（计算机系统结构专业论文）通用变电站仿真培训系统的构建平台.pdf

摘要 摘要 变电站运行人员的个人技能是影响电力系统安全可靠运行的重要因素之一， 而良好的培训则能够显著的提高操作人员的技术能力。 仿真培训是目前国内外电力系统的主流培训手段。经过对各类型变电站仿真 培训系统的调查研究，我们分析、总结了这些仿真系统的优缺点，并在此基础上 进行创新设计。同时，我们结合了软件工程思想，按照需求分析、可行性分析、 体系结构设计、模块设计、详细设计、测试与维护等步骤，开发出了这套通用变 电站仿真培训系统的构建平台。 通用性较差、真实感不足，是当前的仿真培训系统普遍存在的两方面问题， 也正是我们的平台的最大需求。 为了实现通用性，我们设计了以数据库为中心的模块化结构。除了提供设备 信息、操作关系、事故现象等编辑模块之外，我们还设计了主接线图的初始化模 块。通过该模块，我们可以清晰的表示变电站的电压电流变化，设置变电站的状 态，从而提供不同的培训内容；在此基础上，我们又对操作规则制定模块和事故 判断机制进行了全新设计，显著提高了规则系统的可扩展性和易用性。 另一方面，我们引进虚拟现实技术，使用3 d sm a x 软件构建变电站电气设 备模型，利用o p e n g l 技术创建出逼真的、可交互的三维虚拟培训场景，加强了 真实感。 关键字：仿真系统；软件工程；构建平台 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ep e r s o n a la b i l i t yo fs u b s t a t i o no p e r a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n dt h a ta b i l i t yc a nb e e n h a n c e dq u i c k l yb yp r o p e rt r a i n i n g s i m u l a t i o nt r a i n i n gi st h el e a d i n gw a yo ft r a i n i n gi na l le l e c t r i cp o w e rs y s t e ma t p r e s e n t a f t e rr e s e a r c h i n g s e v e r a lk i n d so fs i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e m s f o r s u b s t a t i o n s ，w ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n d w ei n n o v a t e do u ro w nd e s i g nb a s i n go nt h er e s u l to fr e s e a r c h a tt h es a m et i m e ， w e t o o kt h i n k i n gi ns o f t w a r ee n g i n e e r i n ga st h ep r i n c i p l eo fd e s i g n w ed e v e l o p e dt h i s p l a t f o r mf o rc o n s t r u c t i n gu n i v e r s a ls i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mf o rs u b s t a t i o n ss t e pb y s t e p ，i n c l u d i n gr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，f e a s i b i l i t ya n a l y s i s ， a r c h i t e c t u r ed e s i g n ， m o d u l ed e s i g n ， c o d i n g ，t e s t ， m a i n t e n a n c e ,a n ds oo n g e n e r a l i t ya n dr e a l i t y ， w h i c ha r en o ts a t i s f y i n gi nm o s to fs i m u l a t i o nt r a i n i n g s y s t e m s ， a r ej u s tt h em o s ti m p o r t a n tr e q u i r e m e n t si no u rp l a t f o r m t or e a l i z et h eg e n e r a l i t y ，w et o o kd a t a b a s ea st h ec e n t r a lp a r to fs o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dd e s i g n e df u n c t i o n a lm o d u l e sa r o u n di t b e s i d e ss u p p l y i n gt