三维虚拟仿真在配电网工程典型设计中的应用探究_技术交流_机械工业北京电工技术经济研究所

>技术交流

三维虚拟仿真在配电网工程典型设计中的应用探究

作者: 孙泰龙 (国网泰州供电公司)  来源: 时间:2019-05-28

摘要:为实现配电网工程建设的标准化,本文以统一规划、统一标准、安全可靠、坚固耐用为原则,在遴选《配电网典型设计》的基础上,梳理施工流程作业工序、作业方法和工艺要求,运用三维虚拟仿真来形象生动地描述配电网10kV及以下架空线路和配电变压器等工程的施工工艺、管控要点和注意事项,促进国网典型设计标准化建设工艺落地生根,从而最大程度降低工程建设管控成本。

关键词:配电网工程;典型设计;建设标准化;三维虚拟仿真

 

     三维虚拟仿真技术给用户营造的是栩栩如生的配电网工程典型设计模型,用动态且交互的方式对配电网工程典型设计进行全方位的审视[1,2],这是传统设计图纸和预渲染回放的三维动画所无法达到的,具有高的应用价值。

 1  配电网工程典型设计的3DS MAX建模及模型简化方案

1.1 配电网工程典型设计的3DS MAX建模

    基于构建配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统的要求,建模的基本流程为:就配电网工程典型设计的设计图纸或实物结构进行详尽分析,对主要部件进行拆分操作;根据设计思路,对部件图纸进行草绘,利用拉伸、陈列等操作添加附加特征来完成部件的整体制作,使用倒角、拔模等操作完成特征修饰;进行组装、部件镜像和阵列等操作,完成配电网工程典型设计模型的装配。

1.2 配电网工程典型设计的实物三维设计模型简化方案

    配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统是基于真实场景构建的,为符合实时渲染图形引擎对模型的要求,在模型制作过程中要尽量简化[3],即在对实物(如变压器)进行仿制的过程中,必须抓住实物特征并对原型做出必要简化,突出主要部分而略去次要部分,集中反映实物本质的特征或人们最感兴趣的部分[4]

1.2.1 实物装配结构的简化

    如变压器的实物通常会包含铆钉、螺帽、螺钉等连接件,这些连接件是否显示、部分显示或全部显示通常不会影响配电网工程典型设计的展示效果,故可以在不影响展示效果的前提下对实物构建结构进行简化(如图1所示),即遍历实物结构来获得子零件,判断遍历出的子零件是否满足要求,如果满足要求则删除这个子零件的引用,否则忽略并进行下一个子零件的判断。

001.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



   

图1 实物装配结构的简化

1.2.2 实物三维模型几何外形的简化

    (1)细节特征的简化

    实物细节特征主要包括小孔、倒角、凹槽等,细节特征的简化主要是指去除实物中与实物总体参数相比很小,对配电网工程典型设计三维可视化展示结果的影响很小或可以忽略不计的细小特征,从而提高配电网工程典型设计展示的效率。

    由于特征之间具有约束关系,因此根据特征是否被其它特征依赖,可以将特征分为独立特征和具有依赖关系的特征,如图2所示,F3、F4、F5 特征为独立特征,如果满足条件则可直接删除;特征F2被其它特征引用,即具有依赖关系的特征,不能直接删除。针对具有依赖关系的细节特征,本位采用在抑制某个特征时,首先搜索找出该特征的所有子特征,然后消除与所有子特征的依赖关系,使之变成一个独立特征,最后再抑制此特征[5-7]001.png

 

 

 

 

 

 

 


 

图2 特征依赖关系

    细节特征的简化流程如图3所示:获得实物的细节特征,然后判断遍历出的细节特征是否是独立特征并且满足要求,如果满足条件则删除这个独立特征,否则忽略并进行下一个细节特征的判断;如果第一次遍历完成后,有细节特征被抑制,则有可能有依赖特征重新暴露变成独立特征,此时需要进行第二次遍历,如此循环,直到某一次遍历过程中没有发现任何独立特征,则结束对独立特征的循环;独立特征循环结束后,重新对实物细节特征进行遍历抑制依赖特征,依赖特征遍历过程同独立特征遍历过程相似,唯一不同的是仅需要对实物中的细节特征遍历一次。

