（电力系统及其自动化专业论文）虚拟现实变电站仿真培训系统.pdf

a b s t r a c t n o w , v i r t u a lr e a l i t yi sa p p l i e dt ot h es t u d yo fs u b s t a t i o ns i m u l a t o rl i t t l eb yl i t t l e ， u n i t i n gt h ee x c e l l e n c eo fs o f t w a r es i m u l a t o ra n dp h y s i c a ls i m u l a t o r , i m p r o v i n gt h e t h i r dd i m e n s i o n ，a n dr e d u c i n gt h ec o s t 3 d m a xi su s e dt os e tu pt h es c e n em o d e l ，t h ei n t e r i o rl a n d s c a p em o d e l ，a n dt h e e l e c t r i c a ld e v i c em o d e lo ft r a n s f o r ms u b s t a t i o n a n dt h es c e n ed e v i c ep o o li sf o r m e d ， d e s i g n i n ge a c hm o d e ls t a n d a r d a tt h es a m et i m e ，t h em a t e r i a ls y s t e ma n dt h ep i c t u r e s y s t e mo f3 d m a xc a nm a k e t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e ll o o k sm o r er e a l d e p e n d i n go np i c t u r e b a k i n g ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li s r e d u c e da n dt h e p r o b l e mo fa n i m a t i o nw o b b l i n gi nv i r t u a ls u b s t a t i o ns i m u l a t o ri sr e s o l v e d e l e c t r i c a ld e v i c e si ns u b s t a t i o ns i m u l a t o ra r ea b s t r a c t e da n dt h ea n a l y s i sm e t h o d w h i c hi sb a s e do np h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n db e h a v i o r a l c h a r a c t e r i s t i ci sg e n e r a l i z e di n t h i sp a p e re l e c t r i c a la n db e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i ci s a l s od e s c r i b e db yt h em o d e lo fi n p u t - c o n t r o l - o u t p u t c o n s e q u e n t l y , u s i n gt h em o d u l e e n c a p s u l m i o na n dv i r t u a ls c r i p to ft h ev i r t u a lr e a l i t yd e v e l o p m e n tt o o l ，s o m ec l a s s i c v i r t u a le l e c t r i c a ld e v i c es c r i p t sa r ed e s i g n e d ， i no r d e rt oc o n s t r u c tv i r t u a lr e a l i t ys u b s t a t i o ns i m u l a t o rc o n v e n i e n t l y , as e p a r a t e s t r a t u mc o n t r o lm o d e li sa d o p t e d i nt h em o d e l ，t h es c e n ec o n t r o l st h eb u s ，t h eb u s c o n t r o l st h ed i s t r i b u t i o n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nc o n t r o l st h ed e v i c e ，m a k i n gt h ew r i t i n g o fe a c hs y s t e mm o d u l ea n dt h eo p e r a t i o no nt h em o