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变电站仿真培训系统虚拟环境的研究与实现概要
第18卷增刊1系
统仿真学报©Vol.18Suppl.1
2006年8月JournalofSystemSimulationAug.,2006
变电站仿真培训系统虚拟环境的研究与实现
李蔚清1,吴慧中1,林昌年2
(1.南京理工大学计算机科学与技术学院,南京210094;2.中国电力科学研究院,北京100085)
摘要:
虚拟现实技术可以提高变电站仿真培训系统的真实感。
研究了变电站仿真培训系统虚拟环境的体系结构,给出了一种基于空间约束和电气特性的虚拟场景组织方法;提出了一种面向实体特性的LOD模型调度方法和基于图象的Impostor模型调度方法;研究了高压放电现象的统计模型,采用粒子系统实现了放电特效仿真。
设计实现的变电站虚拟环境成功应用于变电站仿真培训系统。
关键词:
变电站仿真培训系统;虚拟环境;层次细节;粒子系统
中图分类号:
TP391.9文献标识码:
A文章编号:
1004-731X(2006S1-0123-04
ResearchonVirtualEnvironmentofSubstationTrainingSimulator
LIWei-qing1,WUHui-zhong1,LINChang-nian2
(1.ComputerScienceDepartment,NanjingUniversityofSci&Tech,Nanjing210094,China;
2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100085,China
Abstract:
Avirtualenvironmentishelpfulforsubstationtrainingsimulator.Thearchitectureofthisvirtualenvironmentwasstudied.Anewmethodwasappliedtoorganizethedevices’modelsintoahierarchytreeaccordingtotheirelectricrelationship.ALevelofDetailalgorithmbasedonobjects’featureswasusedtoacceleratethevirtualenvironmentrendering.Theeffectsofdielectricbreakdownweresimulatedbyparticlesystemusingastatisticalmodel.Avirtualenvironmentissuccessfullyrealizedforsubstationtrainingsimulator.
Keywords:
substationtrainingsimulator,virtualenvironment,levelofdetail,particlesystem
引言
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。
由于电力系统的特殊性,使得在实际运行的变电站中进行人员培训具有很大的局限性。
因此,建立变电站仿真环境来进行培训是十分必要的。
变电站培训仿真系统(SubstationTrainingSimulator是变电站培训的一种新型的有效手段,是对理论学习和现场实践学习的改进和补充[2]。
运行人员可在仿真系统上接受培训,对于各类异常、故障,可以在仿真系统上反复操作练习,使受训者在短期内成为合格运行人员。
我国目前使用的变电站仿真培训系统存在一些不足:
软件仿真主要以接线图、数字图表、设备照片和现场录像方式等常规多媒体方式作为表现手段,其真实感、临场感和表现力都有待改进,培训效果不真实直观;物理仿真往往通过专用设备实现,系统庞大、复杂、昂贵。
随着虚拟现实(VR技术的发展,采用VR技术为变电站仿真系统构造虚拟环境,将大大提高变电站场景的真实感和沉浸感,为变电站仿真培训工作带来飞跃。
我国在这方面的研究处在起步阶段[1],目前的变电站巡视仿真尚未实现高度真实感的虚拟环境。
[2]
为此,我们采用OpenSceneGraph[3]三维图形引擎设计实现了一个开放架构的变电站虚拟环境。
