三维变电站仿真场景生成系统的研究与实现

范展滔++钟旭

摘要：该文的研究方向为仿真场景的生成技术，为使三维变电站提高其仿真场景生成系统的灵活性，从而实现了由二维向三维的转变。实现场景图由二维转变为三维，并使用3D建模工具对变电站仿真场景给予变电站中各种设备模型及建筑环境模型进行模拟。三维变电站的仿真场景渲染、生成场景图由二维向三维的转换及设计三维变电站场景图，都通过使用OSG技术得到了实现。采用三维变电站的仿真场景及其生成系统，构建了具有良好操作性与交互性的仿真空间。通过仿真结果显示，遵循110kV的变电站电气规范与其设计要求，用户可对二维变电站的场景图进行绘制，并且对其相应的三维仿真场景迅速做出转换。三维变电站所呈现出的仿真场景其效果较为逼真，在变电站的实际应用中比较适用于仿真培训，在应用上有较强的现实意义与实用性。

关键词：变电站 三维仿真系统 仿真场景

中图分类号： TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在电力系统的输送配电过程中，变电所是其重要环节，适用于调整电压的场所。其运行操作随着变电站系统不断发展，其自动化进程也趋于复杂，也使得对工作人员业务熟练程度及技术水平的要求越来越高。在系统实际运行中，因变电站系统具有特殊性，难以对工作人员开展培训工作。现如今仿真培训系统主要有两种：软件仿真与物理仿真模式。软件仿真主要是对现场录像、实体图片、平面接线图与数据图表等进行仿真，其过程沉浸感较为缺乏。物理仿真主要是依靠于专业设备，但其又具备可移植性较差、系统庞杂与实施时成本略高的缺点。目前，在变电站的仿真培训系统中最为常用的就是三维虚拟变电站的仿真系统，因其具有灵活多变的培训方式，且造价较为低廉，在运行上也较为便捷，在三维虚拟的变电站仿真系统中培训，其培训过程存在较强沉浸感与真实感。此外，虚拟现实仿真技术的实现不仅需对电气设备几何模型进行建模，建模中还需加入对变电站周围环境的仿真模拟。

1国内外对三维变电站仿真系统的研究现状

在电力系统中，电厂仿真培训首先对仿真培训系统进行了运用，变电站的仿真培训也因电网调度的仿真培训而逐渐展开。计算机技术的应用与发展，促使变电站的仿真培训系统也逐渐发展起来，其发展进程由于变电站中自动化水平的提高而起到了推动作用。

20世纪60年代～70年代左右，电力系统仿真培训系统兴起并在火电厂中被应用，之后随着发展其范围扩增至变电站及电网的培训中。早期的火电培训仿真机投入使用于日本及英国与美国，最具代表性的为日本的关西电力公司“变配电的技术培训中心”的建立。我国首套火电仿机组的研发建立时间为1982年，变电站及电网仿真培训系统直至80年代末期才开始建立。我国首套DTS为东北电网仿真系统，研制时间为1990年。早期应用的变电站的仿真系统由于其运行操作较为简便，变电站的数量增大，但容量较小，再加上自动化的水平过低，从而导致其应用的效率不高。

2三维变电站的仿真系统研究成果

通过研究三维建模、计算机图形与仿真场景生成这三种技术，从而使渲染和生成三维仿真场景、环境与变电站设备的建模及二维场景保存与绘制得到实现。三维场景图漫游与渲染、场景图由二维向三维的转变通过OSG技术都得以实现。通过研究应用系统子模型，三维变电站的仿真场景实现优化，具体研究如下。

2.1变电站中其设备建模的实现

电压互感器、变压器、隔离开关及电路器等组成了变电站设备。用三维方式将变电站设备的仿真场景进行表示。通过对三维建模技术研究，变电站的设备建模是使用 ， 的模型文件是通过 的插件将其以IVE三维格式导出，在OSG的编程中可方便调用。

2.2绘制二维变电站的场景图

变电站周围的建筑环境与其各设备表示为二维图元，图元的编辑操作与其绘制使利用MFC所封装各类的绘图函数来进行的。读写操作是通过二维图形文件的格式研究，在设计中将二维场景图的文件格式与文件存储设置成自定义来实现的。

2.3生成三维变电站的场景图

通过研究现有仿真的生成技术，三维变电站其场景图的设计是通过OSG技术来实现的，在这一过程中还对变电站的场景图由二维向三维转换得以实现，由此证明，生成三维变电站的场景图是以其二维场景图为基础的。

2.4渲染三维变电站的仿真场景

渲染三维变电站的仿真场景实现是利用OSG技术，在此过程中还实现了场景的碰撞检测与漫游等。通过研究粒子系统，使其仿真场景天气模拟得以实现（如雪与雾及雨、风等），使模拟效果更为逼真。