h e m o d u l e sf o re d i t i n gi n f o r m a t i o no fe q u i p m e n t ， r e l a t i o n s h i po fo p e r a t i o n sa n d p h e n o m e n o no f a c c i d e n t s ， w ea l s od e s i g n e da ni n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ， b yw h i c hw e c a np r e s e n tt h ev a r i e t yo fv o l t a g ea n dc u r r e n tc l e a r l yo nm a i nw i r i n gd i a g r a ma n ds e t t h es t a t u so fs u b s t a t i o n s ， c o n s e q u e n t l yw ec a ng e tv a r i o u st r a i n i n gc o n d i t i o n s m e a n w h i l e ，w em a d eab r a n dn e wd e s i g no nc o n s t i t u t i n go p e r a t i o nr u l e sa n d a c c i d e n tj u d g m e n tb a s i n go nt h a ti n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ， s ot h a to p e r a t i o nr u l e s s y s t e mb e c a m em o r ee x p a n s i b l ea n de a s i e r t ou s e o nt h eo t h e rh a n d ，w ei n t r o d u c e dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt ob u i l ds i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t w eu s e d3 d sm a xs o f t w a r et od r a wm o d e l so fs u b s t a t i o ne q u i p m e n t ， a n dc o n s t r u c t e dav i v i di n t e r a c t i v et h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lw o r l dw i t ho p e n g l s o t h er e a l i t yi sg r e a t l ye n h a n c e d k e yw o r d s ：s i m u l a t i o ns y s t e m ；s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ；c o n s t r u c t i o np l a t f o r m ； i i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：茗对，哉 坩 年6 月1 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密p 彳。 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名： 毒辞度 日期：加j 年占月 2 ，e t 导师签名：下跹日期：h 占年6 月- 日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 电力系统在当今社会的经济和日常生活中起着举足轻重的作用，一次电力事 故所引起的损失是无法估量的。变电站是供电系统的重要组成部分，是联系发电 厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。因此，变电站的安全可靠运 行对维持电力系统的稳定运行和保证供电的可靠性具有十分重要的意义【i j 。而变 电站的日常运行，最终还是需要人工的参与和决策，因此，运行人员的岗位技能 也就成为影响变电站安全运行的重要因素。据美国联邦能源局统计，电力系统的 安全运行中，7 0 0 旷8 0 依赖于运行人员【2 】。运行人员的操作失误，会造成重大事 故，直接危及变电站和电力系统的安全。因此，运行人员必须具备一定的技术水 平和操作经验，不但要在正常状态下准确无误地完成各种操作任务，而且在各种 非正常状态下能够及时作出反应，进行相应的处理。 培训是提高操作人员技术能力的重要手段。由于电力系统的电力设备必须二 十四小时处于运行状态以维持整个系统的正常运行，所以对运行人员进行培训 时，即使是合法的电气设备操作培训，也绝不能随意地在实际运行的设备上操作， 而那些会引起电力事故的操作更是绝对禁止的。