丁彥柟，黃劍峰

(國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

近年來，國家電網(wǎng)公司越來越注重電網(wǎng)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的發(fā)展。國網(wǎng)公司運檢部的智能化運檢管控平臺要求各省公司將500 kV及以上的典型電站、線路制作成三維模型，在平臺中進(jìn)行集中管控；國網(wǎng)上海市電力公司的虛擬現(xiàn)實電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)更是國家電網(wǎng)范圍內(nèi)首個將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)運營管理的電力信息管理系統(tǒng)。它們的應(yīng)用強化了國網(wǎng)公司在安全生產(chǎn)管理上的深度、廣度、準(zhǔn)確度，提升了安全風(fēng)險的管控能力[1-3]。隨著IT技術(shù)的日新月異，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電力生產(chǎn)應(yīng)用方面扮演者越來越重要的角色。隨著電力行業(yè)人員三維基礎(chǔ)知識認(rèn)知水平的提升，結(jié)合自身專業(yè)對三維系統(tǒng)提出更高、更實用、更豐富的需求。

1 三維引擎技術(shù)的理論依據(jù)

D3D11(OpenGL4.3)以上的渲染管線引入了全新的概念：支持全新的延遲渲染和命令集合；支持通用計算單元來實現(xiàn)通用計算程序；完善的幾何細(xì)分技術(shù)；支持更多的Shader指令；支持全新的多線程渲染模型從而實現(xiàn)更高的渲染效率；支持硬件實例化技術(shù)，大幅降低API調(diào)用和內(nèi)核切換的負(fù)荷。新的渲染技術(shù)為打造高效的虛擬現(xiàn)實引擎奠定了三維底層基礎(chǔ)。

Ogre2.1及以上的版本對D3D11及以上的渲染技術(shù)支持達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)新技術(shù)的完美封裝，對開發(fā)者提供友好的二次開發(fā)接口，完全開源的靈活框架更對三維虛擬現(xiàn)實引擎提供良好的支撐。

2 三維引擎技術(shù)的作用

2.1 實現(xiàn)基于云存儲和新一代三維技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實引擎需要充分結(jié)合云存儲技術(shù)，高效管理、存取海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為快速構(gòu)建諸如直流站之類的大場景奠定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)。

同時需要結(jié)合新的三維渲染技術(shù)打造自己的核心模塊，構(gòu)建出一個全新的技術(shù)架構(gòu)，以便支持和利用新的技術(shù)來實現(xiàn)更復(fù)雜、更專業(yè)化的電力應(yīng)用，最終為完成一個擁有更高運行效率、更高渲染質(zhì)量的電力行業(yè)三維應(yīng)用支撐平臺奠定基礎(chǔ)。

2.2 實現(xiàn)海量高細(xì)節(jié)三維模型構(gòu)建大場景的流暢渲染

在新三維技術(shù)構(gòu)建的引擎支持下，研究利用新技術(shù)充分發(fā)揮硬件的性能，在可控的內(nèi)存范圍內(nèi)高效構(gòu)建由海量的高細(xì)節(jié)三維模型組成的場景，并且讓虛擬現(xiàn)實引擎面對此類復(fù)雜的場景能夠維持穩(wěn)定和流暢的渲染。

2.3 實現(xiàn)基于物理光照模型高逼真度還原電力業(yè)務(wù)場景

三維系統(tǒng)渲染質(zhì)量越高，用戶代入感越強，系統(tǒng)的體驗程度越好。目前大多數(shù)三維應(yīng)用系統(tǒng)還不能充分挖掘高細(xì)節(jié)模型的潛力，在表現(xiàn)力上還有很大的提升空間。

針對高細(xì)節(jié)模型的幾何數(shù)據(jù)，虛擬現(xiàn)實引擎將充分使用新技術(shù)，利用基于物理的光照模型結(jié)合高光、法線、環(huán)境等貼圖高質(zhì)量渲染電力設(shè)備和電力設(shè)施，保證渲染效率的同時最大限度逼真還原三維場景。

2.4 實現(xiàn)跨平臺、高兼容、適用于電力行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的虛擬現(xiàn)實引擎