针对变电站特点,研究了虚拟环境的的模型组织、层次细节模型的调度算法、基于统计模型的特效仿真算法,实现了一个高效、逼真的变电仿真虚拟环境。
1图形引擎和体系结构
三维图形引擎是实现虚拟场景的基础。
OpenSceneGraph(OSG是一个开放源码的、跨平台的、高效的三维图形引擎,在仿真、游戏、虚拟现实、科学可视化等高性能图形设计领域得到应用。
它提供基于OpenGL的面向对象的框架,并提供了很多附加的功能模块来加速图形应用开发。
OSG作为开放源码的自由软件,完全基于标准C++和OpenGL,并提供了可扩展接口库。
在综合比较了多种三维图形引擎后,我们最终选择OSG作为虚拟场景图形引擎。
基于OSG设计的虚拟变电站,体系结构如图1所示。
高电压等级变电站一般集中了多种电气设备,具有不同的接线方式、设备类型,空间布局比较复杂。
以南京某500kV变电站为例,设备总数超过200个,三维场景中的面片数超过500万,设备仿真、三维漫游和实时交互要求达到15-25帧/秒的速率。
对于微机平台,这样的场景复杂度远远超出了系统处理能力。
为此,需要在变电站虚拟场景的模型组织、层次细节模型(LOD)加速算法、实时特效处理等方面提供满足变电站仿真要求的快速算法。
收稿日期:
2006-03-14修回日期:
2006-06-01作者简介:
李蔚清(1974-,男,博士生,研究方向为计算机图形学和虚拟现实;吴慧中(1942-,女,博导,研究方向为虚拟现实和系统仿真;林昌年(1964-,男,硕士,高级工程师
研究方向为从事电力系统培训仿真系统的开发工作。
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(4)如果多个设备共用
部件(如三相操作机构),则按就近空间分布原则,将
其划分到共用该部件的最近设备。
按照以上规则,得到变电站虚拟场景的空间N叉树如图3所示:
图1变电站仿真系统结构
2基于空间约束和电气特性的虚拟场景组织
变电站有多种典型空间布局和电气布局方式。
OSG的场景组织,用节点(Node)封装场景中设备(部件),利用树型结构将节点组织起来,通过继承共享属性来避免冗余。
OpenSceneGraph采用有向无环图结构来组织场景中的节点。
一个场景树包括一个父节点和若干孩子节点。
孩子节点自动继承父节点的公共属性,并可以带有自己的属性。
因为二叉空间剖分(BinarySpacePartition,BSP)的便捷性和接近线性复杂度的高效性[6],被用作组织场景的数据结构。
变电站虚拟场景的组织方式,在考虑空间布局的同时也应考虑电气连接特性。
我们在BSP树的基础上,设计了基于电气连接特性的空间N叉树结构来组织场景,这种电气连接特性的规则是“以母线为纬,以电气单元为经,以断路器为基准,按接线顺序排列”,具体包括:
(1按照与母线的电气连接特性,结合空间分布,划分各个设备所属的母线区域(即把设备分为从属于I母线、II母线或者旁路母线),如图2(a;
(2以配电单元(即线路)为基准,结合空间分布,划分各个设备所属的单元。
对于不从属于某个单元的设备(如母线设备),按照就近空间分布原则,将其划分到最近的单元,如图2(c;
(3)在单元内,以断路器为基准,结合设备排列顺序,确定各个设备的位置,如图2(b,断路器的基准作用尤其体现在高型布置中,如图2(d;
图2(a母线和引线图2(b断路器
图3虚拟场景的空间组织
在变电站空间布局设计规程中,电气连接特性隐含了空间布局约束,电气连接设计中已经考虑了母线、单元、设备之间的空间布置关系和安全电气距离约束,所以按照电气接线特性划分虚拟场景空间是完全可行的。
同时,考虑到场景也有一些非电气设备的景物,主要包括地形及其附着物(如树木、围墙、路标、建筑等)、天空等,可以认为N叉树相当于按照均匀地形网格划分的空间BSP树的一个稀疏矩阵。
也就是说,N叉树比基于均匀地形网格的BSP树具有更强的目的性和更高的遍历效率。
树型层次结构便于场景的快速绘制。
在场景绘制过程中,从根节点开始,由左至右深度遍历场景树,根据当前结点的空间属性(如姿态、朝向、位置等),进行局部坐标到全局坐标的转换(基于OpenGL的状态堆栈实现),就可以完成整个场景绘制。
由于光源具有全局影响,绘制流程中首先定义光源特性,因此场景中所有的光源放入左子树。
基于树型结构的快速遍历方法都可以被用来加速绘制流程。
