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1、第三部戈系统仿真?基于!#的集控站交互式三维仿真培训系统胡剑锋周季峰王炎初南京南瑞继保电气有限公司,江苏,南京,%&摘要(本文介绍一套集控站三维仿真培训系统,该系统基于&#%)三维图形 开发包开发,包括仿真组态工具和仿真运行工具。利用?+,./工具创建设备的?0模型,仿真组态工具配置设备的动作决策和表现决策,仿真组态工具通过叩1 23实时库和通信平台获取设备的状态信息,与教员机交互,执行表现决策来实现场景显示与电力设备状态保持一致,执行动作决策来完成各种就地操作,从而为学员提供一个实时、一致、可交互的三维仿真培训平 台,达到模拟实战培训 的目的)关健词(三维4仿真培训4!#4交互式4虚拟现实4
2、集控站中田分类号(5 6?7 518519 88一+28:,2;:85 9.2:2:?2.=;9,=8;98:=9.28+;:=9;,=.=2;:08 8;68+;:!#2.:一:?1;2一:?肠:?.:一3 1.川一:?一 8 3=928;,=+),2.:?,.:2:?,%&,=9.3=(8=9.2:2:?,2.=;9,=8;938:=9.28+3;:=9;,=.=2;:,2=1.,8 8:+88;68+;:!#!68:,8 8:8#9.61%),2:8+8;,2.=2;:8;:2?9.=2;:=;.:+,2.=2;:8/6;9 89=;)9 8.=8=18?08268:=;+8,2:?+,
3、./,2+=18.3=2;:+882,2;:.:+2,6.+8 82,2;:,2:?,2.=2;:8;:2?9.=2;:=;)18:,=+8:=,=9.:2:?,+2,6.:+;689.=8=188268:=;?029=.8.2=,8 8:8=19;?18/8=8=18+2,6.+882,2;:.:+.3=2;:+882,2;:,2:?,2.=2;:8/6;989=;,2=1=188668:=,=.=,2:;9.=2;:1281 1.,8 8:?.2:8+9;6128)5 18,=88.:69;2+8.=1988+28:,2;:2:=89.3=28=9.2:2:?,2.=;96.=;9;9 8
4、.=28,8;:,2,=8:=2=10,=8.:+?;+2:=8 9.3=28,2=1?;+=9.2:2:+8七=)价;9+,(5 19 880 28:,2;:(5 9.2:2:?,2.=;9484!#4!68:,8 8:8#9.61(8:=9.2 8+;:=9;,=.=2;:引言集控站仿真培训系统是提 高集控站运 行操作 人员素质、保证电力系统安全稳定运行的重要手段之一。为了达到较全面的仿真效果,集控站仿真培训系统的内容应该覆盖监控系统、二次屏柜和一次设备的全部环节。在这三个环节中,监控系统和二次屏柜的仿真一般都采取二维技术实现,而一次设备的仿真一般采取三维虚拟作者简介(胡剑修 7 一,男,
5、湖北薪春,工程师,硕士,主要从事电力变电站监控软件产品和仿真培训软件的开发(周季峰】7?%一,男,江苏南通,工程师,硕士,主要从事电力变电站监控软件产品和三维可视化产品的开发4王炎初 7 7一,男,江苏南京,工程师,硕士,主要从事电力调度图形界面软件产品。现实技术实现。对于一些专业领域如电力领域的传统生产厂家,注意力以前都集中在二维用户界面上,对于虚拟技术没有太 多的技术积累,如果从基础!8:#技术开始研究,成本和开发周期较长,效果也难以在短时间内达到用户要求。当然也可以采取外包的方式,通过与专业的三维虚拟现实产品合作来实现,有些厂家采用这种方式,在效果上应该说是很好的,但是专业性较差,不能与
6、监控系统、二次屏柜仿真无缝连接,维护和对用户需求 的反馈速度较慢,工程成本较高。)开源的三维图形开发包;,#;8:88:8#9.1给了我们一个全新的选择,那就是基于!#来开发三维虚拟仿真系?%系统仿真技术及其王立用。第:卷统,不仅可以与本专业特 点紧密结合,能充分 发挥厂家在本领域的知识优势,而且开发周期短,交互方便,产品的性能优越。%开发环境本系统是基于!#%)图形开发包、5界面开发包以及,;1 23实时库和 数 据 平台开发。;,#;8:,8 8:8#9.1图形开发 包 是一个采 用8什开发、基于工业标准!8:#的?0引擎,它让用户能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式 图形程序。
