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OTS2000水电培训仿真系统虚拟现实平台研究
2015年11月18日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:张卫君 王德宽 张显兵 王翔
    单位:中国水利水电科学研究院自动化所

    摘要:虚拟现实技术应用于 OTS2000 水电厂运行培训仿真系统,研究开发基于 3D 开源仿真引擎设计实现水电厂培训仿真系统虚拟现实平台,为水电厂培训提供一种更加生动有效的培训手段。本文对三维虚拟现实平台实现的关键技术进行了研究,实现了水电厂场景漫游、巡视检查、设备操作、安全工器具使用、故障特效等功能。

    0. 引言

    随着我国水电建设的发展和管理水平的提高,不仅要求电厂定员定编,少人增效,也要求运行维护人员一专多能,一岗多能,对人员的岗位技能水平及培训提出了更高的要求,水电厂培训仿真系统应运而生,引起水电生产运营及管理单位的重视,也促进了水电厂培训仿真系统技术的不断进步。

    北京中水科水电科技开发有限公司较早提出了水电厂培训仿真系统的总体设想[1],基于自主设计的 SimuLog 语言[2],开发成功了 OTS2000 水电厂培训仿真系统[3],并在三峡、瀑布沟、溪洛渡等水电站获得应用[4,5,6]。

    虚拟现实技术(VR)的出现,为仿真技术提供了强有力的视觉展现手段,在军事、电力等仿真领域已广泛应用[7,8,9]。利用虚拟现实技术构建三维空间的虚拟水电厂,为受训学员提供电厂空间、环境特效、作业操作、设备控制等的模拟,让学员如同身临其境一般,可显著提高培训的生动性、真实性、有效性。

    本文首先简要介绍 3D 开源仿真引擎设计技术,然后对虚拟现实技术应用于 OTS2000 培训仿真系统的总体构架,系统主要功能及关键技术等进行了详细描述。形成一体化的 3D 虚拟现实的水电厂培训仿真系统虚拟现实平台,使 OTS2000 系统的培训效果更加生动,栩栩如生,获得广泛好评。

    1. 3D 图形引擎

    三维图形引擎是实现虚拟场景的基础。当前,虚拟现实视景仿真领域的开发环境主要软件开发平台可分为三类:VR 商业软件、底层开发引擎和基于 3D 开源仿真引擎。

    VR商业软件为开发者提供二次开发的接口和丰富的开发文档,开发者只需编写较少的代码就能完成平台系统的设计,但由于受软件功能架构设计的限制,开发出的产品功能单一,不能满足用户个性化的需求,且开发使用成本过高,不利于产品推广。底层图形系统如 OpenGL、DirectX 等具有巨大的编程灵活性、可移植性、重用性、高效的渲染效率,能最大可能地满足用户的个性化需求,但开发者必须从底层做起,构建和管理虚拟场景。3D 开源仿真引擎作为一种中间件,构建于底层图形的应用程序编程接口 API 函数之上,具有良好的封装性、模块性、扩展性和场景组织、管理能力,这种开发方式较基于底层图形接口开发方式难度小、风险小,对比基于商业软件的二次开发方式,灵活性更高、功能更强大。经综合比选,我们最终选择了基于 3D 开源仿真引擎的方式构建 OTS2000 系统的 3D 图形引擎,即 Simu3D。

    2. 体系结构

    虚拟现实平台仿真功能实现基于 OTS2000 仿真系统,虚拟现实平台负责三维场景管理与显示、三维交互、沉浸式交互设备接口,并与 OTS2000 系统的一体化接口,实现互联与互操作。简易型虚拟现实系统 3D 交互设备包括计算机显示器、鼠标、大屏幕,沉浸型虚拟现实系统交互设备包括各种动感传感器、定位传感器、立体显示设备,如数据手套、环幕、头盔、立体眼镜、立体投影等。Simu3D虚拟现实平台体系结构图如图 1 所示。