另一方面，由于电力事故影响大， 损失重，电力系统运行时也是极力避免事故的发生，因此培训时绝不允许故意制 造事故来让运行人员进行观察和处理，所以运行人员极少有实际应对事故的经 验。而一旦事故发生，又要求运行人员要迅速有效地采取措施，隔离事故、降低 事故损失和事故影响等，这些都是对运行人员进行培训所面临的问题。而传统的 培训方法是书本讲授，在图纸和模拟板上练习操作和进行模拟演习，这对培养运 行人员的操作技能和事故处理能力，虽然起到了一定的作用，但是因为缺乏真实 感，所以培训效果有刚引。因此，电力系统引入了仿真培训系统来对运行人员进 行培训。 变电站仿真培训系统就是根据实际变电站的状况，运用必要的仿真技术，构 建一个虚拟运行的变电站作为培训环境，培训人员在这个环境中进行相关的运行 操作，系统根据实际变电站的操作规则和运行原理，将模拟的操作结果返回给培 通用变电站仿真培训系统的构建- 甲台 训人员，以达到培训的目的【4 】。由于仿真系统只是一个虚拟的环境，不会产生真 正的影响，所以这种方法既方便于运行人员练习正确的操作，也可以演示电力系 统出事故时的现象，甚至人为地制造事故来对让培训人员观察学习。培训人员在 仿真培训系统中进行操作时，可以直接直观地体验自己的操作的结果或操作引发 的事故现象，真实感大大增强。培训人员还可以根据当前事故现象，学习该采取 什么样的措施，以提高对事故的处理能力。因此，仿真培训系统的培训效果要大 大高于传统的培训方法。 目前，国内外已经开发出许多的仿真培训系统，按仿真培训系统的组成模式 来看，主要分为带盘台模式( 硬模式) 和纯软件模式( 软模式) 【3 】。 带盘台模式是指用与实际变电站1 ：1 的开关控制屏和保护屏组成变电站仿 真培训系统的控制室和保护室，并由后台计算机支持这些控制屏和保护屏的显 示。整个环境由真实硬件组成，因此真实感很高，但是灵活性低，占用空间大， 成本高，效率低，维护和扩展不容易。 纯软件模式是指全部的变电站设备都采用软件来模拟显示，培训人员面对的 只有计算机屏幕，所有的操作都在计算机上完成。该模式只需要一台计算机，而 且所有变电站设备都是由软件实现，因此它成本低，灵活性高，效率高，维护和 扩展简单，但它和实际变电站操作有一定的差别，真实感远不如带盘台模式。 因此，研发一种兼具两种模式的优点，既有真实感，又有灵活性的变电站仿 真培训系统，具有很好的应用前景。随着现代计算机处理能力的不断强大，图像 处理技术以及虚拟现实技术的飞速发展，纯软件模拟的效果越来越逼真。不仅是 整个环境，还包括在虚拟场景中的漫游和操作，整个工作流程以及操作后所造成 的现象，都得到模拟。纯软件仿真已经成为仿真培训系统的必然趋势。不过，目 前开发的变电站仿真培训系统大都是针对某一特定变电站开发的，如果改变了变 电站的电气设备配置，或者用于另一个变电站，就必须重新更改程序，这也相对 的限制了纯软件模式的灵活性和开发成本低的优势。因此，开发兼具通用性的仿 真培训系统，更具有现实意义和经济效益。 1 2 变电站仿真培训系统的系统仿真学理论 系统仿真是以人为中心，通过对客观世界的认识，抽取事物相关属性的信息， 并映射于适当的信息空间，建立相似于事物原型属性的描述，即模型，用模型来 2 第一章绪论 替代事物原型进行实验研究的技术。组成仿真系统的三大要素是原形模型、模型 和实验【5 1 。在变电站仿真培训系统中，被仿真的实际变电站是原形模型，构建的 仿真环境即是模型，而通过仿真培训系统对运行人员进行培训就是三要素中的实 验环节。变电站仿真培训系统的系统仿真学结构如图l 一1 所示。 图1 - 1 变电站仿真培训系统的系统仿真学结构 仿真方法学的研究课题是：研究者利用事物的模型，根据被仿真的实际环境， 创建相应的实验环境，以及在此环境中间接研究事物的操作方式，使得研究者在 “人一模型 交互过程中，去感受、了解或者控制事物变化的机理和规律。而要 有效地实现此目的，仿真方法学强调以更自然的方式建立“人一模型”间和谐地 交互信息的实验技术【5 】。映射到变电站仿真培训系统中，即是变电站罩的培训人 员通过对虚拟的仿真环境中的电气设备进行操作和练习，以了解实际操作的规则 和获得实际操作的感性认识。而所研发的变电站仿真培训系统，应当利用仿真方 法学中先进的仿真技术，综合计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信 息处理、专家系统等多个技术领域的知识，以达到“人一模型”间和谐地交互信 息的目标，提高培训系统的性能。 变电站仿真培训系统是一种培训性仿真，其最主要的目的是培训，而所运用 的仿真技术是为这个目的服务的手段。因此，在模型构建上，强调的是模型仿真 过程和结果的逼真性，要求保证尽量逼近实时响应，相比之下模型的精度倒在其 浏。而在仿真方法上，构造的仿真环境应该遵循以人为中心的系统仿真原则， 最大限度的给培训人员以深刻生动的感受，以获得更好的培训效果。 1 3 国内外电力系统仿真培训的发展综述 国内外电力系统的培训仿真系统从7 0 年代开始发展，开始主要集中在火电 厂机组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。国外7 0 年代就出现了实用 3 通用变电站仿真培训系统的构建平台 的火电仿真系统( 1 9 7 1 年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培 训仿真机) ，电网仿真系统( 1 9 7 7 年美国c d c 公司开发出第一套d t s 装置) 和 变电站的仿真系统( 7 0 年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统) 。