牵引供电系统三维仿真技术研究.docx

    牵引供电系统三维仿真技术研究    （中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津300250）（ChinaRailwayElectrificationSurveyDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd.，Tianjin300250，China）摘要：本文旨在通过阐述和分析牵引供电系统三维建模的需求，研究采用虚拟现实技术实现牵引供电系统三维仿真建模的关键技术，实现对牵引供电系统数字化建模Abstract:Thispaperanalyzesthedetailedthree-dimensionalmodelingdemandsofthetractionpowersupplysystem.Throughvirtualrealitytechnology,thethree-dimensionalsimulationmodelingkeydifficultyisresolved.Amethodofbuildingthedigitalsimulationmodelofthetractionpowersupplysystemisdesignedinthispaper.关键词：牵引供电；三维仿真；技术Keywords:tractionpowersupply；3Dsimulation；technology院TM922.3院A院1006-4311（2014）20-0054-030引言牵引供电系统是列车安全可靠、高效运行的关键系统之一。

对牵引供电系统设备的静态信息、实时动态数据等进行数字可视化、分送存储以及数据融合汇集，为牵引供电系统设备评价方法和智能维修决策提供了技术支持，实现对牵引供电系统设备的全生命周期的维护管理，为高速列车安全和平稳运行提供的决策支持信息，具有重大的意义随着计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术的发展，通过虚拟现实技术结合到铁路供电系统工程建设中，用户可以自由地与虚拟环境中的场景对象交互，产生了一种身临其境的感觉，从而为供电系统的设计者、运营维护检修人员与决策者提供了可视化的决策工具1牵引供电系统建模的难点牵引供电系统静态数字化建模，关键在于需要提供与牵引供电系统实际情况相一致的系统描述，从宏观、中观、微观等多粒度反映不同层次的高速牵引供电系统拓扑关系，刻画系统元素位置及拓扑关系，描述模型元素的逻辑属性等做到准确读取牵引供电系统数据信息，保持数据属性完整性，合理定义数据交换性，高逼真地表现设备实体及实际场景的数字化模型是牵引供电系统静态数字化建模的主要技术难点三维信息模型数据量非常庞大，数据文件的大小、数据格式、建模的方法技巧、贴图的运用都是重要的技术参数，整个模型库从开始的建立到最终的集成，各个环节都需要良好的优化。

三维信息模型数据量的评估也是牵引供电系统静态数字化建模的一个主要技术难点结合各种静态数据及技术标准，有选择地利用三维虚拟仿真技术，建立面向设备的三维信息模型，并结合数据库处理技术，最终构建高速牵引供电系统静态真实感三维模型数据库系统，实现供电系统所有设备的可视化与参数化，为动态仿真奠定基础，为高速列车运行模拟和评估提供牵引供电系统的基础数据2现有的技术情况国内外相关院校和设计单位在列车运行组织与供电系统模拟技术上已经有多年的技术积累和储备研究的主要对象集中在牵引计算、运行图、供电计算三部分进行分别的模拟然后进行静态的分析，这种方法已经比较成熟此外，英国博名汉大学曾经开发过类似的列车运行组织与供电系统整合起来的实时仿真模拟系统，但规模较小、模拟仿真环境较为单一随着我国科学技术的进步以及经济的不断增长，我国的虚拟仿真技术正处于一个关键的上升时期，虚拟仿真技术在相关行业得到一定的运用，这对国内目前牵引供电系统三维建模研究，真实再现牵引供电系统实际三维场景提供了技术上的支持虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，其综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使用户能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。

