智能配網(wǎng)3D監(jiān)控系統(tǒng)

別志銘 辛勇軍

（珠海許繼芝電網(wǎng)自動化系統(tǒng)有限公司，廣東 珠海 519060）

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷深入發(fā)展和計算機的可視化技術(shù)的不斷提高，采用2D圖形的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，逐漸不能滿足用戶需求。2D的圖形會逐步向3D圖形系統(tǒng)過渡，先進的三維、動態(tài)、可視化技術(shù)將會被大量應(yīng)用到配電網(wǎng)監(jiān)控中。

2 圖形系統(tǒng)設(shè)計

TOSCAN4000配網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的目標是打造“智能配電網(wǎng)”[1][2]，本文從可視化，互動性[2]角度出發(fā)，設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)。該系統(tǒng)的圖形引擎在opengl圖形庫上獨立開發(fā)，支持海量圖形數(shù)據(jù)。它能給用戶提供更加個性化，量身定做的功能。該圖形系統(tǒng)采用分層設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)對象層

數(shù)據(jù)對象層是數(shù)據(jù)的提供方。它主要是管理3D地理背景信息，3D電氣圖符，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和拓撲數(shù)據(jù)，以及各種專題圖形，設(shè)備的實時信息等。數(shù)據(jù)的來源可以是多樣的，如數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、svg、3dmax文件等。它通過數(shù)據(jù)接口，用來屏蔽不同數(shù)據(jù)類型，給數(shù)據(jù)表示層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。它從根本上解決了數(shù)據(jù)的多樣化和不確定的問題，能很好的和其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，在該系統(tǒng)中實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)和電氣數(shù)據(jù)的融合。

圖1 TOSCAN4000配網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)表示層

數(shù)據(jù)表示層是3D圖形引擎的核心層。它主要分為3部分：基本對象、設(shè)備對象和最優(yōu)空間樹。它通過數(shù)據(jù)對象層的數(shù)據(jù)接口獲取配電網(wǎng)數(shù)據(jù)后，把電氣設(shè)備和地理對象按空間劃分成最優(yōu)空間樹。

（1）基本對象

基本對象主要是點、線、曲面、平面、3角形、矩形、圖片等，它是構(gòu)成圖形的基本元素。主要包括下列功能：①計算基本對象的AABB（Axis-Aligned Bounding Box簡稱AABB）和球形包圍體；②基本對象間的距離計算；③基本對象間碰撞相交計算、和射線相交計算等，以及獲取相交的頂點坐標等；④剔除不可見的頂點坐標；⑤基本對象的3角形的分解。例如把多邊形分解為一組 3角形等；⑥基本對象頂點的修改變更，高亮度顯示，簡單的運行控制；⑦基本對象保存到文件和從文件中讀取功能。

（2）設(shè)備對象

設(shè)備對象是由基本對象組合形成。每個設(shè)備對象具有特殊的含義，如變電站，電桿，居民樓，樹木等。設(shè)備對象提供的基本功能包括：①控制設(shè)備對象的顯示或不顯示；②設(shè)備對象選取以及和用戶的鍵盤鼠標交互的功能；③把設(shè)備對象分解為基本對象；④把設(shè)備對象和設(shè)備屬性，圖形數(shù)據(jù)及其拓撲數(shù)據(jù)，實時信息相關(guān)聯(lián)。

（3）最優(yōu)空間樹

最優(yōu)空間樹是分割3維空間后形成的樹。下面介紹形成最優(yōu)空間樹的過程：

1）獲取電氣設(shè)備和地理背景的最大空間范圍，作為樹的根節(jié)點的AABB。

2）把樹的根節(jié)點的 AABB按空間坐標平均分割為512個子AABB，每個子AABB作為樹的樹枝節(jié)點。這樣就生成了樹的第1層樹枝節(jié)點。

3）把上1層上的每個樹枝節(jié)點作為根節(jié)點，再平均分割為512個AABB，每個子AABB作為當前樹枝節(jié)點的下級樹枝節(jié)點。這樣就生成了樹的第2層樹枝節(jié)點。

4）循環(huán)3的步驟，創(chuàng)建4到6層樹枝節(jié)點。按照一個樹枝節(jié)點下面會掛4K到16K個樹葉，根據(jù)總的設(shè)備個數(shù)，就可以計算出實際需要的最大的樹枝節(jié)點層數(shù)。樹枝的層次不要太多，最好在10層以內(nèi)，一般通過適當增加樹葉的個數(shù)，來解決海量的設(shè)備問題。