我国于 1 9 8 2 年研制成功了第一套火电仿真机组，期间电网调度仿真机和变电站仿真机 也在开发，并从8 0 年代末期开始陆续建立了电网和变电站的仿真培训系统，1 9 9 0 年研制出了第一台d t 卜东北电网仿真系统，到1 9 9 9 年，大多数的网调、省 调都使用了电网调度仿真器材【l 】。 在我国，电力系统首先在火电厂和核电厂开展了仿真培训系统的研究和试 验，取得很好的效果，现在核电厂和火电厂配备仿真培训系统的必要性已经被国 内外所公认，我国电力领导部门规定核电厂和3 0 0 m w 以上的火电机组，都必须 配备仿真培训系统。接着兴起电网调度培训仿真系统，省网调度中配备培训仿真 的也同益增多。而变电站由于数目众多，而且早期的变电站容量不大、自动化水 平较低，其运行操作要求也不高，因此，仿真培训系统在变电站中的应用比较少。 随着电力系统的发展，高电压、大容量的变电站相继投入运行，在电力系统中占 有重要的地位。同时先进的自动化技术的应用，对变电站的运行人员的素质提出 了更高的要求。因此变电站仿真培训也逐步发展起来。国内有关科研单位和高等 院校与运行单位相结合，开始开发相应的变电站运行人员仿真培训系统。从9 0 年代中期开始，一批1 1 0 k v t 6 1 、2 2 0k v t 7 1 、5 0 0 k v t 8 】的变电站仿真培训系统相继 建成，并取得了良好的效果。 最初研制的变电站仿真培训系统沿用电厂仿真的模式，带硬件盘台，所用的 计算机也采用工作站，投资很大。随着计算机硬件、计算机技术、网络技术和多 媒体技术的飞速发展，后来逐渐采用p c 机代替工作站，还出现了纯软件仿真的 模式【3 1 。下面是带盘台模式和纯软件模式在视觉效果、成本、效率等方面上的具 体对比。 表1 - 1 两种模式特性比较 对比项目带盘台模式纯软件模式 视觉直观、操采用与实际变电站1 ：1 的硬件， 对设备操作都是通过鼠标进行， 作逼真的效给培训人员带来的真实感是纯而且需要切换画面，与实际操作 4 第一章绪论 果软件模式无法比拟的有些差别，需要培训人员适应一 段时间。 硬件投资很高，尤其是一次性投只需要有计算机及其网络配件， 造价资高，一般为纯软件模式的几倍造价低。可根据资金情况分期投 至几十倍。资。 硬件接线复杂、设备和零配件众 计算机和网络的维护比较简单， 可维护性多，运行维护需要投入的人力和 只需兼职人员即可。 资金较大 可按用户要求，修改软件，方便 电网自动化的快速发展，要求仿 的进行系统扩充，既能仿真培训 真培训系统能跟上实际需要，由 传统的变电站运行人员，又能仿 仿真传统变电站到仿真综合自 可扩充性、适真培训新型变电站运行人员。由 动化站、仿真成套微机保护，都 应性于计算机技术发展迅速，可以应 要修改和扩充仿真系统，由于硬 用先进的多媒体功能仿真出逼 件的修改很困难，这就限制了系 真的控制屏、保护屏及室外设 统的发展和维护。 备。 能l 一时回同多个学员，进仃小同 培训效率只能同时有一名学员操作。任务的培训，极大的提高培训效 率。 由表1 1 的对比可以看出，除了真实感以外，纯软件模式在其他方面都要优 秀于带盘台的硬件模式，因此，随着计算机技术、多媒体技术等各方面的发展， 变电站仿真培训逐渐偏向纯软件模式，但仿真效果和人机界面都比较不尽如人 意。而虚拟现实技术的出现，恰好弥补了这方面的不足，逼真的人机界面大大提 升了纯软件模式的培训效果。虚拟现实技术自8 0 年代末走出实验室，一开始进 入实用化阶段，就向人们展示了诱人的前景，成为了国内外科技界关注的热点。 9 0 年代开始美国就率先将虚拟现实技术应用于军事领域，随着虚拟现实技术的 迅速发展，医学领域、建筑领域、航空领域等【9 】【1 0 】，都开始广泛应用这种高新技 术，并取得了显著的综合效益。在电力系统的仿真培训方面，该技术也充分显示 了其优越性，得到越来越多的应用，开发出了许多基于虚拟现实的仿真培训系统。 5 通用变电站仿真培训系统的构建、f 台 如文献的变电站一次设备巡视仿真系统。文献【1 2 1 中基于微机的变电站巡视仿 真系统。文献【1 3 1 采用v i s u a lc + + 的m f c 和o p e ni n v e n t o r 开发的s r v ( v i r t u a l r e a l i t ys y s t e m ) 变电站教学培训系统。结合了虚拟现实技术的变电站仿真培训系 统，大大提高了真实感，使其优势更加明显，因此，纯软件仿真模式逐渐成为了 当前变电站仿真培训系统的主流。 1 4 本文所做的工作 经过对各类型变电站仿真培训系统的调查研究，我们发现这些系统普遍存在 以下两个方面的不足： 1 、通用性较差，不易于扩展和维护。如果变电站的设备需要增减或移动， 则需要更改程序的源代码。并且，像操作规则等抽象逻辑，不仅无法实 现通用，甚至无法正确、完整的表达。 2 、培训界面粗糙，真实感不足，有些甚至仍停留在二维窗口模式。 针对上述两点，我们结合了软件工程思想，按照需求分析、可行性分析、体 系结构设计、模块设计、详细设计、测试与维护等步骤，开发出了这套通用变电 站仿真培训系统的构建平台。 一方面，该平台以实际变电站的设备场景、操作逻辑关系为基础，设计了以 数据库为中心的模块化结构。