7、本系统采用最新稳 定版本&#%)作为?0功能的基础平台(5是一个跨 平 台的开发工具,用于编写各种#界面4,;1 23平 台是南瑞继保公司自主研发的跨平台十编写的分布式实 时库和 网络平台,经过多年的电力集控站监控系统运行实践证明,具有很高的实时性和可靠性。同时它可 以提供对商用数据库;9.3 8或,数据库 的驱动接口,可以存放历史数据,便于历史数据查询和发布。以上三个工具或平 台均支持跨平 台,保证了仿真系统的跨平 台特性。?三维虚拟仿真系统介绍本系统根据工程实施需要,开发了仿真组态工具和仿真运行工具。仿真组态工具读入场景模型文件,对场景模型 中的活动节点进行决策定义,配置其表现和行为,如定
8、义断路器操作箱门的动作决策、隔离刀闸的分合动作决策、瓷瓶的表现决策等。动作决策是指动作类型与模型变化参数之间的映射,表现决策主要是建立实时库的状态值和模型变化参数之间的映射,模型变化参数是指三维物体的旋转方 向、旋转角度、模型替换、材质替换等。和鸟瞰,并通过工具栏和快捷键切换操作模型,如巡检模式、操作模式、验 电模式等。仿真运行工具采用三层结构设计。采用5编写操作主界面,采用!#开发包来负责三维场景的管理、天气、漫游 控制以及优化处理等,采用叩1 2。平台来完成设备信息的获取 以及与教员机的交互。如图所示。模型创建首先采用?+,./,绘制设备模型。按照电压等级、设备类型来绘制单个一次设备的模型
9、,包括变压器、断路器、刀闸、地刀、5、65、母线、进线、避雷器、电容器、电抗器、空开操作箱等,每种不同形式的设备都要建一个相应的模型。绘制时每个一次设备模型都分为静态和动态两个部分。静态部分是指在场景中不变的部分,动态部分是指在场景中需要变化或操作的各个活动部件,如门、断路器就地操作按钮、刀闸的刀臂等。如果该设备的静态部分较复杂,为了在场景漫游时提高效率,在?+,./绘制时,需要提供几个等级的!0模型 细节层次模型,并用;,?/插件添加一个!0889,将几个!模型添加进!01 8 89控制中,为不同层次的!0设置可见距离。动态部分在绘制时,为了将来组态的方便,利用插件;,?/6创建!,#节点来
10、进行处理,!#节点的命名可以采用“类型 设备编号部件编号”的方式进行命名,如,%?&,8文件。该格式文件是!#图形开发包所使用的文件格式,可用于组态和仿真运行。仿真组态模型建立完成后,就可以在仿真组态工具中进行组态。在组态工具中对活动部件的定义采用了决策的方式。通过对现场的活动部件进行总结,活动部件的变化包括操作和显示两方面,于是针对这两方面为活动部件设置动作决策和表现决策。动作决策包括动作的行为方式和目的。动作的行为是指当鼠标 点击该活动部件时触发的变化。方式在本文中采用!#提供 的三种方式,包括(无动作,不执行任何动作,只是发送命令4%0!节点。它是一种旋转变换节点4?9 9方式。它是一种
11、通过几个模型的简单切换来达到 动”的效果4 动画路径,它是一种较复杂动作方式。在动作的决策中,对于后两种方式的处理都是直接执行即可,而第一种方式,需要定义其旋转的轴、方向和幅度。动作的目的是和仿真系统息息相关的,指 示该动作的执行要实现什么样的目的,动作的目的包括普通动作门操作、就地操作、空开操作、压板操作、场景切换、调二维图形等,类似于监控系统中的敏感点功能。因此动作决策 的人机界面需要定义包括动作行为参数0!旋转参数、是否连续动作等和动作目的参数动作类型、动作命令参数、是否五防校验等。下面是动作决策 的结构,一个节点对应一项动作决策)8.,8=2;:0882,2;:_ 动作类型?+:08(