001.png

图3 细节特征的简化

    (2)特征依赖关系的简化

    如图4(a)所示,实物由三个基本特征(基体1、凸台1、凸台2)以及三个辅助造型对象(基准面1、草图2、草图3)组成,其中基准面 1是通过引用基体1的拓扑面用平行距离定义的,草图2基于基准面1创建的,草图3则是直接基于凸台1的斜面创建的,由此可在特征及辅助造型对象之间定义引用关系图,如图4(b)所示,并称之为造型对象依赖图。001.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图4 特征与造型对象依赖图

由于特征对象及辅助造型对象在创建上是有严格的时间顺序,因此造型对象依赖图是一个非循环有向图,其中的每一条有向边代表造型对象间的引用关系,由被引用者指向引用者,可知这种引用关系也是一种直接引用关系。若用表示特征的拓扑对象(面、边、顶点),则子特征直接依赖于父特征的关系有直接引用和间接引用两种情况,即(其中表示特征引用关系)

  直接引用:001.png

间接引用:001.png

因此,为消除特征001.png001.png 的依赖关系,只需替换所有直接或间接被引用的拓扑对象001.png。在此本文采用的方法是首先复制一个等价于001.png的拓扑对象,然后修改引用者(特征或辅助造型对象)的定义,使其指向复制的等价拓扑对象。

若用001.png表示复制的等价拓扑对象,替换后的引用关系为:

  直接引用:001.png

间接引用:001.png

 

1.2.3 实物三维模型轻量化处理

    经过装配结构简化、几何外形简化后,三维模型数据中依然包括大量的冗余数据,如实物属性信息(名称、重量等),因此简化后的模型仍需要轻量化处理,进一步减少模型的数据量,提高模型的显示速度[8]。具体操作为:采用非几何信息过滤算法来剔除复杂冗余的非几何约束信息,只保留几何数据,此时实物模型中主要包括属性信息和结构信息;遍历实物结构,提取所有子装配体和组件信息,获得各模型对象的装配相对位置(相对变换矩阵)以及装配配合关系,以支持轻量化模型的精确显示;对几何模型中的面和边进行三角化,其作用是为了提高三维模型的显示速度,模型的显示数据包括三角化面、三角化边和以及点信息;对曲线、曲面进行简化,抛弃模型几何信息的精确数学表达,采用三角形网格表达实体。

2  配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统的详细设计

2.1 系统的总体架构

    根据应用需要和服务层次,系统采用如图5所示的架构,整体划分为硬件设施层、数据层、应用层和界面层,其中硬件设施层是系统构建的基础;数据层主要用于存取、维护和管理系统运行过程中的工艺数据、生产数据、三维简化模型等,是进行配电网工程典型设计三维可视化的基础(数据层主要包括两部分数据,一部分如施工工艺数据等存储在数据库当中,另一部分如三维简化模型数据等通过文件服务器来进行管理);应用层是系统应用功能实现的核心,主要包括可视化装配结构管理、三维简化模型管理以及配电网工程典型设计展示;而实现操作人员与系统简单交互的界面层,主要包001.png含配电网工程典型设计三维可视化界面、可视化装配结构重构界面、三维简化模型提交界面[9]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 

 

图5 配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统的架构

2.2 系统的功能模块

    第一,可视化装配结构管理。作为配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统的基础模块,可视化装配结构管理主要用于构建实物可视化装配结构(可视化装配结构以结构树的形式存在),并且可执行实物可视化装配结构的添加、修改和删除操作。

    第二,三维简化模型管理。三维简化模型管理主要将简化后的模型导入到系统中并与其他相关模型关联起来,构成完的施工工艺流程。三维简化模型管理模块包括提交简化模型、删除简化模型等,所有模型只需导入一次即可在系统中共用。

    第三,配电网工程典型设计展示。在配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统中,用户可以实现施工工艺展示、三维简化模型查看和三维仿真动画展示,通过生动丰富的工艺展示手段来完整有序的展示施工工艺信息、管控要点和注意事项,从而增加施工工艺的可理解性和可执行性。

