基于虚拟现实技术的煤矿供电三维系统研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 基于虚拟现实技术的煤矿供电三维系统研究基于虚拟现实技术的煤矿供电三维系统研究 于丽梅* 作者简介于丽梅（1986-），女，中国矿业大学信电学院在读研究生，中共党员，研究方向电力系统及其 自动化. E-mail ylmdyx （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221000） 摘要摘要近年来，虚拟现实技术在矿业中的应用越来越广泛，并取得了很高的实用价值。本文5 分析了虚拟现实技术及面向虚拟现实的建模技术和可视化技术， 结合煤矿供电系统的特征和 要求，构建了一个优化和逼真的三维供电环境，提出了基于 Multigen Creator 的复杂虚拟场 景建模方法和基于 Multigen Vega 的三维视景仿真应用，实现系统的场景显示和实时漫游、 模型驱动和实时控制。本文在 Creator 模型数据库优化过程中，运用多种模型数据库优化技 术提高了系统的仿真效率，为用户提供一个方便友好快速的三维操作平台。 10 关键词关键词虚拟现实技术；供电系统；Creator 建模；可视化仿真 Research of Mine Power 3D System Based on Virtual Reality Technology YU Limei 15 School of ination and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000 Abstract Virtual Reality Technology; power system; Creator; Visual Simulation The virtual reality technology is widely used in mining rencently, and has obtained great practical value. The paper analyzed VR technology and modeling and visualization technolygy oriented to VR, and constructed a optimized and vivid 3D power supply system with characteristic and requirements of coal 20 power system. The complex virtual scene modeling based on Multigen Creator and the 3D visual simulation application based on Multigen Vega were presented to display and real-time roaming, scene model driven and real-time control. The paper is focused on optimizing processing model database which can improve the simulation efficiency. The system provides users with a convenient、 friendly and quick 3D operation plat. 25 Key words Virtual Reality Technology; power system; Creator; Visual Simulation 0 引言引言 电力是煤矿企业生产不可或缺的能源，煤矿井下供电可靠性是矿井安全生产的必要保 障。由于煤矿井下环境复杂，自然条件恶劣，电气设备经常会出现保护动作和误动作，而目30 前在用的井下高低压开关多数没有报警功能， 开关跳闸后常常不能及时被配电工发现， 很容 易造成供电事故。 在现场工业设备运行的模拟再现以及监控人员对现场设备的监控方面， 传 统的二维供电监控系统存在很多的不便， 为此需要进行基于虚拟现实技术的三维供电系统的 开发和研究。 虚拟三维供电系统的建立， 是将供电系统整合为一个信息互通和自动化综合管理的庞大35 工程，实现煤矿井上井下供电信息、设备和工矿信息在统一的平台上传输。管理人员可以借 助各种设备与虚拟场景进行交互， 通过三维虚拟场景的建立， 提供再现现场设备运行状况的 三维场景 [1] 。监控人员可以通过该虚拟场景与现场进行“身临其境”地交互，直观地监控相应 设备的运行状况。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 虚拟现实的关键理论虚拟现实的关键理论 40 虚拟现实（Visual Reality，简称 VR）技术是近年来信息技术迅速发展的产物，它是一 门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展 起来的交叉学科 [2]。