12、3=2;:5 683=2;:介684 是否五防校验;8 84 是否连续动作;8,;64 是否挂牌点;8 8卜 飞?6;2:=4 命令参数=92:?,6./.4沁!旋转类型?+:08(;=.=8介68 :;=.=85 68(沁!转幅限值;.=8,./4;.=8 8./4;.=,8./64 逆时针方 向;8 8:=28;82,844表现决策根据设备状态来改变相应 的显示。采用三种方式来实现(5 方式4%粒子效果4?纹理图片替换4 动画路径。表现决策主要定义设备的状态和缺陷对应的表现方式,以及需要的参数。下面代码是一项表现决策的结构,一个节点对应多项表现决策,代码如下(8.,02,608 82,2;
13、:=8_刀状态值或者缺 陷编号2:=8:,=.=84 表现方式?+:08(02,6印68 :0 6勺68(刀对应的,=23 1对象的2+2:=一:,2=812+4 粒子效果节点的类型?+助 08(5 688,=勺68(刀需要替换的图片名=9 2:?一,628:.844图?是绝缘子冒烟的表现决策采用&7的粒子系统生成的效果图。图?采用!#粒子模型实现的表现决策?系统仿真技术及其石匕用。第 卷另外活动部件 的配置参数除了动作决策和表现 决策,还需要记录对应节点名和对应 的设备信息,因此较完整的节点数据;+80.=.如以下代码所示。8.,为;+80.=.(628&7(8 89 8:88+_ 节点名4
14、=92:?处,;+8.8(设备!&.8 4 设备别名=9 2:?一,082.,(设备类型名=92:?,085 68.84 表现缺陷参数02,60882,2;:8 8.=(动作决策参数3=2;:0882,2;:8=2;:(4下图为组态工具界面,组态工具中可 以规范的节点命名,自动从电力设备信息库 中获取相应设备信息进行关联,也可以将相同的决策定义批量应用于相同处理方式的节点,可以大大节省组态的工作量。预览窗口可以随时察看当前活动部件 的动作决策和表现决策的定义是否与期望一致。02,60882,2;:08 82=8+2,6,&,8 83=68,&,2=812+二,”=.=8,62 3二”卜0882
15、=8+2,6,&,8 88=68,&,2=812+,%,=.=8二,”63 二”0882=8+2,6,&,8 83=68,%”2=3 12+,=.=于,?,628,川 0 2,60882,2;:8=2;:;=.=85 68,&,./,%,6.9.,川8=2;:5 68,;,?8=2;:,&,:=2;8 2,8,”./6,%,./,%,”&6,&,介?6;2:护,&,例;+80.=护仿真运行图仿真组态的人机界面组态完成后,配置信息保存 为格式的配置文件,便于解析以及今 后 的扩 展,其 中 每个配置信 息;+80.=.的内容如下所示。;+80.=.;+8.:卜,0,08 2.,开关”085 8,
16、9 8.89,&二,&”;8诩.8,仿真运行工具实现场景显示、场景漫游 以及不同模式下的操作,模拟学员在真实变电站现场 的巡视和操作,达到培训效果。仿真运行工具读入模型导出的2 8文件以及配置文件,初 始 化 时 读 入配 置文 件,读入节 点 数 据 表;+80.=.,=,根据;+80.=.2,=中每一个;+80.=.中记录的节 点名,找到模型中对应的节点8+8,调节点的,8=,89 0.=城函数,把;+80.=.指针设置给;+8的,890.=.中存放。如下所示(2:=%;+80.=.,)8;:=4;叹2 42%42 _;+80.=.:+;+80.=.2,=42双。:+8;:=2:8(&7(
17、9 8吵仃。7(;+8 6;+8 2:+;+8.8;=,:+一,8,;+8.842议。一;+88;:=2:8(:!+8一,8=,89 0.城:+(通过场景中节点回调的处理,保证场景显示时设备状态和电网仿真状态的一致性。实现方式时,初始化时遍历所有节点,调节点的,8=+.=8.3函数,给需要更 新的 节 点 类 型 设 置一个 类型 为;+86+.=83.3的更新回调对象。场景刷新时,;,#会不断执行节点的回调类;+8+.=88.一 即的更新函数,并在更新函数 中调用节点的?8=,89 0.=成 函数,来获取其记录的;+80.=.指针。根据节点类型和;+80.=.执行决策的处理。;2+6+.=8