3什么是三维仿真场景

通过对现实环境形象的三维模拟技术，在虚拟场景中，用户可对于其中的信息进行查询与预览，还可对虚拟物体进行场景交互的操纵，使用户在使用过程中仿佛身临其境，无需处于真实环境中即可有相同效果的感受。三维的仿真场景涉及多门学科，如人工智能、现实虚拟及计算机的图形学等，在人机工程的工作环境、培训及教育等仿真领域中被广泛应用，除此之外，该技术还应用于规划领域、动画的制作领域、建筑领域、产品的展示领域及园林领域等。

4三维仿真场景结构

仿真场景应用于虚拟现实中，一般为是用来描述场景图。三维场景的元素存储就是场景图，在场景中对所有物体与物体相互间的关系有保存作用。本身场景图就属于一种层次结构，其空间的数据集所使用的是自上而下树状结构图，以此为组织形式来达到渲染效率得到提升的目的。

诸多类型不同的节点构成了场景图，物体是由节点表示的。根节点是全部三维的仿真场景图，场景图位于树形结构顶端；场景图最底端为叶节点，物体在场景中实际的几何信息包含其中，叶节点场景中特效、光源、实体及地形等基本单元构成；组节点位于根节点下一层，包括的控制信息为物体的外观渲染状态及其几何信息，每个组节点与根节点都对子成员拥有零个或者多个（注：组节点为零个子成员，则不对其进行任何的操作），组节点中场景几何体的排列是通过OSG的程序进行的。在此种层次的结构中各节点可准确将其环境中的父子关系与其位置进行描述，在场景图生成前，各图层数据都要分别建模。如图1所示，各节点间与场景图层次结构位置关系。

图1 各节点间与场景图层次结构位置关系

场景图中所包括的节点其功能是不同的，比如说，开关节点 对其子节点的设置作用是可用或不可用，LOD细节的层次节点，其不同子节点的距离调用是依据观察者对其作出的观察决定的， 变换节点可对其几何体坐标根据子节点的改变来对其状态进行更换。所有的节点类都有相同的基类，又各具不同的功能方法，场景图的继承机制，可为节点提供多样性。

5三维仿真技术

通过对计算机技术的使用，生成一个具备触觉、听觉及视觉等包含多种感知、虚拟且逼真的环境，用户可通过虚拟环境中虚拟对象与外设装置的相互作用来体会，此种技术就是三维仿真技术。其技术包括粒子的系统模拟、碰撞检测及包围盒技术。

5.1粒子系统

粒子系统在三维的计算机图形学中，是对某些特定模糊的现象进行模拟的技术。在此系统中，粒子模拟过程通过OSG实现了较为复杂的过程，比如雨天特效、雪天特效及雾天特效等。粒子行为在粒子系统中的控制是通过对其空间的扭曲实现的，对粒子流施加仿真特效的影响，如风力、阻力及重力等，可对天气现象在三维场景中被有效的模拟出来，从而使视觉效果更为逼真。

5.2碰撞检测

碰撞检测随着分布交互及虚拟现实等技术发展，已成为该领域中的热点研究对象。在虚拟的环境中，培训者沉浸感随碰撞检测精度越高而越强，促进虚拟环境中真实性的提高。虚拟场景仿真场景渲染率与实时性受实时碰撞的影响很大，所以，在该领域中，碰撞的检测技术也是难点之一。需要碰撞检测解决的核心问题就是虚拟场景中漫游实时性的保证、算法效率的提高及相交测试中对象数目的减少，碰撞检测基本任务就是确定物体之间（多个或两个）是否有穿透或者接触。碰撞检测的算法有空间分解法与层次包围盒法。这两种算法加速碰撞检测都是通过相交测试的几何数目减少为基本思想的。

5.3包围盒技术

包围盒技术在计算机几何领域与计算机图形学中，在虚拟场景将几何体（简单且规则）对象进行包围，简化其计算方法，以此促进几何运算效率的提高。

5.3.1碰撞检测

判断两个包围盒或者物体包围盒和检测线是否有相交，无相交，物体间则无碰撞发生；相交，则有碰撞发生。

物体在场景中的构建是以实体为依据的，一般几何体为不规则，但物体包围盒的几何体一般都是规则的，因此碰撞检测不对物体本身直接使用，碰撞检测的检测效率提高是通过物体包围盒直接碰撞进行的。

5.3.2光线渲染与跟踪

包线盒用于光线跟踪时，其功能为相交检测，用于渲染算法，则是检测视体。如包线盒与视体或者光线无相交，则盒内物体不相交。物体列表可通过相交检测来获得，如果场景中物体在列表中显示，就说明被栅格化或者渲染。

6结语

三维变电站的仿真场景生成系统，可使其开发周期有效缩短，避免重复性的开发工作，利于开发成本的降低。此外，该仿真场景的实现，不仅提供了高效且安全的培训平台，也促使变电站工作人员对其各部分有了更为深刻的了解，从而使其业务能力与操作技能得到提高。

参考文献

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