虚拟现实技术被认为是 21 世纪可能使社会发生巨大变化的几大技术之 一，其研究与应用水平将直接影响一个国家的国防、经济、科研与教育等方面的水平，直至 影响整个国家的综合国力。因此，各个国家，特别是经济发达国家，自 20 世纪八十年代以45 来都投入了大量的人力与物力，对 VR 技术进行了深入的研究。 所谓虚拟现实就是采用以计算机技术为核心的现代高新科技生成逼真的集视觉、听觉与 触觉为一体的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的硬件设备（如头盔显示器、立体眼镜、 数据手套等） 以自然的方式与虚拟环境中的客体进行交互， 从而产生身临其境的感受和体验。 1.1 虚拟现实技术的主要特征虚拟现实技术的主要特征 50 虚拟现实系统可以实现高级的人机交互，通过计算机生成给人多种感官刺激的虚拟世 界，用户通过传感装置可以直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和触觉、视觉等 信息反馈。虚拟现实技术的三大基本特征是浸入性（Immersion）、交互性（Interaction）和 构想性（Imagination），即 3I 特性 [3] 。 （1）浸入性让用户投入到计算机生成的虚拟场景中，是虚拟显示技术的核心。人能55 够感觉到自己置身于这一特殊的虚拟环境之中，与之融为一体。浸入性可分为视觉浸入、听 觉浸入、触觉浸入和味觉浸入等。 （2）交互性用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用，是人机和谐的 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动的程度等。 它使人不再被动地接受信息或者旁观， 而是能够使用60 交互输入设备操纵虚拟物体，改变虚拟世界。 （3）构想性用户沉浸于虚拟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，如此促进系统升华。 1.2 虚拟现实的关键技术虚拟现实的关键技术 65 交互技术是体现虚拟现实基本特征的重要技术， 是用户通过用户界面执行交互任务的一 种方法。虚拟环境的交互任务主要有四种行进（Travel）、选择（Selection）、操纵 （Manipulation）和系统控制（System Control）。 虚拟现实系统必须能够实时、 精确地判断虚拟对象之间是否发生碰撞， 即需要碰撞检测 技术。例如，用户在虚拟环境中进行漫游时，不应该具有穿过墙的能力。碰撞检测是虚拟现70 实中动态对象与静态对象之间或动态对象之间的交互基础 [4]。针对不同的对象，人们提出 不同的碰撞检测算法跟踪方法、分析方法、Lattice 方法、HV 分割方法等等。 1.3 虚拟现实的分类虚拟现实的分类 根据虚拟现实系统硬件的配置情况，可将其分为四类 （1）桌面式 VR 系统用户主要利用立体眼镜和三维鼠标等硬件与虚拟环境交互； 75 （2）浸入式 VR 系统在桌面式 VR 系统的基础上，增加了头盔式显示器，数据手套或 定位跟踪器、力反馈作用装置等实现 VR 环境中的人机交互作用； - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 （3）投影式 VR 系统在桌面式 VR 系统的基础上，增加了一种大屏幕投影机或数字显 示墙来显示 VR 三维环境，主要用于演示、教学等较多人观看的场合； （4）模拟式 VR 系统这是一种较复杂的 VR 系统，需要参与者穿上特制的外套或置身80 于安装在运动平台上的封闭空间内以产生更为真实的环境效果，如飞行员飞行模拟器。 2 虚拟供电系统数据集成与管理虚拟供电系统数据集成与管理 2.1 研究意义研究意义 综合应用三维技术、虚拟现实技术、自动控制技术、传感器技术及通讯技术，开发基于 虚拟现实技术的煤矿供电三维可视化系统。 建立了井上下设备及线路的三维运行模型， 实现85 了信息的矢量图形远程发布与管理， 可在三维环境下实现煤矿供电各个子系统的实时监控和 综合管理，全方位直观再现设备地理环境、设备运行、视频监控、维护、故障诊断、设备管 理等全部信息，达到无人值守，提高了矿井的运行效益、综合管理及决策水平，使矿井供电 综合自动化系统上了一个新台阶。 2.2 信息平台的建立与集成信息平台的建立与集成 90 在建立信息平台的时候，应遵循 4 个主要原则。选择数据时要突出代表性，利用数据挖 掘技术，从煤矿供电综合自动化系统中有选择的筛选事实数据，要保证数据的代表性。