d e lm o r ec o n v e n i e n t k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，s i m u l a t o r , v i r t u a ld e v i c e ，v i s u a l i z a t i o ns c r i p t , b e h a v i o r i n t e r a c t i o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 私瀑 签字只期：泗_ 7 年 狷午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 移深 签字日期：伽7 年2 - 月毕日 导师签名：么铜厶 签字日期：o 7 年。月髟同 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 第一章绪论 变电站是电力系统的重要组成部分，变电站的安全可靠运行对维持电力系 统的稳定运行具有十分重要的意义。高素质的变电站运行操作人员是变电站正常 稳定运行的重要保证，而高质量的变电站仿真培训器是这一保证得以实现的前 提。虚拟现实技术在变电站仿真培训系统中的应用，使得新的变电站仿真培训系 统克服了传统软件仿真的低真实感和低沉浸度的问题，同时还解决了物理仿真的 高成本、低移植性问题。 1 1 变电站仿真培训系统 电力系统是由发电厂、变电站、输电线、变压器、用户网络等联接起来的 有机整体。在运行和生产过程中，需要保证整个电网的电压水平和频率指标，要 求组成电网系统的各个部分协调工作，特别是变电站担负着调节电压品质、改变 系统运行方式等重要任务。同时由于电力网络的复杂性及受自然或人为因素的影 响较大，会发生各种各样的故障和事故，为保证系统在故障和事故情况下恢复正 常稳定运行，同时也为了向用户尽快恢复供电，要求应迅速地对故障和事故进行 处理。变电站是联系电力系统有机整体的重要环节，其运行和操作人员技术水平 的高低，直接或间接地影响了系统运行可靠性、安全性等指标的高低。所以，培 训和提高运行人员技术水平成为供电企业和培训中心的迫切要求。 电力系统运行人员的岗位操作技能是影响电力系统运行安全可靠性的重要 因素之一。电力系统的操作不允许随意进行，电力系统的事故又很少发生，不能 将运行的系统当做试验品，不能在真实设备上随意进行操作试验，更不允许人为 设置一些事故让学员观察并进行处理。这些都使运行人员难以在电力系统的正常 操作和事故处理中得到充分的训练。传统采用的方法是通过书本讲授，在图纸或 模拟板上练习操作和进行模拟演习，以培养运行人员的操作技能以及处理事故的 能力，虽都起了一定的作用，但因缺乏真实感，培训效果不佳。 早在1 9 6 8 年美国就开始使用数字计算机培训仿真培训系统培训电厂值班 员，7 0 年代初日本、法国等一些工业发达国家的电力部门已普遍采用发电厂的 培训仿真系统培训运行人员，并收到良好的效果。一些国家还规定已经参加运行 第一章绪论 工作的在岗人员，必须定期到培训中心接受一定时间的培训，以提高运行管理和 操作水平。从现有资料看，电力系统调度、火电厂典型气轮机、锅炉设备的人员 培训、原子能电站设备培训仿真系统应用较多，变电站的培训仿真系统也在逐步 推广。1 9 8 6 年华北电力学院首先引进美国燃气公司下属的s i m c o n 公司的第一 台燃煤电厂2 0 万千瓦机组培训仿真系统，主要是机、炉的培训仿真。随后北京 电力专科学校引进安装美国s i n g e r 公司l i n k 分公司3 0 万千瓦火电机组培训 仿真系统，完全是山东石横电厂主控室的再现。1 9 8 9 年华能国际电力开发公司 在大连电力学校建造一个电厂培训中心，是以大连海湾电厂一号机组为对象。清 华大学1 9 8 9 年为沈阳电力专科学校研制国内第一台2 0 万千瓦火电机组的培训仿 真系统，是哈尔滨第三发电厂2 0 万千瓦机组主控室的复制品。1 9 9 0 年天津大学 发电教研室首次为大庆供电公司研制的l1 5 3 7 6 3 k v 变电站的仿真培训系统，于 1 9 9 1 年投入使用。到目前，华北电力学院、山东电力设计院、天津大学等院校 都有比较成熟的技术。 变电站仿真培训系统作为电力系统重要的培训工具和手段，正在得到越来 越多的应用和发展。目前国内有各种类型的变电站仿真培训系统，按模式可分为： 盘台模式、软件模式、混合模式。 盘台模式是指用与现场相同的屏柜硬件组成培训系统的主控室，由计算机 支持这些硬件的操作和显示。软件模式是指全部采用软件仿真现场变电站的控制 和保护屏柜，培训人员面对的只是计算机屏幕，所有的操作和培训均在计算机上 完成。而混合模式则是以上两种模式的结合，即部分装置与实际相同，部分采用 软件实现。盘台模式真实度很高，但灵活性较低，占用空间大，成本高，并且每 次同时接受培训的人员极为有限，效率不高。软件模式利用不同的图形界面仿真 变电站内所有的开关屏柜及室内外部分主设备的运行状况，和实际的操作有一定 的差别，但是扩充性较好，特别对近年来投运的综合自动化变电站来说，其许多 控制信息和操作也都是通过监控系统在屏幕上实现的。软件模式的造价比较低， 组成灵活，能根据实际需要实现分布式或网络教室配置，同时接受多人培训。混 合模式是目前比较通用的仿真配置，它结合了硬模式和软模式的长处，部分简单 的监视和操作功能在屏幕上实现，同时保留了一部分就地操作，提高了真实程度。 