變電站三維模型可視化交互研究

劉文彪　王冬霞　董懷普

摘要：隨著電網(wǎng)信息化建設(shè)的加快，通過對(duì)變電站主設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行三維場(chǎng)景建模，實(shí)現(xiàn)變電站場(chǎng)景的數(shù)字 化 還原，并根據(jù)變電站內(nèi)設(shè)備信息將三維節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫點(diǎn)進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，將變電站監(jiān)控推向數(shù)字化、可視化、智能化的全新高度。本文旨在研究一種通用的三維交互方法，通過規(guī)范化三維模型的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名的方法，實(shí)現(xiàn)三維模型和三維程序之間的交互信息的自動(dòng)化提取和控制，從而對(duì)變電站主設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、輔助設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行了全面監(jiān)視，構(gòu)建智慧變電站三維可視化交互平臺(tái)，更加高效直觀地全面監(jiān)視變電站，增強(qiáng)設(shè)備的管 控力。

關(guān)鍵詞：三維交互;三維可視化;自動(dòng)關(guān)聯(lián);全面監(jiān)視

中圖分類號(hào)：TM769;TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0248-03

變電站數(shù)字化是將測(cè)繪、信息、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)有機(jī)結(jié)合為一體的交叉學(xué)科，是三維重建的新方法與手段，通過客觀、完整地獲取電站設(shè)備元器件幾何和色彩等資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全站模型，以及主設(shè)備和輔助設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)重建與展示。變電站的三維可視化交互系統(tǒng)建設(shè)是國家電網(wǎng)提出主設(shè)備和輔助設(shè)備全面監(jiān)視的關(guān)鍵技術(shù)。

本文提出了一種三維模型動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名方法，旨在探索一種三維模型和三維程序之間通用的交互配置和控制方法，使得三維程序可以適配所有變電站的三維模型，并精確地控制開關(guān)、刀閘、儀表盤以及顯示燈等的正確狀態(tài)的顯示。從而全面提升設(shè)備的管控力，完善監(jiān)視手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站主設(shè)備和輔助設(shè)備的全面監(jiān)視。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用OSG三維引擎作為電力監(jiān)控系統(tǒng)三維圖形平臺(tái)的支撐。整個(gè)系統(tǒng)分為五個(gè)模塊，分別是三維建模文件，三維動(dòng)態(tài)庫、三維配置工具、二三維融合容器、畫面編輯與在線展示系統(tǒng);

變電站三維建模文件是基礎(chǔ)，通過3Dmax軟件進(jìn)行三維模型的建模，模型內(nèi)的所有動(dòng)點(diǎn)信息參照約定的命名規(guī)范進(jìn)行命名，便于交互信息的自動(dòng)提取。

三維動(dòng)態(tài)庫主要完成三維模型的渲染、三維動(dòng)點(diǎn)的狀態(tài)交互變化等，是整個(gè)三維渲染系統(tǒng)的核心。

三維配置工具主要解析三維模型文件中動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)信息，根據(jù)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名自動(dòng)提取動(dòng)態(tài)交互信息，提供動(dòng)點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，同時(shí)提供對(duì)應(yīng)的編輯功能，根據(jù)動(dòng)點(diǎn)類型提供不同交互配置，針對(duì)顏色變化類型，提供不同狀態(tài)的顏色配置功能;針對(duì)角度變化類型，提供角度設(shè)置功能等;以及鼠標(biāo)響應(yīng)類型的設(shè)置等;配置完成后輸出三維動(dòng)點(diǎn)交互配置文件，提供給自研三維動(dòng)態(tài)庫進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互響應(yīng)。

二三維融合容器，主要提供二三維一體化展示切換功能，該容器根據(jù)聯(lián)動(dòng)信息動(dòng)態(tài)切換展示二維和三維畫面以及二三維畫面同時(shí)顯示的功能。該容器為畫面組態(tài)工具和在線展示系統(tǒng)提供圖形展示承載服務(wù)。

畫面編輯器提供了基本的繪圖功能，同時(shí)利用二三維渲染容器定制展示區(qū)域，并提供配置展示二維和三維畫面關(guān)聯(lián)的文件信息。配置完成后，在線展示系統(tǒng)會(huì)根據(jù)配置的二維和三維畫面文件，實(shí)時(shí)展示對(duì)應(yīng)的畫面，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫的值更新二三維畫面的設(shè)備狀態(tài)，從而真實(shí)地展示設(shè)備運(yùn)行信息。