封裝虛擬現(xiàn)實引擎應(yīng)用接口，達(dá)成對客戶端程序的良好支持；研究瀏覽器插件整合技術(shù)，完成虛擬現(xiàn)實引擎對瀏覽器的支持。充分利用新的三維技術(shù)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實引擎在性能一般的桌面終端上也能發(fā)揮較高的效率；在移動端上能夠取得續(xù)航性、渲染質(zhì)量、渲染效率的最佳平衡，充分保障電力用戶的現(xiàn)場作業(yè)。

2.5 應(yīng)用適應(yīng)新引擎的高逼真度電力設(shè)備、設(shè)施三維建模技術(shù)

高細(xì)節(jié)的模型對建模工作帶來更高的標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格的要求。需要研究各種新的建模技術(shù)，用以支持高細(xì)節(jié)模型的制作。從模型幾何數(shù)據(jù)、光照效果相關(guān)數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等各方面入手，優(yōu)化和豐富各項模型細(xì)節(jié)，從而滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用和引擎渲染的需求。

3 三維引擎技術(shù)的研究

3.1 大場景構(gòu)建及快速動態(tài)維護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

三維場景高效構(gòu)建結(jié)構(gòu)如圖1所示?；跀?shù)字化設(shè)計成果的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用中前景廣闊。三維場景既涵蓋縣、地、市、省乃至全國這樣的大范圍電力調(diào)度通道場景，也包括不同電壓等級的電站內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施的小場景，甚至是變壓器、斷路器這樣的微場景。這些場景都有三維還原、可視化瀏覽、虛擬化操作的需要。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅是從平面PC拓展到了移動終端和穿戴式設(shè)備，視角也從二維拓展到了三維真實模擬，數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域更是包括地理高程、地理柵格、矢量影像、激光點云、設(shè)備設(shè)施模型等多種海量數(shù)據(jù)的集成加工和展示。如何在一臺普通的計算機上做到對不同類型海量數(shù)據(jù)的快速瀏覽、定位、查詢和更新，以此滿足電力業(yè)務(wù)的實時性要求高，管理范圍廣，設(shè)備數(shù)量多，安全等級高等業(yè)務(wù)特點。

圖1 三維場景高效構(gòu)建結(jié)構(gòu)

電力業(yè)務(wù)的大場景具有實時要求高、場景面積大、響應(yīng)快速等特殊需求，需要的是面向電力行業(yè)業(yè)務(wù)的實時信息系統(tǒng)。將變電站、電網(wǎng)場景與三維GIS相結(jié)合，同步融入外圍系統(tǒng)信息。平臺前端使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，同一場景可以在個人臺式機、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、手持移動終端同步展示；后端采用云技術(shù)，服務(wù)響應(yīng)迅速，可以支撐三維場景中的海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

數(shù)字化設(shè)計成果應(yīng)用平臺的成熟是數(shù)字化設(shè)計成果能否被接受和大規(guī)模推廣的關(guān)鍵之一。使用數(shù)字化設(shè)計成果的大范圍場景能否被快速搭建和動態(tài)維護(hù)同樣也是關(guān)鍵點。

傳統(tǒng)的場景構(gòu)建方法，受業(yè)務(wù)應(yīng)用的影響，場景搭建后多數(shù)物體變動不大或者根本不變動，以瀏覽為主。更有一些受選用渲染引擎的發(fā)展方向和基礎(chǔ)設(shè)計影響，多數(shù)物體塌陷在一起，無法單獨選擇、查看。這樣的場景維護(hù)單個設(shè)備就需要整個場景一起替換，不適用于電力業(yè)務(wù)更新快、設(shè)備查詢量高的特點。

要解決這個問題，首先需要平臺能做到設(shè)備都是單個獨立的個體，可以單獨調(diào)整單個設(shè)備、設(shè)施的位置。不僅能在設(shè)計軟件中擺放場景后導(dǎo)入到平臺中，也能將數(shù)字化設(shè)計成果根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙直接在平臺中擺放成場景。

