基于三维虚拟技术的变电设备培训系统

曹 瑜 孙 鹏 张 红

（山东电力集团公司淄博供电公司 255000）

1 系统内容

1.1 系统体系结构

系统采用 3D技术开发，数据库选用Oracle 9i，程序语言选择JAVA，二维渲染引擎选用GEF，三维渲染引擎使用JME。系统网络通讯采用JAVA NIO模型设计，能够最大限度的保证网络吞吐。整体框架采用插件式结构，可以无缝的扩展。系统总体上采用了三层体系结构，即平台级的基础层、工程师级的系统层和用户级的应用层，实现了多级功能、且便于系统扩展。最终生成的应用系统由基础模块平台，安全措施演练系统生成模块，安全措施演练系统运行模块，教员台子系统，学员台子系统，就地操作子系统等组成。

1.2 系统的关键技术

1.2.1 最新的三维引擎技术

JME是一个高性能的3D图形API，采用LWJGL于JOGL作为底层支持。JME和Java 3D具有类似的场景结构，以树状方式组织自己的场景。JME有一套很好的优化机制，这使得它得运行速度要比Java 3D快很多。JME主要由Render系统、Material系统、GUI系统、Texture和图片解码器、文件解码器、Scene插件（主要是地形系统）、粒子系统、日志、物理系统、光照系统等构成。可以说JME是一个功能齐全，性能卓越的3D图形引擎。

JOGL使用OpenGl为渲染引擎的基于场景八叉树的先进的3D引擎，使用基于八叉树的场景图管理算法，并应用LOD技术对整个系统进行优化，保证了系统的渲染效果和性能。

1.2.2 设备构建器

基于Eclipse RCP平台的系统框架设计。一个Eclipse RCP可分为如下五个部分：

1)Wrokbench工作台

为Eclipse提供用户界面。它是使用SWT（Standard Widget Toolkit）和一个更高级的API（JFace）来构建的；SWT是Java的Swing/AWT GUI API的非标准替代者，JFace则建立在SWT基础上，提供用户界面组件。

2)Workspace工作区

工作区是负责管理用户资源的插件。它包括用户创建的项目、项目中的文件，以及文件变更和其它资源。

3)Help帮助系统

帮助组建具有与Eclipse平台本身相当的可扩展能力。与插件向Eclipse添加功能相同，帮助提供一个附加的导航结构，允许工具以HTML文件的形式添加文档。

4)Team团队支持系统

团队支持组件负责提供版本控制和配置管理支持。它根据需要添加视图，以允许用户与所有使用的任何版本控制系统交互。

5)Platform Runtime运行平台

平台运行库是整个Eclipse的内核，它在启动时检查已安装了哪些插件，并创建关于它们的注册表信息。为降低启动时间和资源使用，它在实际需要某个插件的时候才加载该插件。

使用Eclipse Rcp框架利用其高度灵活的插件系统构建。可以大大加强本系统的扩展性，可以后续无缝的扩展功能。

2 系统主要模块

2.1 电力设备部件模型制作

深入工作现场收集电力设备部件的各种影像资料。

2.2 电力设备模型上传

建立部件标准和项目分层结构，即三维仿真系统建立统一的部件设备系统，有效地组织设备和数据、台帐之间的关系。

建立三维设计系统的构架和标准，即建立标准的接口管理（各部件资料交换的标准格式和内容），确保能够提供型号正确信息和使用正确信息。

建立统一的工程数据库和项目数据库，建立标准化的模型、资料和文件，不断积累资料并保持一致性，以实现生产的资源共享。

2.3 电力设备构建3D模型

通过3D MAX技术，对变电设备进行数据集成、部件装配、数据关联，根据生产实际，将部件组建成装置，三维模型与设备台帐进行接口，并将计算结果返回三维模型，抽取变电设备组建图。

2.4 电力设备3D模型修正

基于3D技术开发的三维数字部件模型，基于Oracle 9i的数据库模型，在统一的模拟平台上，将两个模型无缝的叠加在一起，实现了虚拟现实与真实现实的集成。

2.5 构建电力设备3D模拟培训平台

以电力设备3D模型搭建模拟培训数学建模，构建模拟培训平台。利用视觉控制全方位展示变电二次设备及插件，对变电设备进行数据集成、部件装配、数据关联，将部件组建成装置并抽取变电设备组建图，综合变电二次异常和故障信息、运行状态和状态评价等数据为状态检修提供共享信息。

3 技术指标和功能要求

3.1 技术指标

（1）以JAVA和JME三维渲染引擎为核心，构建变电二次设备虚拟运维培训一体化的Eclipse RCP培训平台；（2）建立变电二次设备和插件的3D模型，构建以变电二次设备插件为最小可视单元的变电二次设备3D培训平台；（3）利用统一的部件标准、项目分层结构、部件资料交换格式和标准接口、工程数据库建立设备构建器，构建3D虚拟运维培训平台，实现生产资源的共享；（4）利用视觉控制全方位展示变电二次设备及插件，对变电设备进行数据集成、部件装配、数据关联，将部件组建成装置并抽取变电设备组建图，实现与状态检修的关联。

3.2 功能要求

（1）以3D技术、Oracle 9i数据库、JAVA程序语言、GEF二维渲染引擎、JME三维渲染引擎为核心，构建变电二次设备3D虚拟运维培训一体化的Eclipse RCP组装培训平台；

（2）将3D技术应用到变电二次设备管理领域，采集变电二次设备及插件不同角度照片，以3D技术构建变电二次设备及插件3D模型，构建以变电二次设备插件为最小可视单元的3D变电二次设备培训平台；

（3）建立统一的部件标准和项目分层结构，建立部件资料交换格式和内容的标准接口，建立统一的工程数据库和项目数据库，实现生产资源的共享；

（4）以3D技术实现变电设备及部件三维立体空间虚拟视觉管理，以全新立体影像建模对变电设备进行数据集成、部件装配、数据关联，将部件组建成装置并抽取变电设备组建图，综合变电二次异常和故障信息、运行状态和状态评价等数据，使检修、运行和试验人员快速掌握变电设备的构造和性能。

（5）采用网络训练平台的全员大集中培训和利用单机训练平台自我培训，在虚拟的三维空间完成变电设备拆卸和组装培训，可快速提高一线员工的业务技术水平和异常处置能力，为培养复合型检修人员创出一条全新的培训模式。

4 结束语

变电设备3D运检虚拟培训平台建立设备三维仿真模型，然后通过信息关联技术将三维可视化实体模型与设备数字化信息关联起来，将视听合一功能与计算机的交互功能结合在一起，产生出一种更合乎自然的交流环境和方式，直接诉诸培训对象的多种感官，调动培训对象主动运用多种感官积极参与媒体的活动，使对知识的被动接受转变为知识的主动发现、探索。

[1] 蔡伟,李龙华. 水电站机电设备运行检修3D仿真培训界面设计.2011

[2] 钱玉春,袁敬忠等.唐山郭家屯220KV数字化变电站工程实践[D].2009