目前加拿大等发达国家已根据其变电站情况开发了基于虚拟现实技术的变 电站仿真培训系统，但均不适用于我国国情。武汉大学研究的虚拟变电站仿真培 训系是针对江西赣东北供电公司的1 1 0 k v 东风变电站研制，该系统包括了变电站 虚拟开关场和虚拟主控室等部分。该系统模拟了继电保护、五防机和综合自动化 等各部分的功能，同时还实现了虚拟变电站的设备之间以及设备与“电力系统仿 真 模块之间的交互功能。南京理工大学开发的虚拟现实变电站仿真培训系统， 2 天津大学硕士学位论文 虚拟现实变电站仿真培训系统 是基于微机平台的变电站仿真系统虚拟环境，已经应用于南京供电公司“地区电 网三级联合仿真培训系统一、徐州供电公司“变电巡视仿真系统”、江苏省电力公 司生产技能培训中心“5 0 0 k v 变电站综合仿真系统等多个变电站仿真系统中。 该系统的变电站仿真虚拟环境采用o p e n s c e n e g r a p h 图形引擎和o p e n g lj 虱形标 准，在微机平台上实现了对变电站设备的三维仿真和典型事故模拟，具有高度的 真实感，并支持与电力调度仿真( d t s ) 、电网仿真的分布式协同仿真。武汉大 学电气工程学院利用v r m l 开发的虚拟现实变电站仿真培训系统较为直观形象， 培训人员操作简便，通过虚拟变电站与变电站仿真培训系统间的通信可实现虚拟 变电站与用户间的交互，从一定程度上满足了虚拟变电站实时仿真、实时动作的 要求【5 1 。 1 2 虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是近年来出现的高新技术。v r 是一项综 合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域， 它用计算机以及相关的辅助设备生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为 参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用【1 3 】。v r 主要有三 方面的含义：第一，借助计算机生成逼真的实体，“实体 是对于人的感觉( 视、 听、触、嗅) 而言的：第二，可以通过人的自然技能与环境交互，自然技能是指 人的头部转动、眼动、手势等动作：第三，虚拟现实往往要借助于一些三维设备 和传感设备来完成交互操作。 一个虚拟现实系统主要包含以下三个要素： ( 1 ) 环境：一个能产生三维世界的软硬件环境是虚拟现实系统的核心部件， 要求该环境能提供用户尽可能多的逼真的详细的信息； ( 2 ) 输入输出设备：一套能使用户与虚拟环境进行交互( 通过视觉、听觉、 触觉等) 的输入输出设备，输入输出设备是使用户与虚拟环境建立联系的关键； ( 3 ) 集成方法：将虚拟环境输入输出设备以及使用系统的人等有机连接成 一体是虚拟现实系统能最终运行的重要环节，这里不仅包括硬件的协配问题，也 包括软件与硬件的联调以及人机界面等技术内容。 从目前的应用来看，虚拟现实系统大体可分为三类： ( 1 ) 桌面虚拟现实系统：这种虚拟现实系统是利用个人计算机和低级图形 工作站进行仿真，计算机的屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，各种外设( 如 鼠标、跟踪球、力矩球等) 被用作操纵虚拟物体，控制虚拟环境。通常用户利用 价格低廉的立体眼睛、安装在屏幕上的立体显示器、液晶显示和光阀眼睛等观察 第一章绪论 景象，增加立体真实感，但它仅是一种成本低的、最初等的虚拟现实系统，用户 并未完全投入，仍可受环境干扰。 ( 2 ) 投入式虚拟现实系统：投入式虚拟现实系统使用户投入其虚拟环境中， 能主动地经历虚拟环境。投入式虚拟显示系统一般多采用头盔显示器并与其他输 入设备一起使用户完全投入虚拟世界中：还有一些像座舱式以及投影式虚拟现实 系统可勉强划为投入类，但并非完全投入：遥现( t e l e p r e s e n c e ) 也是一种投入式， 它通过遥控方式，在某地操纵的结果却在远处另一地发生。 ( 3 ) 增强现实性虚拟现实系统：这种系统可使用户对环境真实性感觉得到 加强，一般是通过使用透明头盔式显示器实现，将计算机图形与用户的实际所处 环境的图像叠加在一起，这种系统主要是根据军事航空需要产生的。 虚拟现实技术分为虚拟实景技术( 如实景漫游) 与虚拟虚景技术两大类( 如 模拟战场环境、模拟太空环境等) 。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广 泛，几乎无所不包。在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、 船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造，虚拟现实 建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等 等方面的应用和产业的形成都带有强烈的市场需求和技术驱动。虚拟现实技术必 将是2 1 世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和 生活方式，使人们享受于自己的工作中，而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化 艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在p c 机上实现 虚拟现实技术已成为可能。