2 模型動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名規(guī)范

三維模型內(nèi)的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)名稱，應(yīng)全部采用字母、數(shù)字、“一”“一”、中文描述組成，節(jié)點(diǎn)名稱格式為.D_IEDName-DataType-ActionTye+三位序號(hào)_ValueRange_ControlRange _Desc。

2.1 D為統(tǒng)一動(dòng)點(diǎn)前綴

D為統(tǒng)一動(dòng)點(diǎn)前綴，表示該節(jié)點(diǎn)是動(dòng)點(diǎn)，需要交互變化。方便三維程序一次性過濾當(dāng)前三維模型文件中所有動(dòng)點(diǎn)信息。

2.2 IEDName為設(shè)備名稱，包括屏柜名稱

對(duì)于裝置，名稱建議采用IEDName;如果站內(nèi)無SCD文件，IEDName建議采用和站內(nèi)點(diǎn)命名一致;

對(duì)于屏柜，建議采用PG+四位屏柜號(hào)+IEDName.四位屏柜號(hào)：前面兩位是小室號(hào)，后面兩位是屏柜號(hào)。

例如：

2#主變保護(hù)A柜：PC010IPT02，其中PG表示屏柜，0101四位屏柜號(hào)表示01號(hào)小室叭號(hào)屏柜，PT02表示IED名稱，其中P表示為保護(hù)，T表示主變，02表示2#;

2#主變第二套保護(hù)柜：PG0102PT02，其中PG表示屏柜，0102表示叭號(hào)小室02號(hào)屏柜，PT02表示IED名稱，P表示為保護(hù)，T表示主變，02表示2#;

2#llOkV保護(hù)測(cè)控柜：PG0103PL02，其中PG表示屏柜，0103表示01號(hào)小室03號(hào)屏柜，PL02表示IED名稱，P表示為保護(hù)，L表示線路，02表示2#。

2.3 DataType節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型

表明該動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)需要關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型，與監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的采集點(diǎn)類型保持一致，便于自動(dòng)關(guān)聯(lián)以及按類型進(jìn)行分類，可根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)定義：

（1）EVT：動(dòng)作事件;

（2）SPG：壓板事件;

（3）DPS：遙信事件;

（4）AIM：告警事件;

（5）MV：遙測(cè);

（6）CTR：點(diǎn)擊控制。

2.4 AchonType節(jié)點(diǎn)交互類型[3]

（l）L：light，顏色改變，例如：裝置面板燈顏色改變，閃爍功能配置：F：Fast快閃，S：Slow慢閃。

a）燈快閃：LFO表示值為0快閃，LFI表示值為1快閃;

b）燈慢閃：LSO表示值為0慢閃，LSl表示值為1慢閃;

（ 2）R：rotate，角度旋轉(zhuǎn)，使節(jié)點(diǎn)根據(jù)值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，例如：硬壓板的投入與退出、表盤指針旋轉(zhuǎn)、開關(guān)刀閘的分閘與合閘等;

（3）CR：clickRotate，鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇，例如點(diǎn)擊開關(guān)門等;

（4）T：text文字變化;

三位序號(hào)：用來避免同一個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)名重復(fù)，從001到999依次編號(hào)。

2.5 ControIRange控制值范圍

（1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)為顏色變化時(shí)，值對(duì)應(yīng)的是各個(gè)狀態(tài)的顏色。

（2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)為角度變化時(shí)，值為角度范圍，單位為度。

2.6 Desc為節(jié)點(diǎn)描述

節(jié)點(diǎn)描述應(yīng)與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)名稱盡量一致。

圖2為三維模型動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名示例：

3 三維配置工具

三維配置工具3DConfigTool主要是從三維模型文件中，根據(jù)約定的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)名稱，解析出動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息，主要是動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)名稱，描述，節(jié)點(diǎn)交互類型是light或者rotate等，以及對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)交互或者顏色變化序列等，并根據(jù)Desc描述的模糊匹配實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)的數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。