我们提供了设备信息、操作关系、事故现象等编辑 模块，这样我们可以针对不同变电站，方便灵活的编辑仿真场景所需要的各种信 息和基本逻辑。此外，我们还设计了主接线图的初始化模块。通过该模块，我们 可以清晰的表示变电站的电压电流变化，设置变电站的状态，从而提供不同的培 训内容；在此基础上，我们又对操作规则制定模块和事故判断机制进行了全新设 计，显著提高了规则系统的可扩展性和易用性。 另一方面，该平台引进了虚拟现实技术，使用3 d sm a x 软件构建变电站电 气设备模型，并利用o p e n g l 技术创建逼真的、可交互的三维虚拟培训场景，使 得培训人员在接受培训的时候，如同置身于真实环境之中，从而获得较好的培i ) l | 效果。 应用该平台构建出来的仿真培训系统属于纯软件模式的系统仿真，具有纯软 件模式的灵活性等优点，同时又采用了虚拟现实技术以加强真实感，弥补了纯软 件模式的不足；同时整个仿真系统是由用户通过编辑平台构建出来的，保证了通 6 第一章绪论 用性，也方便了系统的维护，降低了开发成本，具有较好的实用价值。 1 5 本文的组织结构 本文总共分七个章节对整个平台的研究开发进行介绍。 第一章绪论，简单介绍了本文课题的选题背景、意义及当前的研究状况，介 绍了课题的创新点。 第二章介绍了软件的设计思想和开发工具。包括软件工程思想、虚拟现实技 术、面向对象的设计方法等。 第三章开始，结合软件工程思想进行系统设计。重点是体系结构设计、模块 设计等。 第四章展示了主接线图初始化模块的设计思路，及各个子模块的具体功能和 流程。 第五章具体介绍了操作规则制定模块及其相应的事故判断机制。规则的制定 分成通用规则和线路规则两种，而用户可选择的事故判断机制则有三种。 第六章详细论述了变电站仿真场景的构建，包括所采用的技术、工具、优化 方案等，并展示了运行情况。 第七章总结本文的主要工作，指出不足之处，并提出下一步工作的设想。 7 第二章设计思想和开发工具 2 1 软件工程思想 第二章设计思想和开发工具 本文所介绍的通用变电站仿真培训系统的构建平台，它不是一个单纯的系 统，而是一个用于构建系统的平台。它涉及到许多方面的具体应用，它能够分割 成许多相对独立的模块，而模块间又必然存在着一定程度的耦合。为了更好的设 计这样一种相对复杂的系统，我们引入了软件工程思想。 软件工程是研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去 开发和维护软件，以及如何把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得 到的最好的技术方法结合起来。 2 1 1 软件工程的原则 软件工程必须遵循以下四条基本原n - 1 、选取适宜的开发模型 该原则与系统设计有关。在系统设计中，软件需求、硬件需求以及其它 因素间是相互制约和影响的，经常需要权衡。因此，必须认识需求定义的易 变性，采用适当的开发模型，保证软件产品满足用户的要求。 2 、采用合适的设计方法 在软件设计中，通常需要考虑软件的模块化、抽象与信息隐蔽、局部化、 一致性以及适应性等特征。合适的设计方法有助于这些特征的实现，以达到 软件工程的目标。 3 、提供高质量的工程支撑 工欲善其事，必先利其器。在软件工程中，软件工具与环境对软件过程 的支持颇为重要。软件工程项目的质量与开销直接取决于对软件工程所提供 的支撑质量和效用。 4 、重视软件工程的管理 软件工程的管理直接影响可用资源的有效利用，生产满足目标的软件产 品以及提高软件组织的生产能力等问题。因此，仅当软件过程予以有效管理 时，才能实现有效的软件工程。 9 通用变电站仿真培训系统的构建甲台 2 1 2 软件工程的主要环节 软件工程强调使用生存周期方法学和各种结构分析及结构设计技术。人类解 决复杂问题时普遍采用的一个策略就是“各个击破”，也就是对问题进行分解然 后再分别解决各个子问题的策略。软件工程采用的生存周期方法学就是从时间角 度对软件开发和维护的复杂问题进行分解，把软件生存的漫长周期依次划分为若 干个阶段，每个阶段有相对独立的任务，在完成每个阶段的任务时，应该采用适 合该阶段任务特点的系统化的技术方法结构分析或结构设计技术。 在划分软件生存周期的阶段时应该遵循的一条基本原则就是使各阶段的任 务彼此间尽可能相对独立，同一阶段各项任务的性质尽可能相同，从而降低每个 阶段任务的复杂程度，简化不同阶段之间的联系，有利于软件开发工程的组织管 理。 由上述原则，软件工程可划分成以下几个环节： ( 一) 问题定义 问题定义阶段必须回答的关键问题：“要解决的问题是什么? 通过问题 定义阶段的工作，系统分析员应该提出关于问题性质、工程目标和规模的书 面报告。 ( 二) 可行性研究 这个阶段要回答的关键问题：“对于上一个阶段所确定的问题有行得通的 解决办法吗? 为了回答这个问题，系统分析员需要进行一次大大压缩和简 化了的系统分析和设计的过程，也就是在较抽象的高层次上进行的分析和设 计的过程。可行性研究应该比较简短，这个阶段的任务不是具体解决问题， 而是研究问题的范围，探索这个问题是否值得去解，是否有可行的解决办法。 可行性研究的结果是使用部门负责人做出是否继续进行这项工程的决定 的重要依据。 ( 三) 需求分析 这个阶段的任务仍然不是具体地解决问题，而是准确地确定“为了解决这 个问题，目标系统必须做什么”，主要是确定目标系统必须具备哪些功能。 