5）從數(shù)據(jù)接口獲取一個圖形信息（包括電氣圖形或地理圖形等），創(chuàng)建一個設(shè)備對象，計算出它的球形包圍體。采用深度優(yōu)先的算法，從樹根開始，比較每個樹枝AABB和該設(shè)備對象的球形包圍圈，如果樹枝包含該設(shè)備對象，繼續(xù)向下比較。如果樹枝和該設(shè)備相交，該設(shè)備就作為該樹枝的父節(jié)點的樹葉。

6）循環(huán)5的操作，直到所有設(shè)備都掛到樹上。

7）清除沒有樹葉的樹枝節(jié)點對象。

8）計算出所有的樹枝節(jié)點的實際的球形包圍體。

9）把樹枝、樹葉的所有內(nèi)容（包括球形包圍體等）保存到文件（或者數(shù)據(jù)庫）中。在文件頭處保存每個樹枝節(jié)點內(nèi)容和樹枝的樹葉在文件中的開始位置和長度。這樣方便下次把最優(yōu)空間樹的某樹枝中的樹葉全部讀取到內(nèi)存。

最優(yōu)空間樹是在 4叉樹[3]基礎(chǔ)上進行改進后形成的樹。它只需要創(chuàng)建一次。把創(chuàng)建好的空間樹保存到文件（或數(shù)據(jù)庫）中，下次需要顯示圖形時，只需先讀取樹枝和樹枝中的樹葉在文件中的開始位置等信息到內(nèi)存中，再確定讀取哪些葉子的內(nèi)容。根據(jù)當前用戶的當前位置和需要顯示窗口的大小，可以得到一個AABB對象，采用深度優(yōu)先的算法，把當前用戶視口的AABB和空間樹每個樹枝的球形包圍體比較。如果當前用戶視口的AABB和某一個樹枝的球形包圍體相交或包含，讀取該樹枝的樹葉在文件中的偏移量，采用文件映射技術(shù)定位到文件的樹葉處，把樹葉內(nèi)容讀取到內(nèi)存，再把每個樹葉的球形包圍體和前用戶視口的AABB比較，如果它們是相交或包含關(guān)系，就把該樹葉內(nèi)容顯示到屏幕上，否則就不顯示該樹葉內(nèi)容。采用該方法，即使是海量的圖形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在顯示圖形時，占用pc機器的內(nèi)存都是很小的，因此圖形也能很快速的顯示。

最優(yōu)空間樹的主要優(yōu)點如下：

1）采用數(shù)組存放每一層的樹枝，可以進行數(shù)據(jù)的快速查找。由于基本上等分的空間，所以可以根據(jù)用戶的視口AABB和縮放率，直接定位到某個樹枝，不需要從根節(jié)點遞歸查找，從而縮短查找時間。

2）對于大量變化的設(shè)備對象（如模擬移動汽車，局部雨雪等），都很方便在樹枝上進行修改。要顯示大量動態(tài)的設(shè)備，普通的4叉樹不是很適合。

3）對于不同的圖層設(shè)備（如開關(guān)圖層和配變圖層），可以共用一個最優(yōu)空間樹，這樣可以節(jié)省很多空間。對于普通的4叉樹在顯示不同圖層時需要對應(yīng)構(gòu)建不同的樹。

2.3 圖形渲染層

圖形渲染層也是3D圖形引擎的核心層。它主要分為2部分：圖形主表面和紋理生成器。圖形主表面接收到要渲染圖形的命令后，最優(yōu)空間樹剔除不可見的圖形坐標，把可見的圖形坐標發(fā)送給紋理生成器。紋理生成器接收到數(shù)據(jù)后，采用pbuffer或fbo等技術(shù)離屏繪制到顯示卡中（如果pc機器的opengl版本小于1.4，紋理生成器就會把圖形繪制到位圖中），圖形主表面根據(jù)共享上下文或紋理直接渲染到紋理的技術(shù)，把圖形顯示在屏幕上。

（1）紋理生成器

紋理生成器主要負責圖形的移動、特效以及生成紋理等功能。一個紋理生成器采用一個獨立線程，在自己獨立的空間運行。圖形數(shù)據(jù)可以在不同的紋理生成器中共享。紋理生成器在繪制圖形時，大部分時間是用在根據(jù)用戶視口的AABB查找要顯示的圖形頂點坐標上，小部分的時間用在顯示圖形上。因此，3D圖形引擎速度的關(guān)鍵在于生成最優(yōu)空間樹，以及充分利用CPU和顯示卡的性能。3D圖形引擎的紋理生成器的個數(shù)最好和CPU的核總數(shù)一樣多，這樣就可以實現(xiàn)并行繪制圖形，加快紋理生成的速度。如果計算機有多塊顯示卡，紋理生成器的繪制速度也會有明顯的提高。

