一、三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

1電力仿真框架

電力安全培訓(xùn)的三維仿真系統(tǒng)要想真實(shí)地反映電氣設(shè)備的外觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，就需要三維仿真系統(tǒng)能夠展現(xiàn)規(guī)模龐大的現(xiàn)實(shí)虛擬場(chǎng)景，所以，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的邏輯控制程序時(shí)，就需要將三維仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為電力仿真框架和通用三維仿真引擎兩部分。在現(xiàn)實(shí)的操作過(guò)程中，操作人員是通過(guò)儀表設(shè)備操作控制電氣設(shè)備的，而在三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，則是通過(guò)復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制，將現(xiàn)實(shí)中的電氣設(shè)備和儀表轉(zhuǎn)化為抽象的虛擬設(shè)備和操作邏輯。為了使各種動(dòng)作狀態(tài)在三維效果中顯示得更加正確、合理，達(dá)到預(yù)定的視覺(jué)屬性，往往需要重新組織節(jié)點(diǎn)名稱和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

2通用三維仿真引擎

通用三維仿真引擎的功能是達(dá)到圖形渲染、交互控制和網(wǎng)絡(luò)通信的目的。它是由資源管理、場(chǎng)景管理和動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成的。通用三維仿真引擎與邏輯操作無(wú)關(guān)，它主要是為了實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景的重建和環(huán)境渲染。電力仿真系統(tǒng)與通用三維仿真引擎共同組成了一個(gè)完整的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)要求

1仿真對(duì)象和電氣屬性的同步

在三維虛擬環(huán)境下，為了保證虛擬對(duì)象和行為的一致性，往往需要借助事件、屬性、對(duì)象的三位一體機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。電氣設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)是電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的主要對(duì)象，除了顏色、縮放比例等常見(jiàn)的屬性外，還需要對(duì)仿真對(duì)象的電氣閉合狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)等重要的屬性進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。當(dāng)虛擬操作導(dǎo)致電氣設(shè)備的閉合狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電氣設(shè)備的相關(guān)屬性就會(huì)發(fā)生變化，最終使得電氣設(shè)備的參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)信息傳遞到設(shè)備管理器時(shí)，就可以重新計(jì)算電網(wǎng)的參數(shù)來(lái)更新事件的狀態(tài)。

2邏輯控制與復(fù)雜操作的對(duì)應(yīng)關(guān)系

電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作過(guò)程應(yīng)當(dāng)全面支持操作者的各種開(kāi)放式操作行為。簡(jiǎn)單來(lái)講，虛擬的操作邏輯應(yīng)當(dāng)及時(shí)地判斷和反饋操作者的操作行為。開(kāi)放式的操作控制邏輯與封閉式的操作控制邏輯相比，其應(yīng)變能力和復(fù)雜程度都大幅提高了，在這種操作控制邏輯下，用戶可以根據(jù)自己的操作習(xí)慣靈活操作，避免復(fù)雜的操作流程帶來(lái)一定的操作壓力。在錯(cuò)誤的操作下，操作系統(tǒng)也會(huì)及時(shí)給予警告或提示，這樣便可以更好地實(shí)現(xiàn)智能化培訓(xùn)的目的。

3大規(guī)模場(chǎng)景的情境渲染技術(shù)

由于電力安全培訓(xùn)的三維虛擬場(chǎng)景范圍比較大，需要仿真對(duì)象根據(jù)培訓(xùn)人員的操作產(chǎn)生動(dòng)態(tài)移動(dòng)，這就要求在具體的邏輯設(shè)計(jì)中，不能把全部的仿真對(duì)象放置在同一個(gè)渲染列表中，以免影響操作過(guò)程控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將仿真對(duì)象分為可渲染對(duì)象和可移動(dòng)對(duì)象兩種。可渲染的仿真對(duì)象一般是指場(chǎng)景對(duì)象的模型數(shù)據(jù)，它只要求有顯示的功能，而可移動(dòng)仿真對(duì)象則需要能夠在三維坐標(biāo)中來(lái)回移動(dòng)。當(dāng)場(chǎng)景數(shù)量較大時(shí)，可以分別優(yōu)化處理靜態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。只更新動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的空間信息而忽略了靜態(tài)場(chǎng)景的空間信息，不僅能夠提高渲染速率，還可以有效地節(jié)約計(jì)算資源。

4三維交互模式的實(shí)現(xiàn)

三維交互模式的首要功能是當(dāng)用戶輕點(diǎn)三維場(chǎng)景中的某一個(gè)物體時(shí)，系統(tǒng)就可以快速地檢測(cè)到該信息的傳送情況，并快速反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)三維交互模式中的人機(jī)交互。三維物體是根據(jù)射線相交的原理實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置發(fā)射一條平行于視線的射線與場(chǎng)景射線相交計(jì)算時(shí)，交點(diǎn)即該物體的位置標(biāo)識(shí)。常用的三角形檢測(cè)方式往往會(huì)占用較多的計(jì)算資源，影響定位速率。為了避免這種情況的發(fā)生，可以采取包圍球體的檢測(cè)方式與三角形檢測(cè)方式混合使用的方法，提高檢測(cè)速率。

三、三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)上面的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和主要問(wèn)題分析，可以初步實(shí)現(xiàn)包含場(chǎng)景編輯器、邏輯編輯器、地圖編輯器在內(nèi)的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。場(chǎng)景編輯器可以實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的構(gòu)建功能，邏輯編輯器可以將復(fù)雜的邏輯語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為可視性的操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的響應(yīng)控制功能，而開(kāi)發(fā)人員則可以通過(guò)地圖編輯器實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的布置功能，并且可以及時(shí)查看編輯結(jié)果。

四、結(jié)論

通過(guò)分析電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)、研究出了滿足實(shí)際需求的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的渲染和較好的人機(jī)交互操作體驗(yàn)。對(duì)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究需要全面設(shè)計(jì)邏輯控制功能，只有這樣，才能保證三維仿真系統(tǒng)在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)較好的用戶體驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期的培訓(xùn)效果。

作者：馬元忠            單位：國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司技能培訓(xùn)中心