一種基于3d仿真技術(shù)的電網(wǎng)真實(shí)結(jié)構(gòu)完全模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于3D仿真技術(shù)的電網(wǎng)真實(shí)結(jié)構(gòu)完全模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，伴隨著中國電力發(fā)展步伐不斷加快，中國電網(wǎng)也得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級(jí)不斷提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，全國已經(jīng)形成了東北電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、西北電網(wǎng)和南方電網(wǎng)6個(gè)跨省的大型區(qū)域電網(wǎng)，并基本形成了完整的長距離輸電電網(wǎng)網(wǎng)架。中國電網(wǎng)規(guī)模已超過美國，躍居世界首位。在如此迅猛的發(fā)展勢頭下，我國電網(wǎng)前期規(guī)劃凸顯出其重要性，只有運(yùn)用3D仿真技術(shù)對電網(wǎng)領(lǐng)域的聯(lián)系發(fā)電和用電的設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行真實(shí)模擬，才能最有效得還原未來真實(shí)場景，3D仿真技術(shù)在電網(wǎng)方面的新型應(yīng)用著重在于針對電網(wǎng)行業(yè)及設(shè)施，彌補(bǔ)其前期缺乏真實(shí)數(shù)據(jù)模擬場景還原環(huán)節(jié)的缺憾，建立一個(gè)可動(dòng)態(tài)更新變化、并利用國際先進(jìn)算法和引擎的3D仿真環(huán)境，對電網(wǎng)建立前期、運(yùn)行過程和設(shè)備進(jìn)行真實(shí)模擬還原。
[0003]通常所說的3D仿真技術(shù)指的是real-time interactive video,這里面interactive指的是操作會(huì)影響畫面的顯示(如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、拖拽等)，由于系統(tǒng)會(huì)對operator的操作進(jìn)行反饋，所以這類的3D仿真技術(shù)更真實(shí)，更吸引人，real-time是指實(shí)時(shí)的操作、環(huán)境的變化必須要實(shí)時(shí)的在畫面上表現(xiàn)出來。也可以說是video的一種，其利用通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)交互性的效果。
[0004]本質(zhì)上計(jì)算機(jī)是數(shù)字化的，即信號(hào)是離散的(與連續(xù)相對)、數(shù)字的，所有連續(xù)的效果通過足夠快的更新畫面來實(shí)現(xiàn)，實(shí)際類似于上電影、電視的原理。其都是用離散來模擬連續(xù)。因?yàn)橐话闳搜鄣姆磻?yīng)時(shí)間大概是毫秒量級(jí)，所以使用離散來模擬連續(xù)是可行的。
[0005]目前，3D仿真技術(shù)在電網(wǎng)方面的應(yīng)用，是在充分了解電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和設(shè)施的基礎(chǔ)上，優(yōu)化傳統(tǒng)3D仿真模型、算法和引擎技術(shù)，對電網(wǎng)真實(shí)環(huán)境的完全仿真模擬，所以不存在可操作性，在真實(shí)環(huán)境因多種原因突然改變的情況下，3D仿真技術(shù)無法及時(shí)產(chǎn)生對應(yīng)的變更。換言之，3D仿真技術(shù)在電網(wǎng)方面的新型應(yīng)用著重于數(shù)據(jù)的真實(shí)性，是將真實(shí)電網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)化，再將數(shù)據(jù)3D化，是一種靜止的鏡像模擬環(huán)境，而非“動(dòng)態(tài)”模擬環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于3D仿真技術(shù)的電網(wǎng)真實(shí)結(jié)構(gòu)完全模擬方法，能夠在仿真電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和設(shè)施的基礎(chǔ)上，優(yōu)化傳統(tǒng)3D仿真模型、算法和引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)真實(shí)環(huán)境的完全仿真模擬。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種基于3D仿真技術(shù)的電網(wǎng)真實(shí)結(jié)構(gòu)完全模擬方法，包括以下步驟:
