CN105096380A - 一种基于3d仿真技术的电网真实结构完全模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法，以电力设施为元素，将电力现场、设备（变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器等）、安全工器具（接地线、围栏、警示牌等）、地理走向现状（交叉跨越、道路、房屋、河流等）制作成专业模块（实际物体的缩小版），工作人员通过对模块布局，按实际地理情况，直观、形象、迅速的创建电力仿真场景，在此场景下我们可以360度多种方式浏览，复杂的施工场景可以固化，用于以后在此场景的安全风险防范预控及施工培训。

Description

一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法

技术领域

本发明涉及电网***仿真技术领域，尤其涉及一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法。

背景技术

近年来，伴随着中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅速发展，电网***运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大，全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网6个跨省的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架。中国电网规模已超过美国，跃居世界首位。在如此迅猛的发展势头下，我国电网前期规划凸显出其重要性，只有运用3D仿真技术对电网领域的联系发电和用电的设施、设备进行真实模拟，才能最有效得还原未来真实场景，3D仿真技术在电网方面的新型应用着重在于针对电网行业及设施，弥补其前期缺乏真实数据模拟场景还原环节的缺憾，建立一个可动态更新变化、并利用国际先进算法和引擎的3D仿真环境，对电网建立前期、运行过程和设备进行真实模拟还原。

通常所说的3D仿真技术指的是real-timeinteractivevideo,这里面interactive指的是操作会影响画面的显示（如放大、缩小、旋转、拖拽等），由于***会对operator的操作进行反馈，所以这类的3D仿真技术更真实，更吸引人，real-time是指实时的操作、环境的变化必须要实时的在画面上表现出来。也可以说是video的一种，其利用通用的计算机技术实现了实时交互性的效果。

本质上计算机是数字化的，即信号是离散的（与连续相对）、数字的，所有连续的效果通过足够快的更新画面来实现，实际类似于上电影、电视的原理。其都是用离散来模拟连续。因为一般人眼的反应时间大概是毫秒量级，所以使用离散来模拟连续是可行的。

目前，3D仿真技术在电网方面的应用，是在充分了解电网结构和设施的基础上，优化传统3D仿真模型、算法和引擎技术，对电网真实环境的完全仿真模拟，所以不存在可操作性，在真实环境因多种原因突然改变的情况下，3D仿真技术无法及时产生对应的变更。换言之，3D仿真技术在电网方面的新型应用着重于数据的真实性，是将真实电网环境数据化，再将数据3D化，是一种静止的镜像模拟环境，而非“动态”模拟环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法，能够在仿真电网结构和设施的基础上，优化传统3D仿真模型、算法和引擎技术，实现对电网真实环境的完全仿真模拟。

本发明采用的技术方案为：

一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法，包括以下步骤：

1）导入***地图数据：主要用于核对与电网电力设施相关的设备及建筑物与周围环境的位置关系、属性信息、相应地理空间数据以及准确的朝向；

2）3dsmax建模：在***地图投影基础上制作模型；

制作的模型包括：电网相关的电力设备和建筑物，还包括设备和建筑物四周环境存在的自然物和创造物；

其中，电力设备和建筑物包括：变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器、接地线、围栏、警示牌、铁路、道路和电力应用的房屋；