所以，目前虚拟现实系统的运行趋势为单机桌面和互 联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很 大的刺激作用。 虚拟现实技术包括三大特征： ( 1 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) ：指计算机操作人员将自身作为环境主体融入到虚 拟环境中【2 0 1 。传统的人机交互过程，主要依靠声音、二维图形、图象等手段，通 过人的听觉和视觉进行信息反馈，但不是十分真实的环境却让人有一种独立于人 机交互环境之外的感觉：而虚拟现实技术，则通过多维方式与计算机所创造的虚 拟环境进行交互，使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，将 人与环境融为一体，使操作人员产生身临其境的感觉。人与虚拟环境的多方位、 多模式的交互，使得人产生了一种处在真实客观世界的错觉，这时，在操作人员 的眼中虚拟环境就是真实环境。 ( 2 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) 指操作人员与虚拟环境中所遇到的各种虚拟对 象的相互作用的能力，它是人机信息沟通的关键性因素。交互性包括对象的可操 作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运 4 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 动的程度等。虚拟现实是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换。这个 过程中最重要的因素是实时性，实时性是指计算机能够响应用户的输入并立即改 变虚拟场景的状态p 引。 ( 3 ) 构想性( i m a g i n a t i o n ) ：通过虚拟现实，与定性和定量的综合集成环境 的结合，它引导人们去深化概念和萌发新意，抒发人们的创造力。所以虚拟现实 不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识， 提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统 会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。这是一个不断学习和反馈 的过程。因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。 图1 1 虚拟现实的基本特征 1 3 虚拟现实实现的关键技术 虚拟现实技术的实现，需要多学科的共同支持。因为虚拟现实的关键技术 和研究内容包括： ( 1 ) 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是 获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的 虚拟环境模型。三维数据的获取对有规则的环境可以采用c a d 技术，而更多的 情况则需采用非接触式的视觉建模技术，二者的有机结合可以有效地提高数据获 取的效率。 ( 2 ) 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何“实时生成一。为了达到实时 的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于1 5 帧秒，最好高于3 0 帧秒。在不 降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内 第一章绪论 容。 ( 3 ) 立体显示和传感器技术 虚拟现实的实现依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实设 备还不能满足系统的需要，例如头盔式三维立体显示器有以下缺点：过重、分辨 率低、刷新频率慢、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等：同样，数据手 套、数据衣等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点：因此有必要开发新的三 维显示技术。 ( 4 ) 应用系统开发工具 虚拟现实技术应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和 创造性。选择适当的应用对象可以大幅度地提高效率，减轻劳动强度，提高产品 质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。 ( 5 ) 系统集成技术 由于虚拟现实系统中包含大量的感知信息和模型，因此，系统的集成技术 起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据 管理模型、识别与合成等等技术。 1 4 本文主要工作 本课题利用3 d m a x 平台进行电气设备模型的构造，并利用v i r t o o l s 进行交 互式脚本的设计，使虚拟电气设备更加接近真实设备。 ( 1 ) 电气设备物理模型的构造 三维模型是整个虚拟现实的基础，一个逼真的三维模型场景能对使用者构 成强大的视觉冲击。