3面向实体特征的LOD模型调度
3.1LOD模型
层次细节(LevelofDetail,LOD)模型是指对场景中的同一个物体,使用不同细节的一组模型来表示,在不同场合中显示该物体时选用其中一个模型。
简言之,近距离观察该物体时,使用比较精细的模型,而视点离物体较远时,使用比较粗糙的模型。
由于三维模型一般是采用多边形网格描述,精细模型就意味着较多的面片数,而粗糙模型面片数较少。
LOD模型不仅可以保证比较真实的视觉效果,同时提高了复杂场景的生成和显示速度[5]。
OpenSceneGraph中提供了LOD类,可以方便地实现基
图2(c典型单元图2(d高型布置的单元
于视点距离(osg:
:
LOD:
:
DISTANCE_FROM_EYE_POINT或·124·
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等:
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形体复杂度、实体特征(变形、运动)、图象质量要求等。
我们为Impostor类增加了一个权重函数ImpostorValue:
投影面积(osg:
:
LOD:
:
PIXEL_SIZE_ON_SCREEN的LOD模型调度算法。
3.2复杂形体的Impostor
目前LOD模型生成算法的研究中,基于图象的ImpostorImpostor方法将近处的模型(或以前调度算法是研究热点[4,5]。
进来的模型)渲染生成的图象,作为一幅纹理,来表示远处的模型。
该算法兼具基于图象的绘制(IBR)方法的高质量和LOD方法的简洁性,非常适于渲染复杂的电力设备模型。
为此,我们参考OSG的LOD类实现了Impostor子类。
Impostor
Value=(kmM+kfF+kdD/(koO+C(1
M是模型复杂度,kf是其中,km是模型复杂度权重,
图象质量权重,F是图象质量预期,kd是距离权重,D是离开视点的距离,ko是实体属性权重,O是实体属性(运动或变形),C是常数。
如果Value小于阈值,Impostor就退化成LOD。
对于不同类型的实体,km,kf,kd,ko权重因子取值不同。
一般对于静止的、有大量同类实体的、面片数较大的实体,比如瓷瓶,其ko较小,其它因子较大;对于运动的、简单的实体,比如刀闸臂,其ko较大而其它因子小。
Impostor的代码如下所示:
Impostor
_Impostor=newosgSim:
:
Impostor(;
_Impostor->setImpostorThreshold(3000..f;//3000米外用Impostor
_Impostor->addChild(_LOD1,0.f,1500.f;//1500米内用LOD1
_Impostor->addChild(_LOD2,1500.f,3000.f;//1500米外用LOD2_Impostor->calValue(;//计算权重,如果小于阈值就不用Impostor
LOD2
Impostor
图4Impostor和LOD
场景中的实体具有3个LOD层次,其中LOD1为精细模型,LOD2为粗糙模型,最远处为Impostor,其纹理是LOD1渲染生成的图象。
根据视点位置、视点与设备的距离以及设备区域确定LOD层次,如图4所示。
图5(b线框图中稍远处的瓷瓶是一幅纹理,来源于图5(a渲染图中瓷瓶模型的图象,而非简化的线框模型。
由于这幅纹理来源于场景中同类精细模型渲染生成的图象,而精细模型的图象在前一帧场景中已经生成了,故Impostor的开销仅仅是维持和更新图象缓存(FrameBuffer中对应模型的部分。
对于面片数多,渲染效果要求较高的复杂形体,Impostor是一个高效的LOD生成方法。
4基于统计模型的特效仿真
为了模拟电气设备在各类天气条件、设备异常、线路故障情况下的行为变化,变电站仿真系统中需要对放电电弧进行仿真。
为此,我们采用OSG的粒子系统,基于高压电弧放电的统计模型实现了放电特效仿真。
4.1OSG粒子系统框架
粒子系统以大量形状简单的微小粒子作为基本元素,每个粒子都有一定的生命周期,每时每刻都在不断的运动和改变形态,所有粒子的集合形成了景物的整体形态和特征的动态变化。
