电网监控中的虚拟现实技术研讨44

电网监控中的虚拟现实技术研讨2虚拟现实技术的市场调研与初步研究东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实的英语名称是“VirtualReality”简称“VR”，它是计算机与用户之间的一种更为理想化的人机界面形式。VR系统具有三个重要特征：临镜性（Immersion）又称临场感交互性（Interactivity）想象性（Imagination）。VR技术就是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同，是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一。虚拟现实技术于90年代初开始进入实用化阶段。之后，少数发达国家在经济、艺术乃至军事领域开始应用这种高新技术，并取得了显著的效果。至1999年，VR技术应用更为广泛，涉及航天、军事、通信、医疗、教育、娱乐、图形、建筑和商业等各个领域。一、虚拟现实技术简介3虚拟现实有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合成环境“等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工作效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简单地理解为：利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。两个方面含义：第一是计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。其二是虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心。一、虚拟现实技术简介虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人一、虚拟现实技术简介几种典型虚拟现实应用几种典型虚拟现实应用产品展示飞行训练一、虚拟现实技术简介电网监控中的虚拟现实技术东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介随着虚拟现实技术越来越成熟，随着各种技术、设备的改善，它在电力系统中的应用将会越来越受到重视。最让人瞩目的是虚拟现实技术与DPS(数字化电力系统)技术的结合，它们的结合将会在电力系统未来的发展方向—“电力系统数字化”的进程中显示出其强大的作用。传统的电力监控系统（比如SCADA系统）一般基于二维组态系统构建，其运行流程图以二维一次接线图，用2D图形符号的方式显示变电站内所有用电设备和回路，为调度、集控中心提供瞬时电量（三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率等）、各回路断路器的运行状态、各回路的故障情况等实时信息。这种方式不能直观地反映现场设备及电力运行流程，只有二维画面，无法给使用者以真实的三维感觉，难以与真实变电站同步变化。为了弥补传统电力监控系统的不足，将虚拟现实技术应用到传统SCADA系统中，开发基于虚拟现实技术的三维SCADA系统，解决其界面显示、调度员感官的不足，提供更人性化，更真实的仿真流程，同时能通过各种交互手段让用户与虚拟场景进行交互，对现场设备进行更有效的控制。目前，虚拟现实技术在电力自动化领域基本上处于研究和探索阶段，实际领域的应用很少，特别是国内几个大的电力自动化厂家，还没有正式推出自己的基于虚拟现实的产品。目前主要是一些科研机构和高校的相关专业对这方面进行了一些相关的研究，还有一些小的公司开发了一些产品。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状（1）北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛。（2）浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。（3）哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图象的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话的头势和手势动作，语音和语调的同步等。（4）清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图象变换，使立体视觉图象中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状（5）西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了教高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。（6）中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。（7）北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了VR图象处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。（8）国防科技大学开发了一个基于Internet的三维虚拟漫游环境Universe3D。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状虚拟现实在变电站中的应用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状虚拟现实在变电站中的应用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状虚拟现实在变电站中的应用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状虚拟现实在变电站中的应用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状电网监控中的虚拟现实技术东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介•基于三维VR技术的虚拟变电站和变电站操作员仿真培训系统是将虚拟现实技术与SCADA技术结合应用的综合应用系统。本系统是在借鉴了传统电力监控系统使用模式的基础上提出的新型电力监控系统，用于弥补传统电力监控系统不能直观显示现场设备的实时状态和电力运行流程的不足。