用户了解他们所面对的问题，知道必须做什么，但是通常不能完整准确 地表达出他们的要求，更不知道怎样利用计算机解决他们的问题；软件开发 1 0 第一二章设计思想和开发t 具 人员知道怎样使用软件实现人们的要求，但是对特定用户的具体要求并不完 全清楚。因此系统分析员在需求分析阶段必须和用户密切配合，充分交流信 息，以得出经过用户确认的系统逻辑模型。通常用数据流图、数据字典和简 要的算法描述表示系统的逻辑模型。 在需求分析阶段确定的系统逻辑模型是以后设计和实现目标系统的基 础，因此必须准确完整地体现用户的要求。 ( 四) 总体设计 这个阶段必须回答的关键问题是：“概括地说，应该如何解决这个问题? ” 首先，应该考虑几种可能的解决方案。例如，目标系统的一些主要功能 是用计算机自动完成还是用人工完成；如果使用计算机，那么是使用批处理 方式还是人机交互方式；信息存储使用传统的文件系统还是数据库 系统分析员应该使用系统流程图或其他工具描述每种可能的系统方案， 估计每种方案的成本和效益，还应该在充分权衡各种方案的利弊的基础上， 推荐一个最佳方案，并且制定实现所推荐的方案的详细计划。 上面的工作确定了解决问题的策略以及目标系统需要哪些程序，但是， 怎样设计这些程序呢? 结构设计的一条基本原理就是程序应该模块化，也就 是一个大程序应该由许多规模适中的模块按合理的层次结构组织而成。总体 设计阶段的第二项主要任务就是设计软件的结构，也就是确定程序由哪些模 块组成以及模块问的关系。通常用层次图或结构图描绘软件的结构。 ( 五) 详细设计 总体设计阶段以比较抽象概括的方式提出了解决问题的办法。详细设计 阶段的任务就是把解法具体化，也就是回答下面这个关键问题：“应该怎样 具体地实现这个系统呢? ” 这个阶段的任务还不是编写程序，而是设计出程序的详细规格说明。这 种规格说明的作用很类似于其他工程领域中工程师经常使用的工程蓝图，它 们应该包含必要的细节，程序员可以根据它们写出实际的程序代码。 ( 六) 编码和单元测试 这个阶段的关键任务是写出正确的容易理解、容易维护的程序模块。 程序员应该根据目标系统的性质和实际环境，选取一种适当的程序设计 语言，把说细设计的结果翻译成用选定的语言书写的程序，并且仔细测试编 通用变电站仿真培训系统的构建平台 写出的每一个模块。 单元测试，是针对软件设计的最小单位程序模块，进行j 下确性检验 的测试工作。它集中对用源代码实现的每一个程序单元进行测试，其目的在 于发现各模块内部可能存在的各种差错，检查各个程序模块是否正确地实现 了规定的功能。该项测试与代码的编写是同步的，每完成一个功能函数或功 能模块，就进行一遍单元测试。主要采用白盒测试的测试用例，辅之以黑盒 测试的测试用例。 ( 七) 综合测试 这个阶段的关键任务是通过各种类型的测试及相应的调试，使软件达到 预定的要求。 测试是软件工程不可或缺的一个步骤。软件开发的过程中不可避免地要 出现一些错误。测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷。这里缺陷是一种泛 称，它可以指功能的错误，也可以指性能低下，易用性差等。测试总是先假 设程序中存在缺陷，再通过执行程序来发现并最终改正缺陷。这个阶段主要 采用集成测试和系统测试。 集成测试，是在单元测试的基础上，把已测试过的模块组装起来，主要 对与设计相关的软件体系结构的构造进行测试。通过该测试，能够发现模块 接口之间的问题，例如数据的传递、模块间的相互制约、功能的组合、误差 的累积等。主要采用黑盒测试。 系统测试，是将软件作为整个基于计算机系统的一个元素，与计算机硬 件、外设、某些支持软件、数据和人员等其它系统元素结合在一起，在实际 运行环境下，对计算机系统进行一系列的组装测试和确认测试。该测试目的 在于通过与系统的需求定义作比较，发现软件与系统的定义不符合或与之 矛盾的地方。 通过对软件测试结果的分析可以预测软件的可靠性；反之，根据对软件 可靠性的要求也可以决定测试和调试过程什么时候可以结束。 ( 八) 软件维护 维护阶段的关键任务是，通过各种必要的维护活动使系统持久地满足用 户的需要。 通常有四类维护活动：改正性维护，也就是诊断和改正在使用过程中发 1 2 第二章设计思想和开发t 具 现的软件错误；适应性维护，即修改软件以适应坏境的变化；完善性维护， 即根据用户的要求改进或扩充软件使它更完善；预防性维护，即修改软件为 将来的维护活动预先做准备。 虽然没有把维护阶段进一步划分成更小的阶段，但是实际上每一项维护 活动都应该经过提出维护要求或报告问题，分析维护要求，提出维护要求， 提出维护方案，审批维护方案，确定维护计划，修改软件设计，修改程序， 测试程序，复查验收等一系列步骤，因此实质上是经历了一次压缩和简化了 的软件定义和开发的全过程。 在具体应用中，我们可合并部分环节，如图2 1 所示： 谶戛黔m 秘 2 2 虚拟现实技术 图2 - 1 譬转m 测试m 潦扩褐) kl 为了弥补纯软件仿真模式在真实感上的不足，我们仿真模块应用了虚拟现实 技术，提供三维的人机交互界面。它从数据库中读取变电站信息，构建出虚拟的 变电站场景，为培训人员提供逼真的训练环境。 