粒子系统的这一特征,使得它充分体现了不规则模糊物体的动态和随机性,粒子系统方法被公认为模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法。
OpenSceneGraph图形引擎提供了osgParticle:
:
Particle类来定义粒子的属性,包括大小、形状、生存周期等,用
图5(a模型渲染图图5(b模型线框图
osgParticle:
:
ParticleSystem类对每一帧新增粒子的数量、初始速度、方位以及力学特性等进行统一管理。
对特殊效果的模拟,还可以建立不同细节层次的多级粒子系统。
osgParticle类中的以下子类与实现粒子运动的动力学模型有直接关系:
(1)Shooter,粒子的初速度,包括大小和方向;
(2)Counter,每帧画面中新生成的粒子数量;(3)ParticleSystemUpdater,粒子属性更新的回调函数,动力学方程应该在此函数中实现。
3.3Impostor权重函数
Impostor方法不适用于运动和形变的物体,如正在分合的刀闸臂。
因为形体运动时,较近的精细模型与较远的Impostor模型,其空间姿态不同,生成的图象就不能简单直接地匹配到纹理平面上了。
这时可以采用Forsyth[4]的基于启发式规则的Impostor更新算法,但因为要加入图象配准算法,实时性很难保证,一种现实的选择是运动物体不采用Impostor,而只采用LOD方法。
因此,在变电站虚拟场景中进行LOD模型(包括Impostor)调度时,除了考虑离开视点的距离外,还要考虑
4.2基于统计模型的放电三维路径仿真
绝缘气体、液体和固体的击穿现象非常复杂,常呈现树状和狭窄的随机放电通道,其微观放电机理非常复杂。
作为虚拟环境中的特效表现,我们关心的是放电三维路径和分支
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结构的统计学特征,以实现仿真的“形似”。
根据文献[9],可以将二维空间中火花放电路径形状特征的统计规律推广到三维空间。
将三维放电路径的形状特征简化为一系列长短不一的折线段,如图6(a。
三维放电路径的形状特征可由以下参数的统计描述:
组成放电路径线段的长度L、相邻两条线段之间的夹角H、线段与电极系统垂直轴线之间的夹角A和线段末端距离电极系统轴线之间的距离D。
这些参数的统计分布规律反映了放电路径的基本形状特征。
图6(b为Watson统计平板电极二维放电路径的折线段长度的统计结果[9]。
5结论
目前,利用本文研究成果开发完成的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”、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“500kV变电站综合仿真系统”等多个变电站仿真系统中。
变电站仿真虚拟环境采用OpenSceneGraph图形引擎和OpenGL图形标准,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(DTS)、电网仿真的分布式协同仿真。
在本文成果基础上,如何构建更大规模的支持多个变电站的分布式虚拟环境,将是下一步需要研究的问题。
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(D−1
图6(a三维放电路径图6(b放电路径的长度
基于以上的统计规律,以分形学描述这种放电路径结构,得到半径r内和半径上的放电通道分岔数与半径r和分形维数D的关系为:
N(r∝r
(2)
(2式的微分形式为:
D
n(r∝dN(r/dr∝r
(3)
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3结论
通过对上述坦克动力学模型的实际检验和坦克机动性虚拟试验的试验表明,虚拟现实技术的引入使坦克机动性虚拟试验变得简单而有效,通过虚拟机动性试验可以很好的模拟实际环境中的坦克实地试验。
本文第一部分主要建立了在虚拟环境中的坦克实时动力学模型,但是由于军用车辆动力学模型的复杂,在实时动力学模型方面的研究仍需进一步加强。
第二部分主要讲述了虚拟试验所需视景仿真系统的主要构成及实现过程,可以作为建立视景仿真系统的参考。
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