与之 无关的数据就不用选择， 以免造成数据表过大， 增加系统的开销； 存储数据时要突出实时性， 数据平台需要容纳煤矿供电生产中存在的大量实时数据和固定数据， 因此建设数据平台时必 须考虑对于这些海量数据的存储效率问题； 使用数据时要突出实用性， 可以通过数据平台生95 成的报表种类很多，常见的有负荷类、电量类、电压类、网损类、生产负荷类等，将与生产 流程优化、设备状态评估等关键数据综合分析，实现生产过程及生产设备的科学管理；全过 程要突出标准化， 经数据采集系统处理后的数据按统一的规范和标准进入后台存储系统， 实 现数据兼容的目标。 建立三维供电可视化系统的重要工作之一， 就是将虚拟的三维场景与自动化系统中的实100 时数据连接起来 [5] ，在三维环境下，实现煤矿供电系统的实时监控和管理功能的结合，全 方位直观的再现设备地理信息、设备运行、设备检修、设备故障诊断等全部信息，为矿井生 产服务。 3 虚拟供电系统的实现与功能虚拟供电系统的实现与功能 3.1 三维实体建模三维实体建模 105 虚拟现实中模型的建立是整个仿真程序构建的基础。 建模平台的选择、 数据类型的选用 及场景模型的数据优化对后续的虚拟现实仿真实现有着重要的意义。本系统采用 Multigen-Paradigm 公司的专业虚拟现实建模仿真软件 Multigen Creator，对矿井的供电系统 进行场景构建。 3.1.1 资料的收集和准备资料的收集和准备 110 前期资料的收集有助于后期工作的开展， 有助于工作效率和工作质量的提高。 在计算机 构建矿井供电系统三维模型中， 所需要的数据主要就是空间数据和表面纹理数据。 空间数据 包括建模对象的平面数据和高程数据， 平面数据主要有建筑、 道路、 重要设施等的坐标位置， 树木、路灯等外部修饰环境；高程数据可查阅相关建筑设计资料或者估算法得出。纹理是现 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 实世界中物体的表面细节，可以改变模型的外观，以保证模型的真实感。所以，开发矿井虚115 拟供电系统需要准备的资料主要包括以下几个内容 供电系统布置平面图 变电站建筑物的立面图 需要进行内部漫游的建筑物的层面图 各变电站内设备安装关系图 120 典型设备结构简图 建筑物、植被和机器设备等的纹理源数据 3.1.2 场景模型创建场景模型创建 配电柜是变电站内的主要设备， 所以是最重要的场景内容之一。 现单独介绍其建模过程。 首先，需要获得模型数据，包括平面图、剖视图、三视图、尺寸、材质、光照、纹理等。其125 次，需要确定模型的层次结构，Creator 建模工具提供了树状层次结构 OpenFlight 数据格式 来组织管理模型 [6]，即将配电柜按树状结构分解至按钮、显示窗口等基本元。模型建立时， 需要考虑其比例，尽量使用较少的多边形，尽量合并可以合并的面，以优化模型，提高渲染 效率。 然后， 去除那些场景浏览时处于不可见位置的冗余面， 降低整个场景的复杂度。 最后， 使用纹理映射方法，即在对应位置的多边形面上“贴“上相应的纹理图片，使模型对象获得照130 片级的真实感视觉效果。 这样做可以极大的减少模型的多边形数目和模型复杂度， 从而提高 图像输出时的显示速度。配电柜模型如图 1 所示 图 1 虚拟场景中的配电柜模型 135 Fig.1 model of power distribution cabinet in virtual scene 3.2 模型数据库优化模型数据库优化 实时性是开发虚拟煤矿供电系统必须考虑的一个关键特性。通过对模型系统进行优化， 提高运行系统的实时性，能有效保证虚拟供电系统的沉浸、交互等特性。因此，对大面积复 杂场景的模型系统进行优化，是解决模型复杂问题和提高系统运行效率的必要途径。 140 该系统三维模型结构使用了很多优化方式。 减少同等显示效果下模型的多边形开销， 有 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 助于将系统中总的多边形数控制在硬件的多边形预算内； 通过对纹理数据的优化， 有效节约 内存，并获得理想的视觉效果；通过对数据库层次结构的优化，减少运行系统的数据剔除和 场景绘制时间开销，提高系统的实时性；通过对 LOD 层次结构的优化，减少数据筛选时间 和提高绘制速度。 145 3.2.1 减少多边形数量减少多边形数量 任何实时系统的图形硬件， 在一个给定的帧频率下都只能对有限数量的多边形进行各种 实时的计算处理，这个限制被称作“多边形预算（polygon budget）“。如果模型数据库中的 多边形数量超过了实时系统的处理能力，那么仿真应用就无法顺畅地运行。本文中，减少多 边形数量采用了纹理取代模型细节的方法， 在不使用更多附加多边形的情况下， 使用纹理可150 以丰富模型细节，且在视觉上给人以真实感。如图 2 所示的实例中，建筑物模型本身就是一 个简单的长方体型几何体，但是在每个面上映射了适当的纹理后，建筑物就显得很写实了， 窗户和门面等细节都有所反应，而没有增加一个额外的多边形。另外，还可以通过删除冗余 多边形和背面多边形的方法来减少模型的多边形数量，以提高系统渲染速度。 