2 2 1 虚拟现实介绍 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) ，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统， 它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用 户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感 觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。 虚拟现实的主要特征是：多感知性( m u l t i s e n s o r y ) 、沉浸感( i m m e r s i o n ) 、 交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 、构想性( i m a g i n a t i o n ) 。这些使操作者能够真正进入一个 由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与 者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助 1 3 通用变电站仿真培训系统的构建甲台 启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空问信息和逻辑信息。身 临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实 构想( 即启发思维，获取信息的过程) 是虚拟现实的最终目的。 2 2 2 开发方案 目前，要构建一个虚拟现实系统主要有二种方案： 1 、用图形开发库和高级语言开发。图形开发库通常采用o p e n g l 或 d i r e c t 3 d ，开发语言主要为c 抖和j a v a 。此方法优点是开发灵活，适用 性强；缺点是复杂繁琐，开发者须熟练掌握编程技术。 2 、采用专业三维虚拟开发工具，像英国d i v i s i o n 公司和s u p e rs c a p e 公司开 发的专业工具【阐。这种方法开发方式直观，开发方便，速度较快，但一 般只能使用系统提供的内置交互事件，灵活性受到限制。 我们所采用的是第种方案，它属于比较底层的开发，虽然比较繁琐，但它 灵活的开发方式对通用性的实现很有帮助。同时我们利用3 d sm a x 强大的建模 能力提升了虚拟场景的开发效率。 2 2 3o p e n g l o p e n g l 是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在s g i 等多 家世界闻名的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通 用共享的开放式三维图形标准。目前，包括m i c r o s o f t 、s g i 、i b m 、d e c 、s u n 、 h p 等大公司都采用了o p e n g l 做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以 o p e n g l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件s o f t i m a g e 和3 d sm a x 、仿真软件o p e ni n v e n t o r 、v r 软件w o r l dt o o lk i t 、c a m 软件 p r o e n g i n e e r 、g i s 软件a r c i n f o 等等。值得一提的是，随着m i c r o s o f t 公司在 w i n d o w sn t 和以后的w i n d o w s 操作系统中提供t o p e n g l 标准及o p e n g l - 一维图 形加速卡的推出，o p e n g l 将在微机中有广泛地应用，同时也为广大用户提供了 在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行的各种软件的机会。 事实上，o p e n g l 是一个优秀的专业化的3 d 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) ，它在高端图像和专业应用方面，是其他图形开发库无法比拟的。因此， 许多在计算机界具有领导地位的计算机公司也纷纷采用o p e n g l 作为三维图形应 用程序设计界面，使得o p e n g l 具有广泛的移植性，支持l i n u x 、m a c 等操作系 1 4 第二章设计思想和开发工具 统。另外，3 d 图形加速卡的硬件上的扩展支持，如硬件全景阴影，硬件渲染顺 序无关半透明材质等新技术，使得o p e n g l 的成为三维图形开发的得力工具。 2 2 43 d sm a x 3 d sm a x 是d i s c r e e t 公司( 后被a u t o d e s k 公司合并) 开发的基于p c 系统的三 维建模、三维动画渲染和制作软件，具有强大灵活的建模能力和动画制作能力， 而且可以通过插件提供额外的扩展功能。在w i n d o w sn t 出现以前，工业级的c g 制作被s g i 图形工作站所垄断。3 d sm a x + w i n d o w sn t 组合的出现一下子降低了 c g 制作的门槛，使得c g 制作由电影的高端应用进入电视游戏等低端应用。