•系统基于3D虚拟现实技术，通过数据交换与SCADA系统等进行实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，为调控中心提供变电站当前运行状态的3D虚拟变电站场景，使调控中心能“身临其境”，直观、逼真的观察变电站电力设备的状态，并对现场设备进行控制，实现虚拟场景和现实场景的实时同步。同时系统还提供3D仿真培训和记录回放功能。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介•根据目前我们的开发能力和技术积累情况，系统的开发分为一期和二期两个阶段实施。•一期开发实现通用的虚拟现实平台的开发并以此为基础，实现3D变电站设备实时监控功能。同时具备场景、设备、参数编辑能力-虚拟现实编辑器。目前虚拟现实展示工具已经开发完成，并已经在辽宁朝阳投入运行。•二期开发实现3D变电站仿真培训系统，并在虚拟现实编辑器的基础上实现虚拟变电站的3D模型库和组态配置工具，用户可以此为基础自由构建其他变电站的三维实时监控系统。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实虚拟现实通用平台变电站实时监控变电站运行人员仿真培训调度员仿真培训变电站动态配置三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介系统功能模块三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介•虚拟现实支持平台是虚拟应用的基础。不解决好虚拟现实平台问题，一切的应用都是空中楼阁。•虚拟现实支持平台要解决的是模型的导入、整理以及场景的渲染、漫游、交互与后续应用的开发支持问题。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台1•建模技术的流程研究•虚拟现实技术的应用，模型、场景的建立是一个重要前提和重要方面，建模的成功与否关系到渲染的效果和应用的成功。•建模技术与我们的开发工作无关，它是使用现成的商业软件，例如3DMax、Pro/E，建立我们需要的变电站模型、场景，然后倒入我们的系统中使用。在用户现场的工程服务中，估计至少要占90%以上的工作量。•因此必须探索出一条快速、简捷、优化的建模流程，并编写出一套相应的建模手册。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台1•虚拟现实平台的实现•建模工具：3DMax•开发平台：OSG(OpenSceneGraph)，QT4三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台1•虚拟现实软件开发平台•是一款通用的虚拟现实应用系统开发平台，它以虚拟现实平台为基础，提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持，从而可以简化应用系统的开发，提高应用系统的功能和性能。平台系统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具（几何对象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、不规则几何体构造工具等，根据需要待定），用户使用平台自身提供的开发模板和开发工具，即可进行VR系统开发应用。•虚拟现实基础平台与开发平台的实现可合二为一。•虚拟现实软件开发平台•VSM至少要提供的主要功能模块•核心功能模块：公共资源、进程线程和时序管理，协调其他各子功能模块的动作；启动和终止整个软件。•输入设备模块：支持所有的输入设备，并实时更新它们的状态，获取当前的用户输入；允许其它子模块向其注册所需命令，检测当前输入信号，若为已注册的命令，将其分配给相应子模块的命令列表。•应用管理模块：创建并管理虚拟世界所需的各种数据，如外部场景、玩家、各种声音等；通过输入设备模块读取用户输入的仿真信号，执行各种仿真操作，以实时修改虚拟世界的数据，完成仿真计算；向输入设备模块注册命令，并实时检查其命令列表，执行命令操作。•输出模块：支持输出各种感观效果的外设，如视、听、触、动感等；读取应用管理模块中虚拟世界的各种数据，通过相应的外设输出；想输入设备模块注册命令，实时检测输入命令并执行相关操作。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台1•虚拟现实软件开发平台•模型预处理模块：支持对CAD或者其他几何建模软件导出的渲染几何模型进行二次处理，如进行空间八叉树分割、模型格式转换、顶点法向修复等，以获得最好的渲染性能及渲染效果。•局域网通信模块：基于下一代平台网络支持的局域网通信软件，提供局域网内数据通信功能以及文件传输功能。•并行渲染支持模块：支持在基于高速局域网的计算机集群中建立统一的虚拟场景树管理，如场景树建立、同步、修改、删除等，使得并行渲染成为可能。•渲染结点模块：接收来自用户结点的场景树信息，应用当前最新的图形渲染技术进行渲染并传送给图像处理结点，该模块提供需要局域网通信模块和并行渲染支持模块提供支持。•图像处理模块：对图像提供合并、边缘融合、几何矫正、文件保存等功能，并能将图像直接写入到显卡内存中。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台1•系统营造的3D虚拟变电站场景主要是由各种3D电力设备（例如变电站中的变压器、母线、刀闸，及室内电力监控仪表等）组成，将不同3D设备逐一安排布置于虚拟环境之后，详加描述设备行为的能力(如设备模型的颜色变化和形态变化等)，再采用光源、背景和控制面的调和衬托，就产生了逼真的3D虚拟变电站场景。•系统营造的3D虚拟变电站场景是实时的，通过数据与SCADA系统等进行实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，以达到在3D虚拟变电站场景中对电力设备进行实时监视与控制的功能。三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介变电站实时监控系统2•三维场景编辑：在用户进行3DMax场景建模后，把场景导入我们的工程里，并对场景和其中的设备进行编辑。包括场景的显示属性设置；增加、删除、移动、复制、粘贴设备；设备的显示属性设置、参数设置等。完成类似于传统SCADA绘图包的功能。•三维场景漫游：可在变电站三维场景中进行漫游，包括“室外漫游”、“控制室观察”、“自动路径漫游”、“室外