目前，常用的三维模型开发平台包括：3 d m a x 、m a y a 、r h i n o 等。本课题采用了3 d m a x 6 0 进行电气设备模型构造以及场景模型构造，并使 用贴图烘焙技术来减少为表现光照效果所需要的c p u 计算时间；采用堆栈塌陷 功能，以减少开发模型时所需要的内存；利用粒子系统模拟发电效果以及天气效 果，增强虚拟环境的逼真度；采用层次建模方法，即先设计出模型的各种零部件， 然后进行整体装配，便于模型构造。 ( 2 ) 电气设备虚拟脚本开发 虚拟脚本是控制虚拟设备的灵魂，一个高效的虚拟脚本能极大的提高虚拟 场景的实时性。本课题采用法国公司的v i r t o o l s 虚拟现实开发平台。该平台通过 自带的行为交互模块能够很轻松的构造出各种虚拟脚本，从而控制虚拟角色完成 所期望的动作。并且它自带的虚拟脚本语言( v i r t o o l ss c r i p t i n gl a n g u a g e ，简称 v s l ) 能够满足自我编程的需要，从而实现更加强大的控制功能。 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 ( 3 ) 面向对象的虚拟电气设备互动模块设计 变电站中的电气设备数量众多，若对每个设备进行单独的模块设计，将是 十分繁杂的工程。有些电气设备虽然外观不同，但内在的电气特性相同，而有些 电气设备则外观相同，但电气特性有微小的差别。本课题把虚拟电气设备的特性 划分为物理特性、电气特性和行为特性，用3 d m a x 完成物理特性的开发，用 v i r t o o i s 完成电气特性和行为特性的开发，把电气特性和行为特性附加到适当的 物理模型上，从而形成各种各样的虚拟电气设备。 ( 4 ) 虚拟电气设备的连接与虚拟场景管理 把虚拟电气设备拖放到虚拟场景以后，只有对虚拟电气设备进行布置和连 接后，才能使各虚拟电气设备组合成一个完整的虚拟变电站场景。本课题采用了 场景管理母线，母线管理配电线路，配电线路管理设备的分层管理模型，极大地 方便了各系统级仿真模块的编写以及模型的管理与维护。 ( 5 ) 预留空间的设计以及新设备的添加 目前，绝大多数的变电站虚拟现实仿真系统都是固定的成套系统，用户不 能进行设备的更换或添加新线路，缺乏一定的灵活性。当变电站扩建或改换新设 备以后，以前的仿真系统往往难以胜任新的培训任务。本课题设计的虚拟电气设 备具有设备级仿真功能，且虚拟场景管理和系统级仿真实行分层机制。正是这些 原因，很容易通过新增一些线路、更换一些二次设备的方法来满足虚拟变电站扩 建和改造的需要。 第二章虚拟变电站仿真培训系统 第二章虚拟变电站仿真培训系统 虚拟现实培训系统是虚拟现实技术与仿真培训技术的结合。所谓虚拟培训 系统，是指利用虚拟现实技术生成的一类适于进行教育培训的虚拟环境，它可以 是某一现实世界培训基地或设施的真实实现，也可以是虚拟构想成的世界。受训 人员以虚拟环境为依托，沉浸于其中，进行学习和培训。 2 1 虚拟培训系统的特征 人们普遍认为，虚拟现实技术将使2 1 世纪的教育培训发生质的变化。虚拟 现实技术支持下的教育培训之所以会发生质的变化，是因为虚拟现实技术综合了 计算机图形、仿真、通讯、传感等技术，为人们建立起一种逼真的虚拟的交互式 三维空间环境，这种与现实世界极其相象的虚拟培训环境拥有现实培训环境无法 比拟的优势。与现实教育培训基地或设施相比，虚拟现实技术支持下的虚拟教育 培训环境有如下特征： ( 1 ) 仿真性 利用三维技术模拟出的工作环境，能够让操作者有种身临其境的感觉。强 大的音响效果、随视线变化的场景、丰富的天气情况、逼真的操作设备这些都能 够让虚拟环境变得非常逼真。在虚拟现实技术的支持下，虚拟培训设施与真正的 培训设备具有相同的操作方式，相同的音效和视觉效果，能让员工得到相同的培 训效果。在某些环境下，由于计算机能模拟出很多在真实世界中不存在的环境， 所以能让培训人员更加生动的体会到培训的全部过程。 ( 2 ) 开放性 真实的培训设备是具有严格的操作规程的。对于违反操作规程的行为是被 制止的。但是如果没有违反过操作规程，操作人员是无法体会到错误的操作会导 致什么样的后果。在虚拟的培训系统中，完全可以让操作人员感受到这种由于错 误操作而导致的后果，从而让操作人员认识到错误操作的危害性和严重性。 ( 3 ) 超时空性 现实的培训系统只有针对具体设备，具体环境对操作人员进行培训。而虚 拟现实培训系统则可以根据需要，开发出各种情况下的虚拟培训环境。它能够将 过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界、 8 天津大学硕士学位论文 虚拟现实变电站仿真培训系统 幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提 供给学员进行培训。比如漫游微观世界、太空行走、模拟乘坐宇宙飞船等等。 ( 4 ) 可操作性 虚拟培训系统有与之相配套的设备，如数据衣、数据手套、头盔式显示器、 力反馈操作杆等等。这些配套设备为操作人员提供了接近真实环境的操作方式。 譬如，学员能抓取虚拟环境中的物体，并让它随手的移动而移动等。可操作性是 虚拟培训环境实际运用的必备特性，它使学员得以在其中学习需要实际操作的培 训课程，也使远程教育培训可能真正实现。 ( 5 ) 对应性 学员的培训内容与虚拟环境是密切相对应的。例如，学员要学习飞行器驾 驶技术，那么虚拟环境就是飞行器飞行的模拟环境；而在进行解剖学实习时，虚 拟环境可以是虚拟医院。