自然物包括：设备和建筑物四周存在的地理走向现状，交叉跨越、高大树木、山岭、丘陵、河流；

创造物包括：设备和建筑物四周存在的人造的各种建筑。

3）导出obj模型：导出实时引擎可以识别的模型格式；

4）打光、烘培纹理：在模型上渲染出一定光线条件下的纹理，并且调整UV坐标；

5）增加周围环境物体：主要指道路、花坛、空调等装饰物小模型，尽量采用可复制的模型减小场景复杂度；

6）导出场景文件：最终导出整个场景的结构文件，其中包括导出的obj模型以及各个模型的位置加载关系；

7）视图操作

①：计算骨骼动画的当前transform矩阵、顶点动画的当前数据，摄像机移动的当前位置动画相关数据；

②：计算粒子***当前的状态；

③：计算视角新的变换矩阵；

④：根据视角matrix4更新modelViewmatrix、projectionmatrix；

⑤：根据新的视锥体进行场景剔除，一般室外场景是八叉树裁剪、室内场景是二叉树裁剪；

⑥：更新每个node的orientation，position、scale等属性；

8）渲染场景

⑦：依次渲染renderQueue中的mesh，根据shader等来分组进行渲染、进而提高效率，GPU的特点是并行计算快，但是切换状态时很费时间；

⑧：为GPU绑定顶点数据；

⑨：设置vertixshader和pixelshader的参数；

⑩：执行shader程序。

本发明的优点：1、实时性-较传统3D仿真技术而言，新型技术不需要重复建模，在模型数据库变化时即可实时更改；

2、保证帧平稳（画面播放要平稳、不能有快进或卡住的感觉）-需要进行算法的优化和服务器设备配置的提升；

3、不能卡住整个线程-当局部出现BUG画面时，保障整个大画面线程的流畅；

4、3d模型的效果要真实（主要是物理模拟等）-保障和真实环境一致，而不是示意图。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1）导入***地图数据：主要用于核对与电网电力设施相关的设备及建筑物与周围环境的位置关系、属性信息、相应地理空间数据以及准确的朝向；

2）3dsmax建模：在***地图投影基础上制作模型；

制作的模型包括：电网相关的电力设备和建筑物，还包括设备和建筑物四周环境存在的自然物和创造物；

其中，电力设备和建筑物包括：变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器、接地线、围栏、警示牌、铁路、道路和电力应用的房屋；

自然物包括：设备和建筑物四周存在的地理走向现状，交叉跨越、高大树木、山岭、丘陵、河流；

创造物包括：设备和建筑物四周存在的人造的各种建筑。

3）导出obj模型：导出实时引擎可以识别的模型格式；

4）打光、烘培纹理：在模型上渲染出一定光线条件下的纹理，并且调整UV坐标；

5）增加周围环境物体：主要指道路、花坛、空调等装饰物小模型，尽量采用可复制的模型减小场景复杂度；

6）导出场景文件：最终导出整个场景的结构文件，其中包括导出的obj模型以及各个模型的位置加载关系；

7）视图操作

①：计算骨骼动画的当前transform矩阵、顶点动画的当前数据，摄像机移动的当前位置动画相关数据；

②：计算粒子***当前的状态；

③：计算视角新的变换矩阵；

④：根据视角matrix4更新modelViewmatrix、projectionmatrix；

⑤：根据新的视锥体进行场景剔除，一般室外场景是八叉树裁剪、室内场景是二叉树裁剪；

⑥：更新每个node的orientation，position、scale等属性；

8）渲染场景

⑦：依次渲染renderQueue中的mesh，根据shader等来分组进行渲染、进而提高效率，GPU的特点是并行计算快，但是切换状态时很费时间；

⑧：为GPU绑定顶点数据；

⑨：设置vertixshader和pixelshader的参数；

⑩：执行shader程序。

下面详细说明本发明的实现原理：

首先，解释几个基本术语

operator：3D仿真技术在观察时，需引入操作者的概念。

gamepad(alsocalledjoypadorcontrolpad)：操作杆。

Skeletalanimation（骨骼动画）：3D仿真实际上是连续的多个离散的顶点位置集合，顶点动画是将这些位置的集合事先计算好，在使用时直接放入显卡进行渲染，骨骼动画是在每一帧中计算各个抽象的骨头的变换矩阵，之后在渲染时由显卡负责将这些变换作用到起初设定的skin上面。

ragdollphysics：骨骼动画里面的每个bone（rigidbodies）之间建立了一种相互约束的关系（比如电网设备的线路只可以向外延伸，而不能进入设备内部），这样使3D效果更真实。

AGAL:AdobeGraphicsAssemblyLanguageStage3D的着色器语言。

AIR:AdobeIntegratedRuntime开发代号为Apollo，是一个跨操作***运行环境，用来建造RIA，使用Flash、Flex、HTML与AJAX，可能部署为桌面应用程序。

AIR是Adobe针对网络与桌面应用的结合所开发出来的技术，可以不必经由浏览器而对网络上的云程序做控制，也由于这是Adobe所开发的技术，因此能很顺利的与Adobe旗下的Photoshop、Flash、Fireworks等应用程序来进行开发。

GPU:图形处理器

Shader:着色器，指一组供计算机图形资源在执行渲染任务时使用的指令。程序员将着色器应用于图形处理器（GPU）的可编程流水线，来实现三维应用程序。这样的图形处理器有别于传统的固定流水线处理器，为GPU编程带来更高的灵活性和适应性。

着色器分为顶点着色器，几何着色器，像素着色器。

渲染管线:渲染管线也称为渲染流水线，是显示芯片内部处理图形信号相互独立的的并行处理单元；在某种程度上可以把渲染管线比喻为工厂里面常见的各种生产流水线，工厂里的生产流水线是为了提高产品的生产能力和效率，而渲染管线则是提高显卡的工作能力和效率。