I)導(dǎo)入google地圖數(shù)據(jù):主要用于核對與電網(wǎng)電力設(shè)施相關(guān)的設(shè)備及建筑物與周圍環(huán)境的位置關(guān)系、屬性信息、相應(yīng)地理空間數(shù)據(jù)以及準(zhǔn)確的朝向； 2)3ds max建模:在google地圖投影基礎(chǔ)上制作模型；
制作的模型包括:電網(wǎng)相關(guān)的電力設(shè)備和建筑物，還包括設(shè)備和建筑物四周環(huán)境存在的自然物和創(chuàng)造物；
其中，電力設(shè)備和建筑物包括:變電站、桿、塔、開關(guān)、變壓器、重合器、接地線、圍欄、警示牌、鐵路、道路和電力應(yīng)用的房屋；
自然物包括:設(shè)備和建筑物四周存在的地理走向現(xiàn)狀，交叉跨越、高大樹木、山嶺、丘陵、河流；
創(chuàng)造物包括:設(shè)備和建筑物四周存在的人造的各種建筑。
[0008]3)導(dǎo)出Obj模型:導(dǎo)出實(shí)時(shí)引擎可以識(shí)別的模型格式；
4)打光、烘培紋理:在模型上渲染出一定光線條件下的紋理，并且調(diào)整UV坐標(biāo)；
5)增加周圍環(huán)境物體:主要指道路、花壇、空調(diào)等裝飾物小模型，盡量采用可復(fù)制的模型減小場景復(fù)雜度；
6)導(dǎo)出場景文件:最終導(dǎo)出整個(gè)場景的結(jié)構(gòu)文件，其中包括導(dǎo)出的obj模型以及各個(gè)模型的位置加載關(guān)系；
7)視圖操作
①:計(jì)算骨骼動(dòng)畫的當(dāng)前transform矩陣、頂點(diǎn)動(dòng)畫的當(dāng)前數(shù)據(jù)，攝像機(jī)移動(dòng)的當(dāng)前位置動(dòng)畫相關(guān)數(shù)據(jù)；
②:計(jì)算粒子系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)；
③:計(jì)算視角新的變換矩陣；
④:根據(jù)視角matrix4 更新 modelView matrix、project1n matrix ；
⑤:根據(jù)新的視錐體進(jìn)行場景剔除，一般室外場景是八叉樹裁剪、室內(nèi)場景是二叉樹裁剪；
⑥:更新每個(gè)node 的 orientat1n，posit1n、scale 等屬性；
8)清染場景
⑦:依次清染renderQueue中的mesh，根據(jù)shader等來分組進(jìn)行清染、進(jìn)而提高效率，GPU的特點(diǎn)是并行計(jì)算快，但是切換狀態(tài)時(shí)很費(fèi)時(shí)間；
⑧:為GPU綁定頂點(diǎn)數(shù)據(jù)；
⑨:設(shè)置vertixshader 和 pixelshader 的參數(shù)；
⑩:執(zhí)行shader程序。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):1、實(shí)時(shí)性-較傳統(tǒng)3D仿真技術(shù)而言，新型技術(shù)不需要重復(fù)建模，在模型數(shù)據(jù)庫變化時(shí)即可實(shí)時(shí)更改；
2、保證幀平穩(wěn)(畫面播放要平穩(wěn)、不能有快進(jìn)或卡住的感覺)-需要進(jìn)行算法的優(yōu)化和服務(wù)器設(shè)備配置的提升；
3、不能卡住整個(gè)線程-當(dāng)局部出現(xiàn)BUG畫面時(shí)，保障整個(gè)大畫面線程的流暢；
4、3d模型的效果要真實(shí)(主要是物理模擬等)-保障和真實(shí)環(huán)境一致，而不是示意圖。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟:
1)導(dǎo)入google地圖數(shù)據(jù):主要用于核對與電網(wǎng)電力設(shè)施相關(guān)的設(shè)備及建筑物與周圍環(huán)境的位置關(guān)系、屬性信息、相應(yīng)地理空間數(shù)據(jù)以及準(zhǔn)確的朝向；
2)3ds max建模:在google地圖投影基礎(chǔ)上制作模型；
制作的模型包括:電網(wǎng)相關(guān)的電力設(shè)備和建筑物，還包括設(shè)備和建筑物四周環(huán)境存在的自然物和創(chuàng)造物；
其中，電力設(shè)備和建筑物包括:變電站、桿、塔、開關(guān)、變壓器、重合器、接地線、圍欄、警示牌、鐵路、道路和電力應(yīng)用的房屋；
自然物包括:設(shè)備和建筑物四周存在的地理走向現(xiàn)狀，交叉跨越、高大樹木、山嶺、丘陵、河流；
創(chuàng)造物包括:設(shè)備和建筑物四周存在的人造的各種建筑。
[0012]3)導(dǎo)出obj模型:導(dǎo)出實(shí)時(shí)引擎可以識(shí)別的模型格式；
4)打光、烘培紋理:在模型上渲染出一定光線條件下的紋理，并且調(diào)整UV坐標(biāo)；
5)增加周圍環(huán)境物體:主要指道路、花壇、空調(diào)等裝飾物小模型，盡量采用可復(fù)制的模型減小場景復(fù)雜度；
6)導(dǎo)出場景文件:最終導(dǎo)出整個(gè)場景的結(jié)構(gòu)文件，其中包括導(dǎo)出的obj模型以及各個(gè)模型的位置加載關(guān)系；