图 1 Simu3D 虚拟现实平台体系结构图

    3. 主要功能

    通过三维交互功能,Simu3D 可提供漫游、设备操作、工器具的使用操作、巡视检查等。主要功能如下:

    (1) 可实现水电厂设备的三维重现,如大坝、机组、盘柜、刀闸、地刀、变压器、瓷瓶、表计、控制按钮、指示灯、把手、压板、阀门等,如图 2;


图2 大坝鸟瞰

    (2) 能逼真地模拟各种天气状况,如晴天,夜晚,阴天,雨天,下雪天等;

    (3) 形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程。可实现的故障现象包括变压器着火,变压器漏油,吸湿器受潮,瓷瓶破裂,瓷瓶爆炸,瓷瓶油污,线夹发热,误拉刀闸、地刀产生电弧,误合刀闸、地刀产生电弧,发电机着火,管路爆裂,剪断销剪断等。

    (4) 可实现在场景中的任意漫游。使用者可以任意设置行走速度和视角,在场景中漫游进行巡视,为了更逼真的模拟现场,可为所有的设备设置碰撞功能。

    (5) 对三维场景中的设备进行就地操作或远程操作,包括开关站、机组、公用系统等设备,如开关门,五防锁,机械锁,电磁锁,分合闸按钮,开关,操作把手,电源,连片,小车操作,阀门操作等;可根据系统实时变换设备状态,如刀闸,地刀,灯,表计等。

    (6) 可按照巡回检查路线或自由线路对虚拟场景中的设备进行巡视、检查、记录等;包括巡视所用的专用工具,按照现场的运行规程进行操作,如图 3、图 4;


 图3 巡视漫游          图4 设备检查及操作

    (7) 可形象逼真的模拟现场的挂地线和验电等不同的工作方式;

    (8) 在实际场景中挂牌的地方,仿真场景中都可实现挂牌。挂牌与摘牌操作可在虚拟场景和OTS2000 监控环境下进行。

    (9) 多媒体图象、声音可与仿真过程同步,产生逼真的仿真效果。

    (10)OTS2000 的系统设备图可作为 Sim3D 的导航图,单击某设备定位即可在虚拟场景中快速到达该设备所在的位置。


图 5 工器具使用

    4. 平台实现关键技术

    水电厂集中了多种机械、仪表、电气一次、二次设备,并具有不同的设备类型,其空间布局规则和运动控制规律都比较复杂。如果要求具有较高的真实感,即使一个简单配置的水电厂虚拟现实场景中的面片数都是数百万级的,同时巡视系统的设备故障仿真、三维场景漫游和实时交互操作要求达到 15-25 帧/秒的速率,其场景复杂度远远超出了一般计算机系统的处理能力。为此,OTS2000Simu3D 较好地解决了下列关键技术难题。

    4.1 虚拟场景管理

    虚拟场景丰富、实体众多、运动规律复杂、特效多样的高度复杂的仿真环境,没有一套行之有效的仿真控制策略,没有一个完善合理、灵活高效的系统结构,不可能实现多目标多视点的实时仿真。为此,Simu3D 平台研究采用面向对象技术,构造虚拟场景的总体结构,即基于地形的场景结构树组织方式,如图 6 所示。


图 6 虚拟场景的层次结构

    面向对象的层次结构也为虚拟场景的实时绘制提供了便利。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,就可以完成绘制。

    Simu3D 虚拟现实系统采用基于地形的场景结构树组织方式,将地形也作为虚拟世界的对象放入场景图中,其中虚拟场景作为根节点,叶子节点包括各类绘制的基本单元(如光源、地形块、设备实体、特效等),每个叶子节点都有自己的属性(位置、旋转、光强、层次细节等)且相互间可存在联系。

