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摘要：文章详细阐述了构建低压配电实习三维仿真教学平台的过程及其关键技术。其能够较好地实现低压配电各种设备及实习操作的过程的三维仿真，具有物理模型精准、实时渲染高效、现实映射性好、编辑工具丰富的特点。
关键词：低压配电；实践教学；三维仿真
作者简介：金友功（1964-），男，江苏徐州人，南京工程学院电力学院，工程师。（江苏 南京 211167）
基金项目：本文系江苏省高校自然科学基金资助项目（项目编号：09KJB470002）、南京工程学院高等教育研究课题（课题编号：GY200917）、南京工程学院自然科学基金项目（项目编号：QKJC2010002）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0174-01
近年来，随着我国经济的迅猛发展，对电气运维人才培养的数量和质量都提出了更高要求。[1]低压配电实习涉及电网用户侧的低压线路、配电设备，其型式和接线繁复，具有实践操作性强，教学组织过程安全要求高的特点，是电气工程及自动化专业的重要的实践教学环节之一。本文所述低压配电三维仿真平台是将虚拟现实与系统仿真技术相结合，构建数字化教学资源，在三维虚拟环境下组织低压配电实验实习。低压配电仿真平台内容主要包含三部分，一是虚拟素材仓库，分类装载地表实验室家具实物、设备部件、实验器具、工作人员等虚拟模型；二是虚拟装配工具，实现模型的修正、替换，电气逻辑的设计、算法关联，实验的组合、装配，脚本的编辑、优化；三是图形引擎，实现室内超精细虚拟场景的高效实时渲染。本文对低压配电三维仿真平台关键技术进行了阐述，对后续深入研究三维仿真技术及其在教育培训领域的应用具有积极的借鉴意义。
一、多体系统动力学仿真
低压配电实验实习涉及的虚拟装配技术的核心理论是多体系统动力学仿真，它的内容就是建立多刚体系统动力学与多柔体系统动力学模型。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统仿真问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。[2]本文以多刚体系统动力学为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在实际仿真系统中采用离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等处理方法，并按照以下三个步骤展开：对实际系统的多体模型进行适当简化；根据模型形成系统的动力学方程；求解动力学方程。[3]
二、三维图形引擎
仿真运算的结果是通过三维场景的形式表现的，要构建精细的大规模室内场景，必须面对庞大的数据，即便是计算速度快、存储量大、图形功能强的图形工作站也往往不能满足实时绘制的要求，另外数据的种类、表现方式各不相同，需要结合最新的三维图形软硬件技术建立起一个通用、高效和运行稳定，专门负责三维数据处理和图像渲染的底层核心，本文称之为三维图形引擎技术。主要需要解决的问题有：稳定通用的场景数据管理；高性能的渲染技术，包括可见性判断、各种层次细节度模型（LOD）等；各种图像效果，如光照、阴影、火光、放电、烟雾等各种粒子效果；准确高效的三维碰撞检测技术。进而解决骨骼动画和逻辑脚本等应用技术，开发出逼真的三维场景。
（1）采用多比例尺综合和多细节层次技术解决高复杂度场景的数据简化与组织。还借助纹理映射技术，不仅可以降低对虚拟场景中对象模型几何复杂度的要求，还能取得比较满意的视觉效果。
（2）空间数据索引算法。超精细室内场景绘制过程中是需要进行裁减的，也就是需要在所有数据中选择那些符合条件的记录，而且为了保持绘制的帧率，必须使选择操作的时间花费最小化。本文进行空间数据选择时，通过建立空间数据索引来快速地访问一个特定查询所请求的数据，例如采用BSP树来进行隐藏面消除，而无需遍历所有的数据集合，从而提高数据查询的效率。
（3）场景绘制中的硬件加速。超精细室内场景对绘制的真实性和实时性提出了更高的要求。实现快速绘制，利用软件方法加快绘制是必要的，而充分利用硬件资源来加速绘制则是十分重要的。在可视化应用中应当首先关注硬件本身性能，通过使用图形硬件编程技术，充分挖掘图形硬件的资源，发挥图形硬件所提供的各种支持功能，提高图像渲染效率。
三、虚拟装配
在低压配电仿真实验实习中进行设备虚拟装配一般需要考虑以下因素：对象的形状及尺寸；空间限制区域和已经存在的固定物的空间位置情况；各对象之间不得发生干涉；对象之间、对象与环境物体之间的最小间距不得小于安全间距；对象在动态运行时不会与周围的物体相碰撞；其它特殊要求。[4]