18、;+8&7(9 8 6=9&7(;+8:+_刀获取自定义数据&7(98 6=9;+80.=.,890.=.+:.238,3.,=;+80.=.:;+8一?8=,8 90.=.(第三部分系统仿真?2&,8 90.=.98=9:(执行表现 决策+.=802,.:+,890.=.4 执行动作决策 6+.=88=2;:+,89 0.=.(学员在场景中漫游以及对设备部件的就地操作都 由继承 自;,?#(.=92/.:2.=;9的;:2:89 2,8类来实 现。;:2:89 2,8的 虚函数;1.:+88;:,=;,?#(#8:=+.6=8 98礼;,?#(#3=2;:+.6=89,中处理鼠标和键盘消息。
19、鼠标与键盘的处理方式如表所示。;,?=2(2:8,8?8:=:=89,8 8=;9(:=89,83=2;:2:=8 9,83=2;:二2:=,8,)8?2:4&7(;+86.=1:62:=89,88=2;:):;+86.=14;92:=2:6),28 一(2&(一2_&7(;+8:+:.23 3.,=&7(;+8:62(2;+8;:=2:8(;+80.=.,890.=.+:.23 一3.,=;+8+.=.:+一?8=,8 90.=.(2&,8 90.=.8;:=2:8(,2=818;+8表 鼠标与键盘行为定义表类类类动作作处理理型型型型型鼠鼠鼠鼠标移动动当鼠标漫游开启时改变视角方向4 4 4标
20、标标标当鼠标漫游关闭时仅移动光标(操操操操移动光标置可操作部件时改变光标标作作作作作作作作作作作作作作作作作作作作作作作作右右右键单击击开启和关闭鼠标漫游游左左左键单击击操作设备部件件左左左键双击击弹出选中设备巡视报告窗口口键键键上下键或或在?0场景中前进和后退退盘盘盘键键键操操操操操操操操操操操操操操操操操操操操操操操操作作作左右键或或在?0场景中左移和右移移 0键键键 ;8,视点的升高和降低低 :+键键键_留8&!0 288:+4 处理单击指令9 8.48韶80!0 288:+(处理双击指令98.498=4仿真运行工具的全场景运行效果如图所示。其中,操作设备部件以及弹出选 中设备巡视报告窗
21、口,都需要对场景中物体进行点选。在;:2:839 2,8类的虚函数1.:+28函数中判断出是点击或双击,然后调用 2 3;+8函数来点选出点击或双击的部件,选出部件后执行相应的动作指令。点选的方法是通过屏幕中点击的位置/和,发出的射线与场景中的物体相交,得到由穿过的多个物体形成的相交路径。路径一般有两条正反两个方向穿透,遍历第一条路径中的物体,找到想要的活动部件,然后执行该部件的配置信息囚;+80.=.中定义的行为。代码如下所示(;2+28;+8;+828;+8 8;+8,8;:,=+;8/,8;:,=+;8,;,?2889(28892889_;,?=2(2:8,8?8:=:=8 9,88=;
22、9(2889 8;6=8:=89,88=2;:,/,2:=,8,98=42坟2:=,8,),2那 9=4图仿真运行工具运行效果图总结本文介绍基于三维图形开发包!#%)来开发一套交互式集控站三维仿真培训系统的几个关键技术,包括!#节点与电力设备信息库 的关联方式、!#的节点的动作决策和表现决策定义、自定义粒子对象、!#节点回调类的使用、决策的执行以及消息处理和点选操作等。!#自身性能的优越性和?+,./建模工具的便利性,为工程实施提供了很大的帮助。目前该系统己经在多个?系统仿宾技木及其应用。第 巷现场投入运行,全站场景在%&多万的三角片规模下,采用#8;93 8?的显卡,漫游帧率最低值超过?&帧,效果 良好,受到用户的普遍认同。参考文献9 88,;=1杨石兴);8:,88:8#9叩1程序设计明)%,肖鹏);,#编程入门指南)?侯俊,李蔚清,林昌年)变电站三维交互场景仿真关键技术研究 )电网技术,%&,%77 科姜芳芳,来文青)虚拟现实在变电站仿真培训系统中的应用)高电压技术,%&,?【祝铂渝,龚庆武)具有三维交互功能的变电站仿真培训系统 )中国农村水利水电,%&,申闰春,朱幼虹)基于!#的三维仿真平台的设计与实现明)计算机仿真,%&,%&