对应性将能为受训者设定各种复杂的情况，以提高受训 者的应变能力；能为运动员、保安人员、救火人员和外科医生设置超强难度、超 宽领域的训练课程，从而使得他们在实际环境下能得心应手地处理各种情况。另 外，虚拟现实技术能按每个学员的基础和能力，对应性地开展个别化的教育培训。 2 2 虚拟现实变电站仿真培训系统 在变电站培训中应用虚拟现实技术具有更加重要的意义。在电力行业中， 由于电是很危险的，每一个生产环节中都可能存在安全隐患，并且不是每一个生 产现场都可以让员工亲自接触的；同时电力设备是十分昂贵的，一旦发生事故， 损失将会十分惨重。而利用虚拟现实技术虚拟现实变电站仿真培训系统，不仅能 节省培训系统的硬件投资，降低危险，学员还可以真实地模仿他们所做的工作， 熟悉环境和设备，操作那些复杂且不能出错的设备。还能使那些环节联系更加密 切，使受训员工进入每个部分进行深入了解，往往会学到现实当中无法接触到的 东西。它所生成的视觉环境是三维的、音效是立体的、人机交互是和谐友好的。 因此，虚拟现实技术将为接受培训的员工创造出一种“真实 的学习和工作环境， 既增加了员工学习的兴趣与效率，也降低了新手操作的失误率。 虚拟变电站仿真培训系统应能模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况 及操作过程，如设备巡视、设备投运、调整变压器分接头以及断路器跳闸等。在 本课题设计的虚拟现实变电站仿真培训系统中，培训人员通过显示器观察到培训 场景，通过鼠标、键盘将操作信息传递给场景中的物理模型，物理模型所包含的 行为控制模块和电气控制模块得到控制信息，并将控制信息传递给信息控制模 块，并将输出结果传递给系统仿真模块，系统模块反馈回的信息又反向传递到信 第二章虚拟变电站仿真培训系统 息模块，并控制行为控制模块将用户的操作所导致的后果传递到场景中。 本课题将虚拟型变电站仿真系统分为三大模块： ( 1 ) “虚拟电气设备 模块。虚拟电气设备完成设备级的仿真，它包括物 理模型模块、行为控制模块、电气控制模块、信息控制模块。物理模型是指虚拟 场景中的电气设备模型，它用来表现虚拟现实培训仿真系统中虚拟电气设备的视 觉效果：行为控制模块是通过v i r t o o l s 开发平台设计的互动行为控制脚本，它用 来控制物理模型的行为视觉效果，主要包括控制虚拟电气设备可动作部件的移 动、旋转、爆炸等效果；电气控制模块是描述虚拟电气设备外特性的模块，利用 脚本封装的算法控制设备的电气外特性的变化，供系统级仿真使用；信息控制模 块主要是利用消息传递激活各互动行为模块，进行控制信息的传递与接收。信息 控制模块一方面处理来自人为干预和系统级仿真的信息，另一方面向行为控制模 块、电气控制模块和系统级仿真模块发送有关信息，是各模块间信息交互的桥梁。 ( 2 ) “虚拟变电站仿真 模块。它的主要任务是计算虚拟电气设备的外加 电压或流经的电流，是系统级仿真。虚拟变电站仿真模块是由一系列的脚本封装 而成，这些被封装的脚本都是通过v s l 虚拟脚本语言编制出来的算法模块。算 法模块接收来自设备参数阵列的数据信息，同时通过计算后输出计算结果到仿真 结果数据阵列中存储起来。系统级仿真的参数一方面来自虚拟电气设备，另一方 面来自虚拟变电站的结构和故障的人为假设。 ( 3 ) “数据库管理模块。无论设备级仿真还是系统级仿真，都需要对参 与仿真的数据加予管理。这方面的工作由数据库管理模块完成。数据库分为设备 级数据库、系统级数据库两大部分。对于设备级仿真和系统级仿真的共用数据， 采用关联的方法实现数据库间的通信。所有的数据信息都通过v i r t o o i s 中的阵列 工具保存和管理，通过阵列工具可以建立表格矩阵存储数据。可以通过v i r t o o l s 中提供的g e tc e l l 、s e tc e l l 、a d dr o w 、g e th i 曲e s t 等互动行为模块来获得阵列 中的数据信息，以及对阵列数据进行控制和管理。 图2 1 虚拟仿真系统结构图 1 0 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 2 3 虚拟现实变电站仿真培训系统的功能 该系统的功能主要有两个：知识学习和操作技能培训。 ( 1 ) 知识学习 变电站中的设备是多而繁杂的。对于即将上岗的初级培训学员来说，了解 断路器、变压器的常见类型，各种型号元件的组成部分以及工作原理是十分重要 的。掌握变电站中的安全常识和常出现的故障，操作规程的具体动作、方法等也 都同样具有十分重要的意义。通过该培训仿真系统，学员能迅速的了解并掌握这 些基本知识。在本系统中，主要通过设备的三维介绍、场景漫游以及简单的操作 来实现。 ( 2 ) 操作技能培训 该系统的另一个主要功能就是操作技能培训。操作技能培训主要针对的是 高级培训学员和技工维修人员，该功能的实现主要是利用了虚拟现实技术的人机 交互技术。对虚拟培训系统中的模型利用基于模型的建模技术构建，这样建立起 来的模型能够为人机交互提供条件。对系统中元件常出现的故障加以分类后，每 种故障都有专门的演示系统，然后培训学员可以借助于鼠标或者键盘进行维修操 作。操作的同时，也可以调用知识培训的内容来重新演示该种故障出现时的具体 “症状 ，这有利于加深学员的记忆，提高培训的效率。 第三章虚拟电气设备三维模型构造 第三章虚拟电气设备三维模型构造 虚拟现实变电站仿真培训系统中，电气设备的数目是异常庞大的，同时也 是与培训人员交互最多的三维模型。真实地表现虚拟电气设备，对提高培训人员 的沉浸度具有很高的实用价值。