三維變電站仿真場景生成系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

范展滔++鐘旭

摘要：該文的研究方向為仿真場景的生成技術(shù)，為使三維變電站提高其仿真場景生成系統(tǒng)的靈活性，從而實現(xiàn)了由二維向三維的轉(zhuǎn)變。實現(xiàn)場景圖由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，并使用3D建模工具對變電站仿真場景給予變電站中各種設備模型及建筑環(huán)境模型進行模擬。三維變電站的仿真場景渲染、生成場景圖由二維向三維的轉(zhuǎn)換及設計三維變電站場景圖，都通過使用OSG技術(shù)得到了實現(xiàn)。采用三維變電站的仿真場景及其生成系統(tǒng)，構(gòu)建了具有良好操作性與交互性的仿真空間。通過仿真結(jié)果顯示，遵循110kV的變電站電氣規(guī)范與其設計要求，用戶可對二維變電站的場景圖進行繪制，并且對其相應的三維仿真場景迅速做出轉(zhuǎn)換。三維變電站所呈現(xiàn)出的仿真場景其效果較為逼真，在變電站的實際應用中比較適用于仿真培訓，在應用上有較強的現(xiàn)實意義與實用性。

關鍵詞：變電站 三維仿真系統(tǒng) 仿真場景

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在電力系統(tǒng)的輸送配電過程中，變電所是其重要環(huán)節(jié)，適用于調(diào)整電壓的場所。其運行操作隨著變電站系統(tǒng)不斷發(fā)展，其自動化進程也趨于復雜，也使得對工作人員業(yè)務熟練程度及技術(shù)水平的要求越來越高。在系統(tǒng)實際運行中，因變電站系統(tǒng)具有特殊性，難以對工作人員開展培訓工作?，F(xiàn)如今仿真培訓系統(tǒng)主要有兩種：軟件仿真與物理仿真模式。軟件仿真主要是對現(xiàn)場錄像、實體圖片、平面接線圖與數(shù)據(jù)圖表等進行仿真，其過程沉浸感較為缺乏。物理仿真主要是依靠于專業(yè)設備，但其又具備可移植性較差、系統(tǒng)龐雜與實施時成本略高的缺點。目前，在變電站的仿真培訓系統(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方式，且造價較為低廉，在運行上也較為便捷，在三維虛擬的變電站仿真系統(tǒng)中培訓，其培訓過程存在較強沉浸感與真實感。此外，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的實現(xiàn)不僅需對電氣設備幾何模型進行建模，建模中還需加入對變電站周圍環(huán)境的仿真模擬。

1國內(nèi)外對三維變電站仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，電廠仿真培訓首先對仿真培訓系統(tǒng)進行了運用，變電站的仿真培訓也因電網(wǎng)調(diào)度的仿真培訓而逐漸展開。計算機技術(shù)的應用與發(fā)展，促使變電站的仿真培訓系統(tǒng)也逐漸發(fā)展起來，其發(fā)展進程由于變電站中自動化水平的提高而起到了推動作用。

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

2三維變電站的仿真系統(tǒng)研究成果

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

2.1變電站中其設備建模的實現(xiàn)

電壓互感器、變壓器、隔離開關及電路器等組成了變電站設備。用三維方式將變電站設備的仿真場景進行表示。通過對三維建模技術(shù)研究，變電站的設備建模是使用 ， 的模型文件是通過 的插件將其以IVE三維格式導出，在OSG的編程中可方便調(diào)用。

2.2繪制二維變電站的場景圖

變電站周圍的建筑環(huán)境與其各設備表示為二維圖元，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)來進行的。讀寫操作是通過二維圖形文件的格式研究，在設計中將二維場景圖的文件格式與文件存儲設置成自定義來實現(xiàn)的。

2.3生成三維變電站的場景圖

通過研究現(xiàn)有仿真的生成技術(shù)，三維變電站其場景圖的設計是通過OSG技術(shù)來實現(xiàn)的，在這一過程中還對變電站的場景圖由二維向三維轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)，由此證明，生成三維變電站的場景圖是以其二維場景圖為基礎的。

