界面、設(shè)備模型和場景模型的渲染與顯示。

（2）模型庫管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要對兩個庫進(jìn)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(jié)構(gòu)查找調(diào)用零件模型。

場景模型庫主要管理裝配模型所在的環(huán)境模型或者外圍設(shè)施模型

（3）三維模型創(chuàng)建

三維模型庫中變壓器相關(guān)設(shè)備的模型創(chuàng)建可以根據(jù)具體精度需求采用：CAD/Maya/3DsMax進(jìn)行建模與裝配，并保存于三維模型數(shù)據(jù)庫中。

場景模型庫中模型主要通過Maya/3DsMax進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，并保持與場景模型庫中。

2.2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

（1）OSG渲染線程模塊

OSG渲染線程模塊是整個虛擬裝配系統(tǒng)的核心模塊，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)場景的動態(tài)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(fù)責(zé)與用戶交互的模塊，通過得到輸入系統(tǒng)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(biāo)鍵盤輸入設(shè)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(guān)算法和處理機(jī)制，對接收到的信息進(jìn)行處理和過濾，對信息進(jìn)行優(yōu)化處理，并將優(yōu)化處理后的信息連續(xù)的傳送給OSG渲染模塊，OSG接收信息后，即根據(jù)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例

（1）線圈繞制初始化狀態(tài)仿真

圖6.線圈繞制仿真

圖1.系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)論

本文以變壓器虛擬裝配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程為線索，主要完成了以下工作：

深入研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，歷史以及現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范圍，探索了一個完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成，研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真行業(yè)的現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外在虛擬現(xiàn)實(shí)上實(shí)現(xiàn)的成果，了解目前業(yè)界比較流行的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件。

針對高壓/超高壓電力設(shè)備的裝配與檢修的復(fù)雜性與安全性，提出一種適合高壓/超高壓電力設(shè)備的虛擬裝配系統(tǒng)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了基于CEGUI與OSG結(jié)合的界面設(shè)計(jì)、建模、渲染顯示、交互控制等等關(guān)鍵技術(shù)與方法，并最終實(shí)現(xiàn)了一套以輸變電為主的電力設(shè)備虛擬裝配仿真系統(tǒng)。

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