构建面向电力行业深度优化的虚拟现实引擎

丁彦柟，黄剑峰

(国网上海市电力公司市南供电公司，上海 200233)

近年来，国家电网公司越来越注重电网虚拟现实应用的发展。国网公司运检部的智能化运检管控平台要求各省公司将500 kV及以上的典型电站、线路制作成三维模型，在平台中进行集中管控；国网上海市电力公司的虚拟现实电网生产管理系统更是国家电网范围内首个将虚拟现实技术应用于生产运营管理的电力信息管理系统。它们的应用强化了国网公司在安全生产管理上的深度、广度、准确度，提升了安全风险的管控能力[1-3]。随着IT技术的日新月异，虚拟现实技术在电力生产应用方面扮演者越来越重要的角色。随着电力行业人员三维基础知识认知水平的提升，结合自身专业对三维系统提出更高、更实用、更丰富的需求。

1 三维引擎技术的理论依据

D3D11(OpenGL4.3)以上的渲染管线引入了全新的概念：支持全新的延迟渲染和命令集合；支持通用计算单元来实现通用计算程序；完善的几何细分技术；支持更多的Shader指令；支持全新的多线程渲染模型从而实现更高的渲染效率；支持硬件实例化技术，大幅降低API调用和内核切换的负荷。新的渲染技术为打造高效的虚拟现实引擎奠定了三维底层基础。

Ogre2.1及以上的版本对D3D11及以上的渲染技术支持达到很高的标准，可实现新技术的完美封装，对开发者提供友好的二次开发接口，完全开源的灵活框架更对三维虚拟现实引擎提供良好的支撑。

2 三维引擎技术的作用

2.1 实现基于云存储和新一代三维技术的技术架构

虚拟现实引擎需要充分结合云存储技术，高效管理、存取海量非结构化数据，为快速构建诸如直流站之类的大场景奠定基础数据服务基础。

同时需要结合新的三维渲染技术打造自己的核心模块，构建出一个全新的技术架构，以便支持和利用新的技术来实现更复杂、更专业化的电力应用，最终为完成一个拥有更高运行效率、更高渲染质量的电力行业三维应用支撑平台奠定基础。

2.2 实现海量高细节三维模型构建大场景的流畅渲染

在新三维技术构建的引擎支持下，研究利用新技术充分发挥硬件的性能，在可控的内存范围内高效构建由海量的高细节三维模型组成的场景，并且让虚拟现实引擎面对此类复杂的场景能够维持稳定和流畅的渲染。

2.3 实现基于物理光照模型高逼真度还原电力业务场景

三维系统渲染质量越高，用户代入感越强，系统的体验程度越好。目前大多数三维应用系统还不能充分挖掘高细节模型的潜力，在表现力上还有很大的提升空间。

针对高细节模型的几何数据，虚拟现实引擎将充分使用新技术，利用基于物理的光照模型结合高光、法线、环境等贴图高质量渲染电力设备和电力设施，保证渲染效率的同时最大限度逼真还原三维场景。

2.4 实现跨平台、高兼容、适用于电力行业业务应用需要的虚拟现实引擎

封装虚拟现实引擎应用接口，达成对客户端程序的良好支持；研究浏览器插件整合技术，完成虚拟现实引擎对浏览器的支持。充分利用新的三维技术，实现虚拟现实引擎在性能一般的桌面终端上也能发挥较高的效率；在移动端上能够取得续航性、渲染质量、渲染效率的最佳平衡，充分保障电力用户的现场作业。

2.5 应用适应新引擎的高逼真度电力设备、设施三维建模技术

高细节的模型对建模工作带来更高的标准和更严格的要求。需要研究各种新的建模技术，用以支持高细节模型的制作。从模型几何数据、光照效果相关数据、纹理数据等各方面入手，优化和丰富各项模型细节，从而满足业务应用和引擎渲染的需求。