    第四,用户管理。配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统具有较高的保密性要求,因此采用基于角色的访问控制技术,只有被赋予相应的角色才可以操作本系统的相关模块功能或浏览相关信息,而用户管理模块主要管理用户基本信息、给用户分配角色、划定角色的权限等功能。

    第五,系统管理。该模块主要对系统进行基本管理,包括系统配置、系统安全管理及基础信息管理(如人员信息),其中有些基础信息是在系统建立初期一次性导入的,有的则是在后期维护时加入的。

2.3 系统的安全性

    配电网工程典型设计中涉及的数据量巨大,为了确保经网络传输和存储的数据不会发生丢失、篡改和泄露等问题,在配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统的设计中重点考虑了数据传输和数据存储等两个方面的安全性,具体说来:

    一方面,数据传输的安全性。为确保配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统运行中数据传输的安全性,采取了如下措施:数据加密技术的应用,即将加密校验的数据域(由密钥对原始数据经特定加密算法获得)植入到数据包传输过程中,一旦数据传输过程中发生篡改现象,那么接收端收到的数据将无法通过合法性校验;多重校对机制的运用,即为了防止数据传输中发生丢失问题,在数据端上操作记录后,将联机明细和操作明细与后台进行校对[10]

    另一方面,数据存储的安全性。为确保配电网工程典型设计三维虚拟仿真系统运行中数据存储的安全性,采取了如下措施:数据库安全性的保障,即任何直接或间接访问后台数据库的操作都必须经过授权认证,只有通过授权认证的人员才有权执行相应操作;终端机数据安全性的保障,即在终端机上必须输入正确的用户名和密码,方可登录到系统中,并且不同职别的人员登录系统所看到的内容和操作功能是不同的。

3   结束

    综上所述,在三维虚拟仿真技术的支持下,虚拟配电网工程典型设计代替了传统的抽象图纸以及用来解释、分析和讨论设计思想的描述性文件,将配电网工程典型设计的信息收集、整理和归纳起来,并以作业流程为主线,以工艺质量为重点,将配电网典型设计的施工工艺、管控要点和注意事项等以生动的三维图形环境展示在用户面前,使用户能认识特定的元素并根据空间位置和比例尺大小等调整视线,以达到最大限度降低工程参建者文化水平和业务能力要求、减少管控成本的目标。

参考文献:

[1]史晨星. 配电网工程典型设计和标准工艺的应用研究[J]. 内蒙古科技与经济, 2017(20):67-68.

[2]江月,黄瑶,张帆,等. 一种配电网工程设计仿真培训系统及方法:, CN103605866A[P]. 2014.

[3]冯美芳, 王晓磊, 莫云中,等. 基于3DMAX的用户配电房三维设计软件系统的开发[J]. 电子技术与软件工程, 2017(2):57-58.

[4]杨成顺, 黄淮, 戴宇辰,等. 基于CIM的配电网三维可视化关键技术研究与实现[J]. 电力科学与工程, 2017, 33(5):6-10.

[5]江晨豪. 基于Unity3D的CAP1400虚拟电厂的设计与实现[D]. 2016.

[6]基于Unity3D的虚拟输电线路巡视培训平台设计[D]. 2017.

[7]基于Unity3D的多平台虚拟仿真关键技术研究[D]. 天津工业大学, 2016.

[8]乔毛毛.基于Unity3D的虚拟仿真训练系统的设计与实现[D]. 西安电子科技大学, 2014.

[9]刘书刚, 李怡璇. 基于Unity3D的反窃电培训系统设计[J]. 微处理机, 2017, 38(5):70-72.

[10]王爱丽, 程方会. 基于3DMAX和Unity3D的三维虚拟产品展示系统[J]. 电子技术与软件工程, 2017(3):58-58.

 

(收稿日期:2019-01-20)

 


上一篇:直流侧短路电流对城市轨道交通供电的影响及... 下一篇:电力安全工器具检查试验管理与技术探讨研究