2.4渲染三維變電站的仿真場景

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

3什么是三維仿真場景

通過對現(xiàn)實環(huán)境形象的三維模擬技術(shù)，在虛擬場景中，用戶可對于其中的信息進行查詢與預覽，還可對虛擬物體進行場景交互的操縱，使用戶在使用過程中仿佛身臨其境，無需處于真實環(huán)境中即可有相同效果的感受。三維的仿真場景涉及多門學科，如人工智能、現(xiàn)實虛擬及計算機的圖形學等，在人機工程的工作環(huán)境、培訓及教育等仿真領域中被廣泛應用，除此之外，該技術(shù)還應用于規(guī)劃領域、動畫的制作領域、建筑領域、產(chǎn)品的展示領域及園林領域等。

4三維仿真場景結(jié)構(gòu)

仿真場景應用于虛擬現(xiàn)實中，一般為是用來描述場景圖。三維場景的元素存儲就是場景圖，在場景中對所有物體與物體相互間的關系有保存作用。本身場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狀結(jié)構(gòu)圖，以此為組織形式來達到渲染效率得到提升的目的。

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

圖1 各節(jié)點間與場景圖層次結(jié)構(gòu)位置關系

場景圖中所包括的節(jié)點其功能是不同的，比如說，開關節(jié)點 對其子節(jié)點的設置作用是可用或不可用，LOD細節(jié)的層次節(jié)點，其不同子節(jié)點的距離調(diào)用是依據(jù)觀察者對其作出的觀察決定的， 變換節(jié)點可對其幾何體坐標根據(jù)子節(jié)點的改變來對其狀態(tài)進行更換。所有的節(jié)點類都有相同的基類，又各具不同的功能方法，場景圖的繼承機制，可為節(jié)點提供多樣性。

5三維仿真技術(shù)

通過對計算機技術(shù)的使用，生成一個具備觸覺、聽覺及視覺等包含多種感知、虛擬且逼真的環(huán)境，用戶可通過虛擬環(huán)境中虛擬對象與外設裝置的相互作用來體會，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、碰撞檢測及包圍盒技術(shù)。

5.1粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)在三維的計算機圖形學中，是對某些特定模糊的現(xiàn)象進行模擬的技術(shù)。在此系統(tǒng)中，粒子模擬過程通過OSG實現(xiàn)了較為復雜的過程，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)中的控制是通過對其空間的扭曲實現(xiàn)的，對粒子流施加仿真特效的影響，如風力、阻力及重力等，可對天氣現(xiàn)象在三維場景中被有效的模擬出來，從而使視覺效果更為逼真。

5.2碰撞檢測

碰撞檢測隨著分布交互及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)發(fā)展，已成為該領域中的熱點研究對象。在虛擬的環(huán)境中，培訓者沉浸感隨碰撞檢測精度越高而越強，促進虛擬環(huán)境中真實性的提高。虛擬場景仿真場景渲染率與實時性受實時碰撞的影響很大，所以，在該領域中，碰撞的檢測技術(shù)也是難點之一。需要碰撞檢測解決的核心問題就是虛擬場景中漫游實時性的保證、算法效率的提高及相交測試中對象數(shù)目的減少，碰撞檢測基本任務就是確定物體之間（多個或兩個）是否有穿透或者接觸。碰撞檢測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都是通過相交測試的幾何數(shù)目減少為基本思想的。

5.3包圍盒技術(shù)

包圍盒技術(shù)在計算機幾何領域與計算機圖形學中，在虛擬場景將幾何體（簡單且規(guī)則）對象進行包圍，簡化其計算方法，以此促進幾何運算效率的提高。

5.3.1碰撞檢測

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

物體在場景中的構(gòu)建是以實體為依據(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，因此碰撞檢測不對物體本身直接使用，碰撞檢測的檢測效率提高是通過物體包圍盒直接碰撞進行的。

5.3.2光線渲染與跟蹤

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

6結(jié)語

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

參考文獻

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