三維動(dòng)點(diǎn)配置工具界面如圖3，左側(cè)展示的變電站內(nèi)的所有三維場(chǎng)景目錄，中間展示的是當(dāng)前三維場(chǎng)景的所有動(dòng)點(diǎn)列表和3D視圖，右側(cè)是電力監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫點(diǎn)信息和實(shí)時(shí)值，提供拖拉、批量關(guān)聯(lián)等便捷地編輯三維動(dòng)點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。關(guān)聯(lián)配置完成后即可保存為持久化的配置文件，供三維動(dòng)態(tài)庫和監(jiān)控系統(tǒng)使用，便于數(shù)據(jù)同步刷新使用。

每個(gè)三維模型文件經(jīng)過交互信息和關(guān)聯(lián)信息配置之后，可以切換到“3D視圖”標(biāo)簽頁，如圖4所示，查看三維場(chǎng)景內(nèi)需要實(shí)時(shí)變化的節(jié)點(diǎn)是否根據(jù)右側(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值進(jìn)行了正確的開關(guān)變位以及顏色變化等。模型內(nèi)的所有動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)為0值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，當(dāng)值發(fā)生變化后，會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)交互類型和交互信息進(jìn)行紋理貼圖或者旋轉(zhuǎn)變換等操作。對(duì)于旋轉(zhuǎn)，采用右手規(guī)則，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)值。三維模型建模時(shí)的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為z軸旋轉(zhuǎn)，并采用凍結(jié)變換和烘焙樞軸的方式固定交互信息，便于三維程序根據(jù)提取的交互信息對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互控制。

4 三維動(dòng)態(tài)庫

4.1 三維動(dòng)態(tài)庫接口

三維動(dòng)態(tài)庫主要是利用OSG引擎開發(fā)的針對(duì)變電站三維展示需求開發(fā)的動(dòng)態(tài)鏈接庫。便于電力二維監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)需要靈活地動(dòng)態(tài)加載三維模塊。同時(shí)該三維模塊適用于所有基于Qt開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)中，具有廣泛的適用性。其中三維接口文件格式如下：

ComponentN23D_create0用于創(chuàng)建基于QGLWidget的窗口句柄N23DPlayerWidget，并完成窗口布局，供監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，返回給監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行展示。

ComponentN23D_configure（COMPONENT3DHANDLE han-dle，std：：string& configlnfo）用于監(jiān)控系統(tǒng)給三維窗口句柄傳遞需要展示的三維模型文件和三維動(dòng)點(diǎn)配置文件，從而提供三維場(chǎng)景的渲染和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互所需的文件信息。

ComponentN23D_setRefreshTime（COMPONENT3DHAN

—DLE handle，int timelnt）用于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置指定的三維窗口的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新周期。

ComponentN23D_setExcute（COMPONENT3DHANDLE han-dle，type_fn_excute exc_fn）用于執(zhí)行周期刷新，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完成所有動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化。

typedef bool （*ComponentN23D_dataRefresh） （std：： vector request，std：：vector &response）;

ComponentN23D_dataRefresh用于監(jiān)控系統(tǒng)和三維動(dòng)態(tài)庫之間定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)指針和參數(shù)類型，供三維動(dòng)態(tài)庫周期傳遞動(dòng)點(diǎn)列表，監(jiān)控系統(tǒng)返回點(diǎn)列表對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)值。

ComponentN23D_locateNode（COMPONENT3DHANDLEhandle.std：：string nodeName）提供高亮居中展示節(jié)點(diǎn)的功能，當(dāng)配置工具或者監(jiān)控系統(tǒng)需要定位動(dòng)態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于三維模型中具體位置時(shí)使用，便于直觀觀察某一個(gè)點(diǎn)實(shí)際狀態(tài)，亦可以鼠標(biāo)右擊來放大居中點(diǎn)擊的節(jié)點(diǎn)，用于局部放大查看。

4.2 三維渲染流程

三維動(dòng)態(tài)庫利用osgDB：：readNodeFile函數(shù)完成各種類型的三維模型文件的讀取，創(chuàng)建三維視圖osgViewer：：Viewer，調(diào)用視圖的setSceneData把讀取的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳給視圖，即可完成三維場(chǎng)景的渲染展示;其次利用傳遞的三維動(dòng)點(diǎn)配置文件，解析出當(dāng)前三維場(chǎng)景中所有需要?jiǎng)討B(tài)變化的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)變化類型形成不同的列表，比如動(dòng)點(diǎn)變色列表、動(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)列表、動(dòng)點(diǎn)鼠標(biāo)響應(yīng)列表等，并完成所有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的初始化展示。