3 三维引擎技术的研究

3.1 大场景构建及快速动态维护技术的研究与应用

三维场景高效构建结构如图1所示。基于数字化设计成果的虚拟现实技术在电力行业应用中前景广阔。三维场景既涵盖县、地、市、省乃至全国这样的大范围电力调度通道场景，也包括不同电压等级的电站内部设备、设施的小场景，甚至是变压器、断路器这样的微场景。这些场景都有三维还原、可视化浏览、虚拟化操作的需要。虚拟现实技术不仅是从平面PC拓展到了移动终端和穿戴式设备，视角也从二维拓展到了三维真实模拟，数据处理领域更是包括地理高程、地理栅格、矢量影像、激光点云、设备设施模型等多种海量数据的集成加工和展示。如何在一台普通的计算机上做到对不同类型海量数据的快速浏览、定位、查询和更新，以此满足电力业务的实时性要求高，管理范围广，设备数量多，安全等级高等业务特点。

图1 三维场景高效构建结构

电力业务的大场景具有实时要求高、场景面积大、响应快速等特殊需求，需要的是面向电力行业业务的实时信息系统。将变电站、电网场景与三维GIS相结合，同步融入外围系统信息。平台前端使用虚拟现实技术，同一场景可以在个人台式机、虚拟现实设备、手持移动终端同步展示；后端采用云技术，服务响应迅速，可以支撑三维场景中的海量结构化和非结构化数据。

数字化设计成果应用平台的成熟是数字化设计成果能否被接受和大规模推广的关键之一。使用数字化设计成果的大范围场景能否被快速搭建和动态维护同样也是关键点。

传统的场景构建方法，受业务应用的影响，场景搭建后多数物体变动不大或者根本不变动，以浏览为主。更有一些受选用渲染引擎的发展方向和基础设计影响，多数物体塌陷在一起，无法单独选择、查看。这样的场景维护单个设备就需要整个场景一起替换，不适用于电力业务更新快、设备查询量高的特点。

要解决这个问题，首先需要平台能做到设备都是单个独立的个体，可以单独调整单个设备、设施的位置。不仅能在设计软件中摆放场景后导入到平台中，也能将数字化设计成果根据现场施工图纸直接在平台中摆放成场景。

在此背景下，平台技术团队提出标准模型库的思想，在参考主流开源引擎，深度开发后拥有全部源代码，具有自主知识产权，满足电力行业大场景，设备独立、快速响应的要求。可以做到使用同一套三维模型，同一组服务，在个人台式机、虚拟现实设备、手持移动终端渲染和展示。

3.2 研究场景中的模型快速、动态替换方法

电网设备规模大、更新快、维护量高，因此必须要保证场景中任何电网设施、设备模型都是独立存在，才能做到场景的快速搭建以及场景中模型的快速更新。在这前提下，为了解决场景大小与渲染效率成反比等一系列的技术难题，在此基础上创立了“设备模型库”的概念。

模型库是一个标准，场景中的所有设备实例都使用这个标准。库中不仅能定义每个设备模型，还能分解定义设备中的部件，实现精细化管理。以标准模型库为基础，实现场景中的模型快速、动态的替换，可以做到：“替换一个，成批替换”。如果在模型库中更换一个设备类型的模型，那么场景中所有使用此模型的设备轮廓都会替换为更换的模型；“模型越多，搭建新场景越快，花费越少”。当标准模型库中的设备类型越来越多，实现所有设备类型的全覆盖时，构建一个场景只需要将标准模型库中的设备模型摆放在需要搭建的位置，而不需要从头开始扫描和建模，从而大大减少建模经费。

3.3 数字化设计成果与PMS2.0集成技术的研究

3.3.1 设备映射关系

数字化设计成果是现场建设的依据，理论上现场施工完成后会与数字化设计成果保持一致。现场设备、设施投入运行后，根据业务流程，PMS2.0中也会录入、使用和监控这些设备和设施。数字化设计成果与PMS2.0集成，两者之间设备、设施的映射关系是基础。只有完成设备、设施间的映射，才能实现二三维相互定位、PMS2.0数据潮流计算在三维场景中展示、展示数字化设计成果的PMS2.0台账数据等应用功能。