155 图 2 使用纹理的建筑物模型 Fig.2 building model with textures 3.2.2 优化模型数据库层次优化模型数据库层次 使用 Multigen Creator 创建的 OpenFlight 模型数据库，按照一定层级结构，组织各种节160 点以描述和存储虚拟场景信息。 因此， 模型数据库的实时应用性能在很大程度上取决于模型 数据库中节点的层级结构组织方式。 可视化运行中， 层级结构会直接影响实时系统剔除 （cull） 和绘制（draw）两个主要过程的执行效率。所以，应该尽可能地根据实时系统对数据剔除和 绘制要求进行模型数据库节点组织形式的优化。 3.2.3 采用采用 LOD 技术技术 165 多层次细节模型是指采用 LOD（Levels of Detail）技术，在实时系统的多边形预算范围 内，创建不同细节程度版本的模型，有效增加仿真系统的绘制效率。不同 LOD 层次的模型 包含数量不同的多边形。视点离物体越近，就会使用细节程度越高的模型版本。在视点离物 体最近的时候，显示最高层次细节模型，其多边形数量最多、模型细节最丰富。当视点远离 模型后,不需要那么多细节就可以转换为一个低层次细节版本模型。 使用 LOD 技术可以有效170 提高模型数据库的多边形利用率，在有限的条件下取得最佳的视觉效果。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3.3 可视化仿真可视化仿真 本系统采用利用实时驱动管理和开发软件 Vega 实现视景驱动。在 Creator 中建立模拟 变电站地表环境、建筑物的立面图和房层面图、设备安装关系图和设备的虚拟模型等175 （OpenFlight 格式文件）；然后将建筑物和主要设备的三维虚拟模型集成在地表环境（.flt 文件）中，该文件形成的变电站景观系统供场景漫游时使用；再将该.flt 文件读入 Vega 的 LynX，设定相关的性能参数，生成一个.adfApplication Definition File文件，在该.adf 文件 的基础上用 C 语言和 Vega 的 API 函数进行二次开发。 本系统将运行时不需要交互的参数用 LynX 的相应面板设置在.adf 文件中， 需要交互的参数用 Vega 对应类的 API 函数来实现， 以180 便于进行实时控制；同时用户的控制数据也通过特定设备输入到 Vega 中，形成实时交互应 用程序。系统控制室三维监控画面如下 图 3 主控制室 185 Fig.3 main control room 3.4 系统实现功能系统实现功能 该供电三维监控与管理系统具有很多功能， 如画面显示功能， 能够在三维环境下显示供 电设备外形、地理布置、周围环境等；能够在三维环境下监测供电系统各个参数；能多画面 显示各变电所主接线图；控制功能，可以通过画面发出关开分合闸、保护装置复归等控制命190 令，实现变电所内设备的集中控制功能。并具有权限设置、闭锁设置功能；报警功能，当电 气参数的实时值超出预先设定的限值范围时， 断路器分合闸或继电保护动作时， 监控软件应 能即时发出声光报警信号并对故障设备进行定位， 以提醒操作人员尽早做出相应处理； 存档 功能，能够将现场运行信息存入数据库，以便于随时进行历史数据查询；曲线功能，包括绘 制各电气参数的实时曲线和历史曲线；报表功能；管理功能，监控软件具有供电设备综合管195 理功能；每个监测分站具备电缆线路绝缘性能监测功能，实现故障后的线路自动合闸，达到 无人职守。 4 结论结论 本文在虚拟现实技术理论基础上，根据供电系统中各类对象的结构和空间特性，利用 Creator 建模工具和 Vega 视景仿真软件，采用层次结构、纹理映射、LOD 技术等对模型数200 据库进行了优化，实现了供电系统的三维虚拟模型创建和场景驱动仿真。 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 [参考文献参考文献] References [1] 巫影,何琳,黄映云等.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程,2002341-44 [2] 魏静。基于 VR 的虚拟矿山系统研究[C].武汉科技大学,2005 [3] Rachid Manseur.Virtual Reality in Science and Engineering Education[J].Frontiers in Education， IEEE， 2005，205 19228-13 [4] 曹代勇,余志伟,赵扬.数字矿山及其关键技术探讨[J].铜业工程,2005,110-12 [5] 庄玲.数字矿山可视化技术的研究与实现[C].山东科技大学,2003 [6] 王乘,周均清,李利军.Creator 可视化仿真建模技术[M].华中科技大学出版社,2005 210