一般3D仿真技术的规则是由server端来计算的，client本质上是一个状态“播放器”，为了更有效的实时的显示出最新的状态，本地要保存一个operator和环境的数据结构（如果所有数据实时的从server端取回，则render只能在消息回调中执行，这样会卡帧），为了体现最新的状态client要不停的显示需要的数据结构，这样只要刷新的足够快，用户就会觉得是实时同步更新的。核心的数据结构是operator，这个结构server端和client端基本是一致的（client端的ID用来标记server端的一个对象）。

对于3D模拟环境而言一个屏幕上显示的内容只是虚拟电网的一小部分，整个电网一般用场景图结构微缩图来表示。

基本逻辑

1、事件处理，即从上一帧到这一帧之间缓存的事件需要一一进行处理。这些事件包括本地的键盘鼠标操作，server传过来的信息等。

这些事件的处理逻辑主要包括：

1)画面移动、转向等（内部是更改mesh的matrix4等属性、以及摄像机的操作等）走动----切换场景数据即3D行走；

2)切换视角-----改变摄像机的target；

3)拉近视角、拉远视角--------摄像机操作；

4)自动寻路--------寻找关键点、播放行走动画；

5)特殊效果触发器--------播放特定粒子效果、动画等；

6)触发某个界面元素--------进行相应逻辑处理、向server发相应请求等；

2、物理模拟

1)碰撞检测（求交点等），视角不可穿越墙壁、不会超出地图边界，不会悬空等效果；

2)反向动力学模拟，可以实现ragdoll效果；

3)流体力学等复杂的物理模拟，基本上牛顿经典力学所涉及的速度、加速度、质量，运动学等都可以做到（如人物走时会受摩擦力影响、人物跳下时会有重力加速度效果），可以模拟出流体力学（这样就会体现出空气阻力、游泳时的浮力、阻力，水流动时的表面张力等）等更逼真的效果。

3、preframe

1》计算骨骼动画的当前transform矩阵(之前先是在物理引擎中计算)、顶点动画的当前数据，摄像机移动的当前位置等动画相关数据；

2》计算粒子***当前的状态；

3》计算音效、背景等当前的数据。

4、update场景

1)计算视角新的变换矩阵；

2)根据视角matrix4更新modelViewmatrix、projectionmatrix等（之所以使用matrix4x4是因为显卡支持4阶矩阵并行计算，注意不是并发是真正的并行，这是GPU的特点）；

3)根据新的视锥体进行场景剔除（cull），一般室外场景是八叉树裁剪、室内场景是二叉树裁剪；

4)更新每个node的orientation，position、scale等属性（主要是要将父节点的数据传递给子节点）。

5、渲染场景

1》依次渲染renderQueue中的mesh，（这里面可以根据shader等来分组进行渲染、进而提高效率，GPU的特点是并行计算快，但是切换状态时很费时间；

1.1》为GPU绑定顶点数据；

1.2》设置vertixshader和pixelshader的参数；

1.3》执行shader程序（这里面可以作一些特效）；

2》posteffect特效。

静态结构：client端的代码基本上可以包括以下组件：GUI（场景内的悬浮button等）、渲染、场景管理、动画、粒子、物理模拟、AI、网络、窗口界面（qt等）、脚本、IO事件、框架、摄像机管理、operator封装等。

将电网规划的功能加入仿真***，可拓展电网仿真***的应用领域，使电网仿真***在图形数据方面适应规划要求，可面对图形方便地进行输电网的潮流计算与规划，对各种计算结果和规划方案可方便显示观看，并且给出一些评估意见，供规划人员参考，提高电网规划的经济性和可靠性。并且电网仿真***也可进入规划、设计部门，成为这些部门开展工作的有力工具，使电网仿真***更具生命力。

以电力设施为元素，将电力现场、设备（变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器等）、安全工器具（接地线、围栏、警示牌等）、地理走向现状（交叉跨越、道路、房屋、河流等）制作成专业模块（实际物体的缩小版），工作人员通过对模块布局，按实际地理情况，直观、形象、迅速的创建电力仿真场景，在此场景下我们可以360度多种方式浏览，复杂的施工场景可以固化，用于以后在此场景的安全风险防范预控及施工培训。