PMS2.0数据分为图形和台账两部分，按照台账关系，设备类型可以分为：有台账有图形(台账n-1图形对应，台账1-1图形对应)；有台账无图形；无台账有图形。

设备映射包括数字化设计成果与台账设备映射，以及数字化设计成果与图形设备映射两部分内容。在PMS2.0中，有台账有图形的设备图形表中有SBID字段记录台账OBJ_ID，以此关联台账记录，如果一条图形记录对应多条台账记录(分相设备)的话，那么SBID中记录多个OBJ_ID，之间以逗号隔开。

数字化设计成果的三维场景可最大限度与现场相同，分相设备都是独立存在的。PMS2.0的台账设备类型在设计时，应该是对现场设备类型(分相)的一一对应或是合并而不是扩充。事实上有些设备类型(分相)台账是合并的，例如：断路器；PMS2.0的图形设备类型在设计时，考虑分相设备的联动性，设备类型(分相)是合并的。

典型的设备类型(分相)映射关系模型如下：数字化设计成果设备类型(分相)n-1台账设备类型(分相)n-1图形设备类型(分相)。

分相设备可以作为一个整体出现，并且之间的位置不会相差太远，因此映射关系模型中的n可以看做为1，既是映射关系模型是有条件收敛的。

3.3.2 图形集成

图形集成的目的在于使用数字化设计成果展示图形数据的计算结果(例如，潮流计算设备的带电状态)，或者数字化设计成果与图形设备间的相互定位。

一个或者多个数字化设计成果在查询图形设备时会对应一条图形记录，既是数字化设计成果查询图形设备没有二义性；当一个图形设备查询数字化设计成果时会对应一个或者多个数字化设计成果，存在二义性。对应多个数字化设计成果的情况为这些数字化设计成果是一组分相设备，位置相差不远，并且可以作为一个整体，因此可以在实际业务中应用映射关系。

考虑如下业务是否能正常开展。

(1)PMS2.0二维图形设备向数字化设计成果三维场景定位。假设映射关系存在且正确，选择一个PMS2.0图形设备，至多会映射到一组分相数字化设计成果，可以将其作为一个整体定位。

(2)数字化设计成果三维场景向PMS2.0二维图形设备定位。假设映射关系存在且正确，选择一个数字化设计成果，总会映射到一个PMS2.0图形设备，确定之后即可在二维图形中定位。

(3)PMS2.0图形数据潮流计算使用数字化设计成果展示。PMS2.0图形数据计算设备的带电状态后，需要批量映射到数字化设计成果上。假设映射关系存在且正确，单个PMS2.0图形设备，至多会映射到一组分相数字化设计成果，这一组的分相数字化设计成果可以共享使用对应的PMS2.0图形设备的带电状态。

3.3.3 台账集成

在完成数字化设计成果与台账的映射关系模型后，一个或者多个数字化设计成果在查询台账设备时会对应一条台账记录，既是数字化设计成果查询台账设备没有二义性。

台账集成的目的是便于使用者查询和查看，因此台账数据中的内部字段需要在翻译之后提供。因此，可以对每张台账表进行翻译视图化处理，预先将内部字段与翻译表结合成为一张视图。

为了加快台账的查询速度，需要由缓存服务提供快速查询。此服务可以基于Radis等缓存技术预读取PMS2.0台账信息，采用分布式服务的形式，能同时满足多客户端、大数据量的请求服务。

4 结语

三维引擎在电力行业的应用会大大提高三维模型的应用效率和性能，同时也提高了三维系统信息获取的效率。构建面向电力行业深度优化虚拟现实引擎，将为电力行业提供更精细化的管理方式，提升了企业的工作效率，对电力行业的改革和发展都具有重大意义。