（2）圖形主表面

圖形主表面采用一個獨立線程，主要管理紋理生成器和聲音等對象。它獲取當前圖形窗口的高和寬，然后把寬和高各自增加20%，得到一個屏幕矩形對象，再獲取當前PC機CPU的核的總個數(shù)（下面以2個核為例子），同時創(chuàng)建2個紋理生成器對象，同時把屏幕矩形對象分割為4到8塊瓦片（最好根據(jù)紋理生成器的個數(shù)來分割瓦片），然后把不同的瓦片分配給不同的紋理生成器。紋理生成器根據(jù)瓦片范圍生成對應(yīng)的用戶視口的AABB來繪制紋理。圖形主表面采用紋理的方式把瓦片拼接起來，顯示到屏幕上。圖形數(shù)據(jù)的處理主要分為2類：

1）圖形操作，如圖形漫游，圖形縮放，圖形的高亮和灰化顯示，圖形的顏色閃爍等。圖形主表面是采用雙緩存紋理來顯示圖形。當后臺不可見的紋理生成器生成紋理后，把后臺紋理和前臺紋理相互替換，使后臺紋理變得可見，前臺紋理變得不可見。采用該技術(shù)，使圖形顯示更加平滑，并且可以留出更多時間讓紋理生成器去生成紋理。

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2）圖形查詢統(tǒng)計，如設(shè)備查詢，區(qū)域統(tǒng)計，容量統(tǒng)計，拓撲分析等。圖形主表面把查詢統(tǒng)計命令發(fā)給所有的紋理生成器。例如定位某一開關(guān)，把最優(yōu)空間樹的第1層不同的樹枝分給不同的紋理生成器，每個紋理生成器按深度優(yōu)先去查找開關(guān)。當某一個紋理生成器查找到該開關(guān)后，通知其他紋理生成器停止查找。把該開關(guān)進行適當縮放后，再移動到屏幕中心，進行高亮閃爍提醒用戶。

2.4 應(yīng)用對象層

應(yīng)用對象層主要負責界面的顯示和鍵盤鼠標輸入等功能，為用戶提供方便的操作，直觀的圖形顯示。因為采用了全新的3D內(nèi)核圖形引擎，可以彌補原來傳統(tǒng)2D圖形的不足：

（1）可以直觀的看出架空線，地纜線的上下層次關(guān)系，以及同桿架設(shè)物左右等關(guān)系。

（2）可以清楚的查看到配電網(wǎng)接入的低壓設(shè)備，如居民樓上的電表。

（3）可以模擬河流，霧，雨，雪，冰凍，以及雷害區(qū)、鳥害區(qū)、污閃區(qū)等。

（5）通過逐漸透明化弱化地理背景，高亮度強調(diào)顯示電氣設(shè)備的充停電狀態(tài)等。

3 系統(tǒng)主要特點

該圖形系統(tǒng)主要的特點有：

（1）圖形引擎是基于opengl開發(fā)的全3D內(nèi)核圖形系統(tǒng)。在不損失性能的情況下，它可以移植到不同的操作系統(tǒng)上。

（2）圖形引擎能自動適應(yīng)從低檔到高檔的pc機器，并且能自動根據(jù)不同顯示卡的配置，選擇最好的性能來顯示圖形。目前它能支持opengl的版本從1.1到3.0。

（3）由于采用分層設(shè)計，做到圖形數(shù)據(jù)和圖形顯示分開，并且具有良好的重用性和平臺的擴展性。

（4）對海量圖形數(shù)據(jù)的支持。圖形數(shù)據(jù)即使是100GB以上，圖形引擎也能在普通的pc機器上很快速的處理圖形。

（5）由于采用多線程繪制圖形和多線程查詢統(tǒng)計等技術(shù)，能充分利用多核CPU和多塊顯示卡的優(yōu)勢，進行并行顯示和查詢，能極大的提高了圖形處理速度。

（6）給用戶提供了更加真實，更加形象生動的，具有高度互動性的智能配網(wǎng)展示平臺。

4 結(jié)論

隨著智能化電氣設(shè)備產(chǎn)品不斷豐富和發(fā)展，配電網(wǎng)的數(shù)字化、信息化水平也在迅速的提高。TOSCAN4000配網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，跟隨著時代的發(fā)展，升級改造圖形系統(tǒng)，是向著智能電網(wǎng)可視化發(fā)展的有益嘗試，對3D圖形在智能配網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展有一定的指導意義。

[1]李興源,魏巍,王渝紅等.堅強智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(17):1-6.

[2]施婕,艾芊.智能電網(wǎng)實現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2009,37(19):1-4.

[3]Raphael Finkel and J.L. Bentley (1974). "Quad Trees:A Data Structure for Retrieval on Composite Keys".Acta Informatica 4 (1): 1-9. doi:10.1007/BF00288933.