三維動(dòng)態(tài)庫傳遞當(dāng)前場(chǎng)景中所有動(dòng)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的obid列表信息，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)列表獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)值，返回給三維動(dòng)態(tài)庫，三維動(dòng)態(tài)庫根據(jù)實(shí)時(shí)值動(dòng)態(tài)刷新三維場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

4.3 三維動(dòng)態(tài)交互

4.3.1顏色交互

顏色的變化使用材質(zhì)變換來實(shí)現(xiàn)，首先獲取動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的渲染狀態(tài)管理信息osg：：StateSet* stateSet =node->getOrCreateState-Set0.根據(jù)不同的顏色傳遞不同的材質(zhì)數(shù)據(jù)，比如分態(tài)需要展示紅色：

mat->setAmbient（osg：： Material：： FRONT_AND_BACK， red-Color）.

mat->setColorMode（osg：：Material：：AM BIENT）;

stateSet->setAttributeAndModes（mat. get0， osg：： StateAttrib-ute：：ON l osg：：StateAttribute：：OVERRIDE）;

4.3.2 旋轉(zhuǎn)交互

對(duì)于需要旋轉(zhuǎn)的把手和儀表盤等節(jié)點(diǎn)，通過改變節(jié)點(diǎn)變換矩陣即可。關(guān)鍵是儀表盤的旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算，通過儀表盤的最小minValue和最大值MaxValue，以及儀表盤的可視區(qū)域角度范圍factor，利用公式float angle= （value - minValue）+ factor/（max-Value - minValue）;即可計(jì)算出表盤指針的旋轉(zhuǎn)角度，通過矩陣運(yùn)算完成旋轉(zhuǎn)操作：

//獲取節(jié)點(diǎn)的初始矩陣

osg：：Matrix m_matrix= node->getMatrix0; //設(shè)置旋轉(zhuǎn)矩陣

node->setMatrix（osg：： Matrix：： rotate（osg：： DegreesToRadians（-angle）， osg：：Z_AXIS）*m_matrix）;

4.3.3 鼠標(biāo)事件交互

對(duì)于需要響應(yīng)鼠標(biāo)事件來進(jìn)行操作的動(dòng)態(tài)交互，首先需要自定義鼠標(biāo)事件處理類CPickHandler，該類繼承自osgGA：：G UIEventHandler。根據(jù)ea.getEventType0不同的鼠標(biāo)操作系統(tǒng)，響應(yīng)不同的操作[10]。

（1）雙擊導(dǎo)航功能，雙擊特定節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，完成三維到二維的導(dǎo)航切換，調(diào)用Navigate函數(shù)處理，解析二維畫面;

（2）節(jié)點(diǎn)信息窗口，鼠標(biāo)移動(dòng)到某一個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)，彈出信息提示框，調(diào)用Popup函數(shù)處理，鼠標(biāo)離開后，提示框消失;

（3）鼠標(biāo)左擊開門或者關(guān)門，調(diào)用OpenDoor函數(shù)處理;

（4）節(jié)點(diǎn)定位居中功能，鼠標(biāo)右擊區(qū)域，自動(dòng)放大居中顯示，并使用osgFX：：Scribe0高亮該節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文介紹了一種變電站三維模型可視化交互方法，通過規(guī)范化三維模型的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)命名的方法，并對(duì)三維模型中動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一配置，實(shí)現(xiàn)三維模型和三維程序之間的交互信息的自動(dòng)化提取和控制。同時(shí)闡述了三維配置工具和三維動(dòng)態(tài)庫渲染交互的全過程，實(shí)現(xiàn)了在二維電力監(jiān)控系統(tǒng)中無縫接入變電站的三維畫面的功能，并同步更新電氣設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)到二三維畫面內(nèi)的設(shè)備顯示狀態(tài)，更加高效直觀地監(jiān)視變電站，進(jìn)一步增加了設(shè)備的管控力，實(shí)現(xiàn)變電站主輔控設(shè)備的全面監(jiān)視。該變電站三維模型可視化交互系統(tǒng)成功在無錫llOkV鄧巷變?cè)圏c(diǎn)運(yùn)行，實(shí)際效果圖如圖5。將智慧變電站監(jiān)控推向數(shù)字化、三維可視化、智能化的新高度。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

作者簡(jiǎn)介：劉文彪（1975-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)控與自動(dòng)化;王冬霞（1981-），女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的監(jiān)控和三維可視化技術(shù)研究;董懷普（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化。