在此背景下，平臺技術(shù)團(tuán)隊提出標(biāo)準(zhǔn)模型庫的思想，在參考主流開源引擎，深度開發(fā)后擁有全部源代碼，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，滿足電力行業(yè)大場景，設(shè)備獨立、快速響應(yīng)的要求?？梢宰龅绞褂猛惶兹S模型，同一組服務(wù)，在個人臺式機、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、手持移動終端渲染和展示。

3.2 研究場景中的模型快速、動態(tài)替換方法

電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模大、更新快、維護(hù)量高，因此必須要保證場景中任何電網(wǎng)設(shè)施、設(shè)備模型都是獨立存在，才能做到場景的快速搭建以及場景中模型的快速更新。在這前提下，為了解決場景大小與渲染效率成反比等一系列的技術(shù)難題，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了“設(shè)備模型庫”的概念。

模型庫是一個標(biāo)準(zhǔn)，場景中的所有設(shè)備實例都使用這個標(biāo)準(zhǔn)。庫中不僅能定義每個設(shè)備模型，還能分解定義設(shè)備中的部件，實現(xiàn)精細(xì)化管理。以標(biāo)準(zhǔn)模型庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)場景中的模型快速、動態(tài)的替換，可以做到：“替換一個，成批替換”。如果在模型庫中更換一個設(shè)備類型的模型，那么場景中所有使用此模型的設(shè)備輪廓都會替換為更換的模型；“模型越多，搭建新場景越快，花費越少”。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模型庫中的設(shè)備類型越來越多，實現(xiàn)所有設(shè)備類型的全覆蓋時，構(gòu)建一個場景只需要將標(biāo)準(zhǔn)模型庫中的設(shè)備模型擺放在需要搭建的位置，而不需要從頭開始掃描和建模，從而大大減少建模經(jīng)費。

3.3 數(shù)字化設(shè)計成果與PMS2.0集成技術(shù)的研究

3.3.1 設(shè)備映射關(guān)系

數(shù)字化設(shè)計成果是現(xiàn)場建設(shè)的依據(jù)，理論上現(xiàn)場施工完成后會與數(shù)字化設(shè)計成果保持一致?，F(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施投入運行后，根據(jù)業(yè)務(wù)流程，PMS2.0中也會錄入、使用和監(jiān)控這些設(shè)備和設(shè)施。數(shù)字化設(shè)計成果與PMS2.0集成，兩者之間設(shè)備、設(shè)施的映射關(guān)系是基礎(chǔ)。只有完成設(shè)備、設(shè)施間的映射，才能實現(xiàn)二三維相互定位、PMS2.0數(shù)據(jù)潮流計算在三維場景中展示、展示數(shù)字化設(shè)計成果的PMS2.0臺賬數(shù)據(jù)等應(yīng)用功能。

PMS2.0數(shù)據(jù)分為圖形和臺賬兩部分，按照臺賬關(guān)系，設(shè)備類型可以分為：有臺賬有圖形(臺賬n-1圖形對應(yīng)，臺賬1-1圖形對應(yīng))；有臺賬無圖形；無臺賬有圖形。

設(shè)備映射包括數(shù)字化設(shè)計成果與臺賬設(shè)備映射，以及數(shù)字化設(shè)計成果與圖形設(shè)備映射兩部分內(nèi)容。在PMS2.0中，有臺賬有圖形的設(shè)備圖形表中有SBID字段記錄臺賬OBJ_ID，以此關(guān)聯(lián)臺賬記錄，如果一條圖形記錄對應(yīng)多條臺賬記錄(分相設(shè)備)的話，那么SBID中記錄多個OBJ_ID，之間以逗號隔開。

數(shù)字化設(shè)計成果的三維場景可最大限度與現(xiàn)場相同，分相設(shè)備都是獨立存在的。PMS2.0的臺賬設(shè)備類型在設(shè)計時，應(yīng)該是對現(xiàn)場設(shè)備類型(分相)的一一對應(yīng)或是合并而不是擴充。事實上有些設(shè)備類型(分相)臺賬是合并的，例如：斷路器；PMS2.0的圖形設(shè)備類型在設(shè)計時，考慮分相設(shè)備的聯(lián)動性，設(shè)備類型(分相)是合并的。

