变电站3D实景培训平台的应用研究

摘 要：变电站的培训系统目前以变电站仿真培训系统居多，这种专门培训变电站工作人员的教学系统是以真实变电站为模型通过计算机仿真建模设计而实现的，具有成本高、周期长、真实感不强等缺点，本文的项目研究利用3D实景漫游技术构建3D实景漫游平台，并在此基础上扩展实景培训功能，是性价比较高的变电站培训系统，适合在一般规模的变电站进行推广应用，提高培训效率和节省培训成本。

关键词：3D实景漫游技术 变电站培训 3D实景漫游平台

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0126-01

1 发展和现状

近些年来国内电力企业多利用变电站模拟仿真培训系统对变电站值班员进行培训。这种仿真培训系统的的应用，解决了因真实变电站现场设备不可随意操作带来的工作人员培训不便的难题。培训仿真系统以变电站为原型，测量变电站的各项场景数据和设备数据，通过几何建模和模型导入技术，利用造型软件（如3DS Studio， AutoCAD等）人工搭建3D模型，建立场景和仿真设备。营造出于与真实变电站主控室相似的环境，使受训人员尽可能达到类似于在变电站现场工作的感觉，但是这种仿真培训系统需要耗费大量人力和时间去测量现场、建立模型，工作量很大，成本也很高；另外还涉及到定位、数字化结构平面、转换现存CAD数据，对计算机的运行处理能力和存储能力要求较高；其中漫游场景是由人工建模而成，然后由计算机根据一定的光照模型绘制，色彩层次没有真实场景丰富，且带有明显的美工痕迹，不能逼真地再现真实场景，真实感不强。

基于以上情况，本文研究的变电站3D实景培训平台则是就是基于虚拟实景（境）技术的一种虚拟漫游技术，而这种技术又是通过基于图像的绘制技术设计和实现的（也称基于图像的虚拟场景漫游技术）。

2 变电站3D实景培训平台的实现

2.1 3D实景漫游技术的原理

3D全景漫游技术的重要技术组成部分是基于静态图像的虚拟现实技术，原理是将相机环360°拍摄一组照片拼接成一个全景图像，并用一个专用的播放软件在互联网上显示，让使用者能用鼠标控制环视的方向，可左可右、可近可远观看物体或场景。3D全景技术是一种桌面虚拟现实技术，并不是真正意义上的3D图形技术。3D全景技术具有以下几个特点：一是实地拍摄，有照片级的真实感，是真实场景的3D展现；二是有一定的交互性，用户可以通过鼠标选择自己的视角，任意放大和缩小，如亲临现场般环视、俯瞰和仰视；三是不需要单独下载插件，一个小小的java程序，自动下载后就可以在网上观看全景照片，或者使用quick time播放器直接观看。并且，全景图片文件采用先进的图像压缩与还原算法，文件较小，一般只有100～150 k，利于网络传输。

3D实景漫游技术主要依靠Silverlight渲染技术实现3D实景漫游平台的构建。Silverlight渲染技术是近年来兴起的一种倍受关注的场景建模和绘制技术，也是目前虚拟场景漫游领域中的主流技术，原理是基于球形环境映射原理（Spherical Environment Mapping）。球形环境映射是模拟在球体表面产生环境映射的技术，通过对普通贴图的UV坐标进行调整计算来产生在球体表面应产生的扭曲。UV的计算利用球体表面的法线来计算。计算公式如下：u=Nx/2+0.5 v=Ny/2+0.5。计算公式中的Nx和Ny是表面法线的x和y分量，除以2将区间限制在[-0.5，0.5]，+0.5将区间调整至UV坐标应在的[0，1]区间。在这个公式的计算下，当球体正中表面法线正对摄像机的地方，坐标不会有任何扭曲；周围点依次随着Nx和Ny分量的增大而产生扭曲。而球体背面的剔除面可以根据法线Z分量的正负来判断。因此这种技术实现主要通过将一张带有周围环境的贴图进行扭曲渲染，将其进行球形扭曲化以达到模拟现实的效果。基于该技术原理采用了微软推出的高级着色器语言（High Level Shader Language，简称HLSL），HLSL的主要作用为将一些复杂的图像处理，快速而又有效率地在显示卡上完成。

2.2 3D实景培训平台的构建

3D实景漫游平台系统由数据库、Web Service服务、Web端及必要的辅助工具组成。数据库负责管理和保存数据；Web端用于系统展示。系统具有以下功能：变电站内3D实景漫游、设备台账信息管理、SVG一次接线图仿真、雷达地图、地图导航、指定巡检路线、场景设备定位、热点展示、模拟操作视频&动画观看、制度管理、资料上传&下载、在线测试等多项功能。

3D实景漫游平台的构建大致可分为以下几个步骤。

（1）搭建数据库。可新购或使用原有数据服务器）上搭建一个3D实景漫游平台的数据库用于数据的存储和管理。

（2）构架Webservice服务。在服务器（与数据库同一服务器）上构建Webservice服务，为未来可能的数据的采集与通讯提供服务。

（3）构架Web程序。在服务器（与数据库、WCF服务在同一服务器）上构架Web程序，为系统和模块的人机界面和数据展示提供服务。

（4）展示插件代码的内嵌。将3D实景漫游平台的展示插件嵌入到需用于展示的门户网站的网页中，通过点击门户网站的特定模块进行展示。

（5）场景和设备信息采集。由工程人员前往变电站现场使用单反相机、鱼眼镜头及其它必要配件等设备对现场场景、设备进行取景拍摄，并保证拍摄的图片清晰美观利用合图工具将图片合成实景漫游图并上传由工程人员对所拍摄的图片进行必要的美工处理后，利用合图工具将拍摄回来一个场景的6张照片合并为一张全景图，然后通过Web端将图片上传至数据库中。

（6）Web端配置。经过上述七个步骤的操作，实现了3D实景漫游平台的构建。当用户通过浏览器打开指定的网址时，平台会利用Silverlight渲染技术将第6步骤合成的全景图经过球形渲染展现给用户，使用户可以通过鼠标操作或以自动巡游模式实现在变电站内360度全方位的虚拟实景漫游体验。

3 结语

本文深入介绍了3D实景漫游技术的发展历史和原理，并以广东电网公司汕尾供电局变电站3D实景培训平台的开发和实践经验为例，详细描述了变电站3D实景漫游平台构建的具体实践方法和步骤。变电站3D实景培训平台的建设和应用有助于提高变电站培训工作的质量和效率，同时降低供电局和变电站的培训成本，具有很好的推广意义和市场前景。

参考文献

[1]国家电网公司输变电设备状态监测系统总体框架设计.国家电网公司生产技术部/国网电力科学研究院，2010，3.

[2]变电设备在线监测系统技术导则.国家电网公司.2011，4.