如何用三维模型来描述不同的虚拟电气设备，是 虚拟现实变电站仿真培训系统需要首先解决的问题。同时，虚拟现实变电站仿真 培训系统必须具有足够的实时性，才能使虚拟变电站仿真培训系统对培训人员的 互动作出实时的反应，不让培训人员产生一种脱离培训环境的感觉，这就需要精 简三维模型，提高虚拟现实系统的动画显示频率。虚拟电气设备三维模型的构造 与精简是构建虚拟变电站仿真培训系统需要解决的首要问题。 3 13 d m a x 开发平台与模型构造方法 目前，常用的建模理论与方法有表面拟合技术、基于u g 的三维建模理论、 v r m l 三维图形通用标准、以及照片建模技术等。基于这些建模技术己开发出 了大量优秀的建模工具软件，如3 d m a x 、a u t o c a d 、p h o t 0 3 d 、r h i n o 、m a y a 等。随着三维建模理论的日趋成熟，其应用领域也越来越广泛，如计算机辅助设 计、分析和制造( c a d c a f c a m ) 、虚拟现实、科学计算可视化等，它已经逐渐 渗透到各个学科方向，成为了各个学科图形图像处理研究和应用的热点。 视觉沉浸感是虚拟现实技术最重要的部分，也是虚拟现实变电站仿真培训 系统中很重要的一个功能。在虚拟变电站仿真培训系统中，具有若干的场景和电 气设备以及虚拟角色。小到一个电脑桌、控制屏上的按钮，大到控制室、变电站 所占场地的外部景观。所有这些虚拟模型和场景都需要开发。如何真实的用三维 模型再现实际场景和电气设备，同时不增加系统开销，满足动画显示频率的应用 要求是三维建模需要解决的问题。 虚拟现实场景的开发就是完成虚拟环境场景对象建模及实现三维立体图像 实时动态显示的过程。建模是根据实际应用的需要，利用已知实际环境的三维数 据建立相应的虚拟环境模型。在u n i x 操作系统图形工作站上已有许多成熟的三 维图形建模开发软件，如建模软件m u l t i g e n 、动画软件w a v e f r o n tia l i a s 、仿真 软件p e r f o r m e r 等。但昂贵的图形工作站以及软件工具大大阻碍了虚拟现实系统 的广泛应用。随着微机性能的提高，以及实现跨平台的o p e n g l 三维图形标准的 1 2 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 出现，基于个人计算机w i n d o w s 操作系统的动画、仿真软件也几乎能达到图形 工作站的效果。 o p e n g l 标准是s g i 公司和微软公司等联合创建的，是独立于操作系统、 开放式的三维图形标准。它提供了1 0 0 多个图形函数可以直接用于建模、变换、 光线处理、色彩处理等，还可以实现更高级的功能，如纹理映射、雾化、融合、 反走样等效果。o p e n g l 的推出让三维图形研制和开发人员可以摆脱昂贵的高级 图形工作站以及复杂的三维图形软件，在微机上即可实现复杂的三维图形应用， 进行c a d 设计、仿真模拟和三维游戏设计。许多原来基于u n i x 的图形工作站 软件都逐渐被移植到微机w i n d o w s 操作系统环境中，如s o f ti m a g e 、o p e n i n v e n t o r 等。同时，也有许多公司相继开发出w i n d o w s 操作系统下基于o p e n g l 的三维动画软件，如a u t o d e s k 公司开发的3 d s t u d i o m a x 、m i t r e 公司开发的开 放式可视化开发环境o v e n 等。o p e n g l 是一个程序界面，在产生图像的过程中 具有很高的可塑性，但同时应用程序必须通过详细指定所有操作指令及顺序才能 获得期望的结果。o p e n g l 提供了优秀的渲染机制，但由于o p e n g l 不是可视化 编程方式，在要构造复杂的模型对象时，需要程序员通过精确地计算、建模，然 后利用o p e n g l 一步一步实现，并且在编译运行后才能知道模型的效果。显然， 直接利用o p e n g l 进行场景编程，程序员需要花费大量的精力在建模上，这部分 的代码量远比实现其它如窗口、光照、控制、漫游等功能的代码量大，且需要花 费更多的时间才能达到良好的建模效果。目前，已经开发完成的虚拟现实仿真系 统大部分是利用o p e n g l 标准完成的，而开发周期过长却是其很大的弱点。 o p e ni n v e n t o r 是建立在o p e n g l 之上的面向对象建模工具集，最初是由 s i l i c o ng r a p h i c s 公司( s g i ) 开发的用于u n i x x l1 m o t i f 环境下编写三维图形应 用程序的g + + 类库。t e m p l a t eg r a p h i c ss o f t w a r e ( t g s ) 公司将它移植到了 m i c r o s o f tw i n d o w sn t 9 5 9 8 操作系统中。它定义了用于实现三维图形交互的平 台无关事件模型，提供了用于创建交互式三维图形应用程序的对象及方法库，可 以让程序员在应用程序中充分利用硬件图形卡的性能，并可通过使用、修改、或 扩充对象库来简化和抽象编写应用程序的任务。显然，o p e ni n v e n t o r 可用于实现 三维图形动态显示。