典型的設(shè)備類型(分相)映射關(guān)系模型如下：數(shù)字化設(shè)計成果設(shè)備類型(分相)n-1臺賬設(shè)備類型(分相)n-1圖形設(shè)備類型(分相)。

分相設(shè)備可以作為一個整體出現(xiàn)，并且之間的位置不會相差太遠(yuǎn)，因此映射關(guān)系模型中的n可以看做為1，既是映射關(guān)系模型是有條件收斂的。

3.3.2 圖形集成

圖形集成的目的在于使用數(shù)字化設(shè)計成果展示圖形數(shù)據(jù)的計算結(jié)果(例如，潮流計算設(shè)備的帶電狀態(tài))，或者數(shù)字化設(shè)計成果與圖形設(shè)備間的相互定位。

一個或者多個數(shù)字化設(shè)計成果在查詢圖形設(shè)備時會對應(yīng)一條圖形記錄，既是數(shù)字化設(shè)計成果查詢圖形設(shè)備沒有二義性；當(dāng)一個圖形設(shè)備查詢數(shù)字化設(shè)計成果時會對應(yīng)一個或者多個數(shù)字化設(shè)計成果，存在二義性。對應(yīng)多個數(shù)字化設(shè)計成果的情況為這些數(shù)字化設(shè)計成果是一組分相設(shè)備，位置相差不遠(yuǎn)，并且可以作為一個整體，因此可以在實際業(yè)務(wù)中應(yīng)用映射關(guān)系。

考慮如下業(yè)務(wù)是否能正常開展。

(1)PMS2.0二維圖形設(shè)備向數(shù)字化設(shè)計成果三維場景定位。假設(shè)映射關(guān)系存在且正確，選擇一個PMS2.0圖形設(shè)備，至多會映射到一組分相數(shù)字化設(shè)計成果，可以將其作為一個整體定位。

(2)數(shù)字化設(shè)計成果三維場景向PMS2.0二維圖形設(shè)備定位。假設(shè)映射關(guān)系存在且正確，選擇一個數(shù)字化設(shè)計成果，總會映射到一個PMS2.0圖形設(shè)備，確定之后即可在二維圖形中定位。

(3)PMS2.0圖形數(shù)據(jù)潮流計算使用數(shù)字化設(shè)計成果展示。PMS2.0圖形數(shù)據(jù)計算設(shè)備的帶電狀態(tài)后，需要批量映射到數(shù)字化設(shè)計成果上。假設(shè)映射關(guān)系存在且正確，單個PMS2.0圖形設(shè)備，至多會映射到一組分相數(shù)字化設(shè)計成果，這一組的分相數(shù)字化設(shè)計成果可以共享使用對應(yīng)的PMS2.0圖形設(shè)備的帶電狀態(tài)。

3.3.3 臺賬集成

在完成數(shù)字化設(shè)計成果與臺賬的映射關(guān)系模型后，一個或者多個數(shù)字化設(shè)計成果在查詢臺賬設(shè)備時會對應(yīng)一條臺賬記錄，既是數(shù)字化設(shè)計成果查詢臺賬設(shè)備沒有二義性。

臺賬集成的目的是便于使用者查詢和查看，因此臺賬數(shù)據(jù)中的內(nèi)部字段需要在翻譯之后提供。因此，可以對每張臺賬表進(jìn)行翻譯視圖化處理，預(yù)先將內(nèi)部字段與翻譯表結(jié)合成為一張視圖。

為了加快臺賬的查詢速度，需要由緩存服務(wù)提供快速查詢。此服務(wù)可以基于Radis等緩存技術(shù)預(yù)讀取PMS2.0臺賬信息，采用分布式服務(wù)的形式，能同時滿足多客戶端、大數(shù)據(jù)量的請求服務(wù)。

4 結(jié)語

三維引擎在電力行業(yè)的應(yīng)用會大大提高三維模型的應(yīng)用效率和性能，同時也提高了三維系統(tǒng)信息獲取的效率。構(gòu)建面向電力行業(yè)深度優(yōu)化虛擬現(xiàn)實引擎，將為電力行業(yè)提供更精細(xì)化的管理方式，提升了企業(yè)的工作效率，對電力行業(yè)的改革和發(fā)展都具有重大意義。