7)視圖操作
①:計(jì)算骨骼動(dòng)畫的當(dāng)前transform矩陣、頂點(diǎn)動(dòng)畫的當(dāng)前數(shù)據(jù)，攝像機(jī)移動(dòng)的當(dāng)前位置動(dòng)畫相關(guān)數(shù)據(jù)；
②:計(jì)算粒子系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)；
③:計(jì)算視角新的變換矩陣；
④:根據(jù)視角matrix4 更新 modelView matrix、project1n matrix ；
⑤:根據(jù)新的視錐體進(jìn)行場景剔除，一般室外場景是八叉樹裁剪、室內(nèi)場景是二叉樹裁剪；
⑥:更新每個(gè)node 的 orientat1n，posit1n、scale 等屬性；
8)清染場景
⑦:依次清染renderQueue中的mesh，根據(jù)shader等來分組進(jìn)行清染、進(jìn)而提高效率，GPU的特點(diǎn)是并行計(jì)算快，但是切換狀態(tài)時(shí)很費(fèi)時(shí)間；
⑧:為GPU綁定頂點(diǎn)數(shù)據(jù)；
⑨:設(shè)置vertixshader 和 pixelshader 的參數(shù)；
⑩:執(zhí)行shader程序。
[0013]下面詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理:
首先，解釋幾個(gè)基本術(shù)語
operator:3D仿真技術(shù)在觀察時(shí)，需引入操作者的概念。 gamepad (also called joypad or control pad):操作桿。
Skeletal animat1n (骨骼動(dòng)畫):3D仿真實(shí)際上是連續(xù)的多個(gè)離散的頂點(diǎn)位置集合，頂點(diǎn)動(dòng)畫是將這些位置的集合事先計(jì)算好，在使用時(shí)直接放入顯卡進(jìn)行渲染，骨骼動(dòng)畫是在每一幀中計(jì)算各個(gè)抽象的骨頭的變換矩陣，之后在渲染時(shí)由顯卡負(fù)責(zé)將這些變換作用到起初設(shè)定的skin上面。
ragdoll physics:骨骼■動(dòng)畫里面的每個(gè)bone (rigid bodies )之間建立了一種相互約束的關(guān)系(比如電網(wǎng)設(shè)備的線路只可以向外延伸，而不能進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部)，這樣使3D效果更真實(shí)。
AGAL:Adobe Graphics Assembly Language Stage 3D 的著色器語言。
[0014]AIR:Adobe Integrated Runtime開發(fā)代號(hào)為Apollo，是一個(gè)跨操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，用來建造RIA，使用Flash、Flex、HTML與AJAX，可能部署為桌面應(yīng)用程序。
[0015]AIR是Adobe針對網(wǎng)絡(luò)與桌面應(yīng)用的結(jié)合所開發(fā)出來的技術(shù)，可以不必經(jīng)由瀏覽器而對網(wǎng)絡(luò)上的云程序做控制，也由于這是Adobe所開發(fā)的技術(shù)，因此能很順利的與Adobe旗下的Photoshop、Flash、Fireworks等應(yīng)用程序來進(jìn)行開發(fā)。
[0016]GPU:圖形處理器
Shader:著色器，指一組供計(jì)算機(jī)圖形資源在執(zhí)行渲染任務(wù)時(shí)使用的指令。程序員將著色器應(yīng)用于圖形處理器(GPU)的可編程流水線，來實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)用程序。這樣的圖形處理器有別于傳統(tǒng)的固定流水線處理器，為GPU編程帶來更高的靈活性和適應(yīng)性。
[0017]著色器分為頂點(diǎn)著色器，幾何著色器，像素著色器。
[0018]渲染管線:渲染管線也稱為渲染流水線，是顯示芯片內(nèi)部處理圖形信號(hào)相互獨(dú)立的的并行處理單元；在某種程度上可以把渲染管線比喻為工廠里面常見的各種生產(chǎn)流水線，工廠里的生產(chǎn)流水線是為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和效率，而渲染管線則是提高顯卡的工作能力和效率。
[0019]—般3D仿真技術(shù)的規(guī)則是由server端來計(jì)算的，client本質(zhì)上是一個(gè)狀態(tài)“播放器”，為了更有效的實(shí)時(shí)的顯示出最新的狀態(tài)，本地要保存一個(gè)operator和環(huán)境的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如果所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的從server端取