本文采用鼠标选取对象、移动对象和旋转对象，以及通过键盘输入绝对坐标和相对坐标的操作等；提供一组支持布局设计的辅助功能，比如测量功能（测量两个对象之间的距离和角度等）、查询功能（查询对象的名称、空间位置坐标、方向、长宽高等基本属性值）、计算功能和干涉检查等功能；提供虚拟环境下的动画仿真功能，以模拟设备在运行过程中是否相碰撞；建立虚拟环境下的布局约束机制，设定设备间的最小间距，设定物体的移动特性（即可动或固定不动），设定限制区域的布局属性，当布局违反约束时，系统则以改变颜色或响铃方式予以警告；设备布局可以从重要设备开始，首先将其放置在一个恰当的位置，然后再按照布局序列，将其它设备依次布置到相应的位置。
四、线缆布置
在输电线路仿真中，导线、避雷线、拉线是主要组成部件，线路施工仿真中各类棕绳、钢绳是重要的施工工具。虚拟样机中涉及到电缆、绳索、软管等柔性、可变形物体的布置，这是一个非常复杂的环节，目前国内外的研究尚处在探索阶段。[5]
（1）布线。线缆布线是指按照电气连接的要求，对线缆进行路径规划，还包括辅助部件的分布和配合等。线缆布线的方法主要包括人工智能布线和人机交互布线两种方法。人工智能布线是依靠优化算法为电缆寻找最优的空间位置，使其走向合理，长度最短，固定可靠，检测方便。人机交互布线允许操作人员对线缆进行选择、拾取、移动，并可以使用“点到点”或者“起点与方向”的方法进行电缆的虚拟装配。
（2）线缆几何形状仿真。本文采用基于物理的建模技术，将线缆看作具有质量的连续弹性体，在外力及边界约束作用下进行变形，其过程服从物理定律。该方法依据力学原理建立物体的运动学方程，如悬链线方程，采用数值方法对方程求解，最终模拟到线缆自然变形的平衡状态。
五、结束语
通过关键技术研究实践表明本文所述低压配电实践教学三维仿真平台具有良好的自主性、交互性、可扩展性和安全性，对提升低压配电实践教学手段具有现实意义。
通过低压配电实验教学三维仿真平台的建设，体现了低压配电实验实习教学的本质特点，实现了课堂教学与虚拟实验的衔接和相互促进，建立虚拟实验教学全过程评估的方法，提高教学质量，在虚拟实验教学领域形成可供复制和发展的支撑体系，克服实验资源不均衡、创新能力不足等问题，进而解决应用型本科人才培养面临的规模与质量之间的矛盾，有效地提高人才培养的质量。
参考文献：
[1]黄宵宁.论输电线路虚拟仿真技术在输配电工程应用型人才培养中的价值[J].中国电力教育,2008,(1):120-122.
[2]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报,2001,13(1):
114-117.
[3]李薇.虚拟样机技术的研究和实现[D].杭州:浙江大学,2002.
[4]李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010,(3):34-28.
[5]原彬,熊伟,王祖温.电缆虚拟装配的关键技术及其发展[J].机械科学与技术,2010,29(5):695-700.
（责任编辑：刘辉）
关键词：低压配电；实践教学；三维仿真
作者简介：金友功（1964-），男，江苏徐州人，南京工程学院电力学院，工程师。（江苏 南京 211167）
基金项目：本文系江苏省高校自然科学基金资助项目（项目编号：09KJB470002）、南京工程学院高等教育研究课题（课题编号：GY200917）、南京工程学院自然科学基金项目（项目编号：QKJC2010002）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0174-01
近年来，随着我国经济的迅猛发展，对电气运维人才培养的数量和质量都提出了更高要求。[1]低压配电实习涉及电网用户侧的低压线路、配电设备，其型式和接线繁复，具有实践操作性强，教学组织过程安全要求高的特点，是电气工程及自动化专业的重要的实践教学环节之一。本文所述低压配电三维仿真平台是将虚拟现实与系统仿真技术相结合，构建数字化教学资源，在三维虚拟环境下组织低压配电实验实习。低压配电仿真平台内容主要包含三部分，一是虚拟素材仓库，分类装载地表实验室家具实物、设备部件、实验器具、工作人员等虚拟模型；二是虚拟装配工具，实现模型的修正、替换，电气逻辑的设计、算法关联，实验的组合、装配，脚本的编辑、优化；三是图形引擎，实现室内超精细虚拟场景的高效实时渲染。本文对低压配电三维仿真平台关键技术进行了阐述，对后续深入研究三维仿真技术及其在教育培训领域的应用具有积极的借鉴意义。
一、多体系统动力学仿真
低压配电实验实习涉及的虚拟装配技术的核心理论是多体系统动力学仿真，它的内容就是建立多刚体系统动力学与多柔体系统动力学模型。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统仿真问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。[2]本文以多刚体系统动力学为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在实际仿真系统中采用离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等处理方法，并按照以下三个步骤展开：对实际系统的多体模型进行适当简化；根据模型形成系统的动力学方程；求解动力学方程。[3]
二、三维图形引擎