同时， 由于3 d sm a x 是基于p c 低配置要求的软件，因此它也促使c g 软件制作平台由 u n i x 工作站向基于网络的p c 平台转移。 目前，3 d sm a x 是当前三维建模和三维动画制作领域中最流行的软件之一， 也是p c 机上运行性能最好的普及型三维动画制作软件，在国内广泛应用于影视 制作、广告设计、游戏设计、建筑装满、多媒体开发等诸多领域。与其它的三维 动画软件相比较而言，3 d sm a x 具有自己的独特之处，例如，先进的体系结构、 优化的产品性能，友好的工作界面、流畅的工作流程、无可比拟的速度和丰富的 视觉效果，使它逐渐成为所有三维建模和动画制作人员的最爱。 2 3 其它设计方法和开发工具 在详细设计或具体编码中，我们要根据不同的需要选择不同的设计方法和开 发工具。 2 3 1 面向对象的设计方法 面向对象的程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简称o o p ) 实质上是 围绕着构成应用问题领域的基本事物进行程序设计，基本思想就是不断将待解应 用问题领域进行划分，直至问题完全由基本事物构成为止，这种不可再分割的基 本事物就是对象( o b j e c t ) 。对象之间存在着一定的联系。按照面向对象的程序 设计模式设计的软件，所有的组成成分均表示为对象，而事物之间的联系则反映 为对象之间的消息( m e s s a g e ) 传递。在面向对象的程序设计中，对象是构成系 统的唯一元素，除了各层次的对象外，什么也没有。对象既是信息的存储单元， 又是信息处理的独立单元，它具有一定的内部结构和处理能力。系统中各对象间 1 5 通用变电站仿真培训系统的构建甲台 的联系通过消息传递相互作用，共同合作完成某一任务。为了适合人类的一般思 维模式，在面向对象的程序设计中，引入了类( c l a s s ) 【1 5 】和继承( i n h e r i t a n c e ) 的描述模式，用以描述对象，建立问题领域的模型。 2 3 2s t l s t l ( s t a n d a r dt e m p l a t el i b r a r y ，标准模板库) 是惠普实验室开发的一系列软 件的统称。 s t l 的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念，但 这种分离确实使得s t l 变得非常通用。s t l 的代码从广义上讲分为三类： a l g o r i t h m ( 算法) 、c o n t a i n e r ( 容器) 和i t e r a t o r ( 迭代器) ，几乎所有的代码都采 用了模板类和模版函数的方式，这相比于传统的由函数和类组成的库来说提供了 更好的代码重用机会。 s t l 另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性，s t l 主要 依赖于模板而不是封装，继承和多态。你在s t l 中找不到任何明显的类继承关 系。这好像是一种倒退，但这正好是使得s t l 的组件具有广泛通用性的底层特 征。另外，由于s t l 是基于模板，内联函数的使用使得生成的代码短小高效。 2 3 3m f c m f c ，微软基础类( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) ，是微软提供的用于在c + + 环境下编写应用程序的一个框架和引擎。w i n d o w s 作为一个提供功能强大的应用 程序接口编程的操作系统，的确方便了许多程序员，传统的w i n 3 2 开发( 直接使 用w i n d o w s 的接口函数a p i ) 对于程序员来说非常的困难，因为a p i 函数实在 太多了，而且名称很乱，从零构架一个窗口动辄就是上百行的代码。m f c 是面 向对象程序设计与a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 的完美结合，它将传统的a p i 进行了分 类封装，并且为你创建了程序的一般框架，同时提供了许多功能强大的类库，如 图形库、各种控件等，对软件开发，尤其是软件界面的快速开发提供了强大的支 持。 1 6 第三章系统设计 第三章系统设计 在绪论中，我们已经进行了问题定义、可行性研究和需求分析。接下来要进 行的是软件的系统设计。系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节，系 统设计的优劣在根本上决定了软件系统的质量。这个过程我们需要用到面向对象 的设计方法。 3 1 体系结构设计 体系结构是软件系统中最本质的东西，是对复杂事物的种抽象。良好的体 系结构是普遍适用的，它可以高效地处理多种多样的个体需求。当前主流的软件 体系结构有以下几种：层次结构、客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 结构、浏览器 服务器( b r o w s e r s e r v e r ) 结构、s o a ( s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 等。 体系结构在一定的时间内保持稳定。软件开发最怕的就是需求变化，但“需 求会发生变化”是个无法逃避的现实。如果当需求发生变化时，程序员不得不去 修改软件的体系