    4.2 区域划分和层次包围盒技术

    对场景按照地形进行分块,为每块地形连同地形上的实体构造不同精细程度的层次包围盒:初级包围盒包围地形连同其上的实体,该包围盒表征了地形块所在空间区域,可用于快速判定该块地形及地形附属物(处于该地形块上的静态和运动实体)的可见性;次级包围盒是位于地形块上的某一实体的包围盒,通过次级包围盒,可以快速判断实体的可见性;三级包围盒是实体部件的包围盒,如果次级包围盒与视景体的测试结果为相交,则要继续进行三级包围盒的测试,如果部件仍过于复杂,可以再细分为子部件和四级包围盒。

    为了更好的实现实时绘制,结合使用的细节层次(Levels of Detail,简称 LOD)技术,采用了动态包围盒分解的算法。在远处的实体,处于 LOD 的粗糙层次,则其包围盒也使用相应的初级、次级包围盒;在近处的实体,LOD 为精细层次,则可以引入三级、四级包围盒。也就是引入 LOD 层次作为包围盒层次的决定因素。这样避免了对远处粗糙的 LOD 模型作过多的包围盒计算。可能会漏判了极少的不可见面片,但节省了包围盒计算的时间并减轻了程序实现的复杂度。

    4.3 碰撞检测加速算法

    在虚拟场景中,由于诸多仿真实体的运动和交互,实体之间的空间关系发生变化,就带来了运动实体碰撞检测的问题。精确的碰撞检查对提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感具有至关重要的作用,而虚拟环境的复杂性和实时性对碰撞检测算法提出了很高的要求。人们尝试对物体采用不同的表示方法如八叉树表示法、建设立体几何(Constructive Solid Geometry,简称 CSG)表示法等,以及通过包围盒加速碰撞检测过程。但包围盒方法作为一种整体方法其效率提高并不明显;八叉树表示法则因对空间的均匀剖分而显得灵活度不够,且相当费时;

    包围盒树对物体采用灵活的二分法,但在大而复杂的场景中要遍历所有树才能得到精确的接触点。Simu3D 根据水电厂环境中各类交互模式的特点及树形空间场景组织,采用了一种基于情景上下文的碰撞检测加速算法,有效提高了各类虚拟操作中碰撞检测的实时性。

    5. 结束语

    目前,本文研究基于 3D 开源仿真引擎实现的 Simu3D 虚拟现实平台已成功应用到溪洛渡、湖南省电力公司培训中心等培训仿真系统中,取得了良好的仿真效果。Simu3D 是一个通用虚拟现实平台,可广泛应用于各类水电厂或水利、电力相关培训仿真系统。

   
    作者:张卫君(1980-),男,工程师,硕士,主要从事培训仿真系统研究开发工作。E-mail:jkzhangwj@iwhr.com

    参考文献:

    [1] 王德宽等:“水电厂计算机培训仿真技术的设想与初步研究”,《水电厂自动化》,2000 年 8 月,第 3 期。

    [2] 王德宽:“培训仿真系统的 SimuLog 语言及模型”,《水电自动化与大坝监测》, 2003 年第 3 期,pp28-31。

    [3] 王德宽:“OTS2000 系统的设计思想及功能实现”,《水电自动化与大坝监测》,第 2 期,2003 年 4 月。

    [4] 杨叶平 王德宽:“白山水电厂培训仿真系统的研究与实现”,《水电自动化与大坝监测》,2011 年 2 月,第 1 期。

    [5] 杨叶平 王德宽等:“三峡电站操作与运行方式管理系统的研究与实现”,《中国水利水电科学院学报》,2012 年 2月,第 1 期。

    [6] 杨叶平、王德宽等:“水电厂运行培训仿真技术新进展”,《水电站机电技术》,2013,36(3):88-90.

    [7] 李蔚清,吴慧中等:“变电站仿真培训系统虚拟环境的研究与实现”,《系统仿真学报》,2006,18(1)123-126.

    [8] 费益,高颖等:“基于场景图的实时交互视景系统平台设计”,《计算机仿真》,2009,26(2).

    [9] 许伟东,刘国栋等:“机场供电仿真三维仿真培训系统的研究”,《中国科技成果》,2012,第 10 期.

标签:OTS水利水电培训
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