仿真运算的结果是通过三维场景的形式表现的，要构建精细的大规模室内场景，必须面对庞大的数据，即便是计算速度快、存储量大、图形功能强的图形工作站也往往不能满足实时绘制的要求，另外数据的种类、表现方式各不相同，需要结合最新的三维图形软硬件技术建立起一个通用、高效和运行稳定，专门负责三维数据处理和图像渲染的底层核心，本文称之为三维图形引擎技术。主要需要解决的问题有：稳定通用的场景数据管理；高性能的渲染技术，包括可见性判断、各种层次细节度模型（LOD）等；各种图像效果，如光照、阴影、火光、放电、烟雾等各种粒子效果；准确高效的三维碰撞检测技术。进而解决骨骼动画和逻辑脚本等应用技术，开发出逼真的三维场景。
（1）采用多比例尺综合和多细节层次技术解决高复杂度场景的数据简化与组织。还借助纹理映射技术，不仅可以降低对虚拟场景中对象模型几何复杂度的要求，还能取得比较满意的视觉效果。
（2）空间数据索引算法。超精细室内场景绘制过程中是需要进行裁减的，也就是需要在所有数据中选择那些符合条件的记录，而且为了保持绘制的帧率，必须使选择操作的时间花费最小化。本文进行空间数据选择时，通过建立空间数据索引来快速地访问一个特定查询所请求的数据，例如采用BSP树来进行隐藏面消除，而无需遍历所有的数据集合，从而提高数据查询的效率。
（3）场景绘制中的硬件加速。超精细室内场景对绘制的真实性和实时性提出了更高的要求。实现快速绘制，利用软件方法加快绘制是必要的，而充分利用硬件资源来加速绘制则是十分重要的。在可视化应用中应当首先关注硬件本身性能，通过使用图形硬件编程技术，充分挖掘图形硬件的资源，发挥图形硬件所提供的各种支持功能，提高图像渲染效率。
三、虚拟装配
在低压配电仿真实验实习中进行设备虚拟装配一般需要考虑以下因素：对象的形状及尺寸；空间限制区域和已经存在的固定物的空间位置情况；各对象之间不得发生干涉；对象之间、对象与环境物体之间的最小间距不得小于安全间距；对象在动态运行时不会与周围的物体相碰撞；其它特殊要求。[4]
本文采用鼠标选取对象、移动对象和旋转对象，以及通过键盘输入绝对坐标和相对坐标的操作等；提供一组支持布局设计的辅助功能，比如测量功能（测量两个对象之间的距离和角度等）、查询功能（查询对象的名称、空间位置坐标、方向、长宽高等基本属性值）、计算功能和干涉检查等功能；提供虚拟环境下的动画仿真功能，以模拟设备在运行过程中是否相碰撞；建立虚拟环境下的布局约束机制，设定设备间的最小间距，设定物体的移动特性（即可动或固定不动），设定限制区域的布局属性，当布局违反约束时，系统则以改变颜色或响铃方式予以警告；设备布局可以从重要设备开始，首先将其放置在一个恰当的位置，然后再按照布局序列，将其它设备依次布置到相应的位置。
四、线缆布置
在输电线路仿真中，导线、避雷线、拉线是主要组成部件，线路施工仿真中各类棕绳、钢绳是重要的施工工具。虚拟样机中涉及到电缆、绳索、软管等柔性、可变形物体的布置，这是一个非常复杂的环节，目前国内外的研究尚处在探索阶段。[5]
（1）布线。线缆布线是指按照电气连接的要求，对线缆进行路径规划，还包括辅助部件的分布和配合等。线缆布线的方法主要包括人工智能布线和人机交互布线两种方法。人工智能布线是依靠优化算法为电缆寻找最优的空间位置，使其走向合理，长度最短，固定可靠，检测方便。人机交互布线允许操作人员对线缆进行选择、拾取、移动，并可以使用“点到点”或者“起点与方向”的方法进行电缆的虚拟装配。
（2）线缆几何形状仿真。本文采用基于物理的建模技术，将线缆看作具有质量的连续弹性体，在外力及边界约束作用下进行变形，其过程服从物理定律。该方法依据力学原理建立物体的运动学方程，如悬链线方程，采用数值方法对方程求解，最终模拟到线缆自然变形的平衡状态。
五、结束语
通过关键技术研究实践表明本文所述低压配电实践教学三维仿真平台具有良好的自主性、交互性、可扩展性和安全性，对提升低压配电实践教学手段具有现实意义。
通过低压配电实验教学三维仿真平台的建设，体现了低压配电实验实习教学的本质特点，实现了课堂教学与虚拟实验的衔接和相互促进，建立虚拟实验教学全过程评估的方法，提高教学质量，在虚拟实验教学领域形成可供复制和发展的支撑体系，克服实验资源不均衡、创新能力不足等问题，进而解决应用型本科人才培养面临的规模与质量之间的矛盾，有效地提高人才培养的质量。
参考文献：
[1]黄宵宁.论输电线路虚拟仿真技术在输配电工程应用型人才培养中的价值[J].中国电力教育,2008,(1):120-122.
[2]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报,2001,13(1):
114-117.
[3]李薇.虚拟样机技术的研究和实现[D].杭州:浙江大学,2002.
[4]李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010,(3):34-28.
[5]原彬,熊伟,王祖温.电缆虚拟装配的关键技术及其发展[J].机械科学与技术,2010,29(5):695-700.
（责任编辑：刘辉）