电力三维仿真的虚拟空间是动态的，可操作的三维仿真演示。电力三维仿真***将与电力设施相关的设备（变电站、线路杆塔、以及铁路、道路、房屋等各种关键要素）及属性信息与相应地理空间数据有机地结合在一起，可进行空间数据与属性数据的统一管理及交互操作，具有直观的图形表达形式以及欠打的空间分析，是电力企业施工、维修的行之有效的辅助工具。基于本***可以实现在统一安排和指导下建立起电力设施相关的设备管理***，通过智能化的物理和逻辑资源管理，结合GIS地理信息***技术辅助实现电力设施相关的设备和输电网络组织的优化，为维修和指挥部门提供有分量的分析；实现地图显示电力设施的分布和管理；实现电力设施相关的设备基本数据模型的建设和维护管理；实现对电力设施相关的设备在维修时准确无误进行指挥操作。软件开发的意图为便于电力使用企业在电力施工抢修时的指挥演示操作、培训提高电力抢修人员的业务技能、规范基层电力抢修人员业务操作、准确定位到故障发生地点。

变电站仿真***功能总体分为三个部分：

（1）场景仿真：我们对常见的线路杆塔、电力设备以及铁路、道路、桥梁、房屋、水库各种环境各种关键要素进行了模块化设计，可以通过对模块布局、直观、形象、迅速的创建仿真场景。

（2）模拟推演：在仿真的场景基础上，结合现场勘查记录进行危险点分析，并编制现场作业指导书，并按作业指导书的要求准备工器具材料、布置落实安全技术措施，对现场作业进行分工安排。

（3）推演回放：在模拟推演结束以后，通过回放现场安全技术措施布置的流程、要求、作业分工、直观、形象、有效地进行作业人员的安全技术培训等。

变电站仿真***内容

1．仿真对象：分别针对500kV、220kV、110kV、35kV、10kV综合自动化变电站。

2．仿真范围：变电站内所有一、二次设备及变电站综合自动化***全面仿真。

3．仿真程度：按1:1比例仿***要电气设备、主控室、保护室、户外设备等；可进行变电站巡视和操作，实时反映变电站各种正常工况、异常现象和事故状态。

变电站仿真***的优势：

1．历史悠久：20年电力***仿真技术研究、开发。

2．经验丰富：已成功仿真300MW、600MW火电机组，500kV变电站综合自动化***。正在开发1000MW超超临界火电机组和1000kV特高压变电站仿真软件

3．技术先进：具有自主知识产权的电力***仿真开发平台，维护方便、***稳定、持续开发。

4.专业专职：专业的计算机仿真专家和电气工程专家，专职的仿真培训教师。

5．培训经验：已培训国内、国外（巴基斯坦、印尼等）发电厂、变电站技术人员和大专院校师生上万人。

Claims (1)

1.一种基于3D仿真技术的电网真实结构完全模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）导入***地图数据：主要用于核对与电网电力设施相关的设备及建筑物与周围环境的位置关系、属性信息、相应地理空间数据以及准确的朝向；

2）3dsmax建模：在***地图投影基础上制作模型；

制作的模型包括：电网相关的电力设备和建筑物，还包括设备和建筑物四周环境存在的自然物和创造物；

其中，电力设备和建筑物包括：变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器、接地线、围栏、警示牌、铁路、道路和电力应用的房屋；

自然物包括：设备和建筑物四周存在的地理走向现状，交叉跨越、高大树木、山岭、丘陵、河流；

创造物包括：设备和建筑物四周存在的人造的各种建筑；

3）导出obj模型：导出实时引擎可以识别的模型格式；

4）打光、烘培纹理：在模型上渲染出一定光线条件下的纹理，并且调整UV坐标；

5）增加周围环境物体：主要指道路、花坛、空调等装饰物小模型，尽量采用可复制的模型减小场景复杂度；

6）导出场景文件：最终导出整个场景的结构文件，其中包括导出的obj模型以及各个模型的位置加载关系；

7）视图操作

①：计算骨骼动画的当前transform矩阵、顶点动画的当前数据，摄像机移动的当前位置动画相关数据；

②：计算粒子***当前的状态；

③：计算视角新的变换矩阵；

④：根据视角matrix4更新modelViewmatrix、projectionmatrix；

⑤：根据新的视锥体进行场景剔除，一般室外场景是八叉树裁剪、室内场景是二叉树裁剪；

⑥：更新每个node的orientation，position、scale等属性；

8）渲染场景

⑦：依次渲染renderQueue中的mesh，根据shader等来分组进行渲染、进而提高效率，GPU的特点是并行计算快，但是切换状态时很费时间；

⑧：为GPU绑定顶点数据；

⑨：设置vertixshader和pixelshader的参数；

⑩：执行shader程序。