为了充分运用w i n d o w s 操作系统的m f c 编程特色，w i n 3 2 环境下的o p e ni n v e n t o r 还提供了相似的机制i v f 类库和i v fa p p w i z a r d 。 i v f 类库在m f c 类库的基础上集成了s ow i na p i ，提供了交互式窗口、对象操 作子和属性编辑器等三维图形相关服务。i v fa p p w i z a r d 将m f ca p p w i z a r d 扩展 为可创建自动提供三维图形特性的应用程序框架。与o p e n g l 相似，o p e ni n v e n t o r 也无法实现所见即所得的建模方式，也需要开发者花费大量的时间在复杂模型的 建立上。但o p e ni n v e n t o r 还提供了文件交互的功能，可以从数据文件中读取场 第三章虚拟电气设备三维模型构造 景对象模型。o p e ni n v e n t o r 文件主要用于在外存储器上保存场景数据库，其格式 是s g i 的标准三维数据文件格式，支持a s c i i 码和二进制数据两种方式。o p e n i n v e n t o r 二进制格式文件是与机器无关的，可以突破机器类型限制通过网络进行 传输。若能通过高级建模软件创建电力系统场景对象模型，并保存为o p e n i n v e n t o r 兼容格式的数据文件，将大大减少场景对象建模的工作量。 v r m l9 7 是因特网上传输三维场景模型的i s o 标准格式，许多建模和动画 软件都提供y v r m l 转换的功制】。v r m l 最初的版本是f l j o p e ni n v e n t o r j 历景文 件格式发展而来，而o p e nl n v e n t o r 通过扩展后仍然保持对v r m l 新版本的支持。 在o p e ni n v e n t o r 工具包中，v r m l2 0 节点和o p e ni n v e n t o r 节点被视为相同的节 点，它们有相同的属性以及创建和操作方法。但o p e ni n v e n t o r 的i v 文件格式和 v r m l 标准的文件格式仍然有一定差别。3 ds t u d i om a x 是a u t o d e s k 公司在开发 出的基于微机w i n d o w sn t 9 5 9 8 环境o p e n g l 标准的动画制作软件，它能将场景 模型存储成多种文件格式，其中有v r m l9 7 标准格式。3 ds t u d i om a x 是优秀的 动画设计软件，也完全可以胜任复杂的建模任务。它提供了可视化建模方式，做 到所见所得。 1 1 0 k v 变电站中的电气设备总数就超过2 0 0 个，再加上若干室内物体模型， 室外场景模型，模型总数是一个异常庞大的数目。在较短的开发周期内，能迅速 的开发出满足要求的三维模型是构建虚拟现实变电站仿真培训系统所需要解决 的问题。而a u t o d e s t 公司的3 d m a x 则正好为三维模型的开发提供了一条捷径， 可以大大的加快三维模型的开发，通过利用它所自带的渲染引擎和贴图烘焙技术 能够建造出逼真而精简的模型，同时利用3 d m a x 自带的内存堆栈塌陷技术，能 够极大地节约开发资源。本课题采用3 d m a x 进行虚拟现实变电站仿真培训系统 的虚拟场景和虚拟电气设备三维模型的开发设计。 建模是开发虚拟现实系统的第一步，它决定计算机将用何种方式来表现虚 拟系统所需要表现的物体。无论是变电站场景，还是虚拟电气设备都可以通过各 种建模方式来实现建模。3 d m a x 包括许多不同建模方式： ( 1 ) 基本造型建模：诸如立方体、球体和锥体的基本参数化形状【4 】。通过 基本建模型方式及其组合，可以建立虚拟现实变电站系统中的一些基本规则物 体，如控制屏按钮、控制室窗户、控制室的电脑桌、变电站周围的围墙、地板等 等。 ( 2 ) 形状和样条曲线建模：样条曲线是一种根据数学法则弯曲的特殊类型 的线条。诸如圆形、星形、弧形和文字之类的简单矢量形状，还有诸如h e l i x ( 螺 旋线) 的样条曲线。通过挤压( e x t r u d e ) 或旋转样条曲线来创建更高级的三维 对象。在虚拟变电站仿真系统中，断路器底座、主控大楼、各种导线都可以利用 1 4 天津大学硕士学位论文虚拟现实变电站仿真培训系统 样条曲线挤压来实现。 ( 3 ) 网格建模：网格是最流行的建模类型之一，并且也是大多数三维程序 默认的建模类型。将多边形面一个接一个地放置，使其边缘相接，形成网格。然 后，在渲染过程中，多边形可以从一个面平滑过度到另一个面。使用网格，可以 创建几乎所有的三维物体。同时，样条曲线可以转换为可编辑网格，无论是开放 的曲线还是闭合曲线。在本课题中所涉及到的三维模型中，大部分也是通过网格 建模方式完成的。例如，电脑显示器模型，机箱模型，都可以通过对基本模型网 格化后休整得到。 ( 4 ) 多边形建模：由多边形面构成的对象，类似具有独特特性的网格对象。 ( 5 ) 面片建模：面片建模是m a x 特有的建模方式，通过面片的拼接创建 模型。面片的内部是有b e z i e r 技术控制的。面片模型的最大好处就是很容易地模 拟光滑表面。面片可定义为三角形面片和四角形面片。在角落或者面片结构需要 表现尖端的时候选择合适的三角形面片，其他情况一般使用四角形面片。在建立 较为复杂的模型时，通常采用面片建模法。如变压器的建模，就是通过面片建模 来实现的。通过控制各控制点的位置来修正变压器模型的外观。需要注意是：在 满足视觉效果的情况下，应尽量减