3牵引供电系统三维建模总体需求牵引供电系统静态数字化建模以变电所、接触网为核心内容，将线路中的各个变电所与接触网的设备构成与设备布局真实的展示出来，展示内容以现场为依据，忠实的展示设备的类型、样式、型号、设备间关系等一系列内容3.1变电所静态数字化建模3.1.1变电所展示内容变电所静态数字化建模的核心目标是：进行牵引变电所设备建模采样，采集牵引供电系统设备地理分布、系统构成、设备参数、运行方式等各种静态数据；研究面向设备的真实感三维建模技术，完成静态数字化三维模型根据目标内容，变电所展示以对现场的忠实的还原为基本原则，以漫游的方式将变电所的布局，构成等信息进行展示具体的展示内容与相关设定如下：淤变电所漫游范围是变电所围墙内的空间以及设备在围墙外的延伸空间于变电所漫游可查看的内容包括整个变电所的空间与设备布局，生产控制间内外设备的类型、型号、主要参数、运行方式等内容盂设备的相关的信息通过点击设备模型，弹出设备信息显示窗口，窗口内显示设备的台账等相关静态及动态信息榆窗口内的内容形式可以包括文字、图片等虞漫游分级设定：漫游时，当画面处于宏观状态，即在总体查看变电所的布局时，点击设备模型，在弹出式信息窗口中显示的信息为该模型所属的设备模块组的信息，比如显示“主变压器”的信息或者显示“生产房间”的信息；当漫游处于查看单个设备的级别时，点击设备，在弹出式信息窗口内得到的是当前设备的详细信息，如：“变压器”的信息。

愚关于漫游分级的设定，仅在信息显示时有明确差异，在漫游控制上无分级，保持连贯性舆场景切换设定，在漫游时，房间内漫游与房间外漫游设定为两个程序场景，需要切换预读余对于展示范围外的场景，考虑实际应用中网络负载的速度，展示范围外的场景均采用简模与贴图的方式代替，并将远景全部虚化3.1.2接触网展示内容接触网展示内容以自动演示为主，配以相关的配音解说和图文说明进行综合展示与变电所静态数字化建模相比，接触网的静态数字化建模不宜采用全手动漫游操作方式，原因在于：淤接触网的组成部分相对较为零碎于部分设备结构长度/高度/跨度过大，不便于进行漫游操作鉴于上述情况，接触网展示形式采用预设展示路径方式结合配音讲解进行展示接触网展示内容以4~5种接触网类型为基准，具体包括以下几个方面：淤接触网的类型说明于接触网的功能说明盂接触网构成形式榆接触网构成零部件设备参数通过全自动方式的展示，可以让用户感受到类似于讲解影片的效果，目的清晰，可控性强对于重点说明的构成部件采用动态效果加强说明效果3.2数据库定义为了系统的后期维护性和综合考虑建模系统延续性升级，设定以下几个数据库：模型数据库、设备信息数据库和动态数据数据库。

各个数据库的具体作用与内容定义如下：3.2.1模型数据库模型数据库主要功能是管理整个建模系统中涉及到的模型数据，以设备模型数据为主模型数据库主要内容为模型本身信息与模型分组信息，其中模型分组按照两个级别进行设定：大模块级别（一级分类）和设备级别（二级分类）大模块级，是包含多个模型（组）为一体，典型形式：“主变压器”为一个大模块、“生产房间”为一个大模块设备级，是包含单个模型（组）为一个单元，主变压器下面的若干组成部分，即可被定义为一个设备设备级中的最小单元是设备信息显示时对应的最小设备模型数据库的数据调用表单与设备信息数据库整体为一套文件3.2.2设备信息数据库设备信息数据库主要保存建模涉及的全部设备信息，包括设备的名称、型号、厂家、功能、性能等一系列信息数据库的初步考虑以下属性：设备模型文件、设备名称、设备分类、设备功能说明、其他等几个部分，其中重点以及难点是设备分类4三维建模需要解决的关键技术问题4.1接触网导线的仿真度由于运营环境中的接触网导线会受到重力的影响，接触网导线不可能是一条直线，而是有一定的弧度，普通的线缆的渲染就不能达到严格的要求通过物理引擎对接触网导线受力的模拟，可以真实的模拟出接触网导线在真实环境的状况。

此外由于三维渲染的影响，较细的接触网导线在光栅化的屏幕上会变成极少的像素点，可能会造成比较严重的锯齿，一方面通过显卡硬件抗锯齿来解决，另一方面通过程序控制接触网导线的属性达到比较好的显示效果4.2资源动态加载牵引供电系统建模是一个庞大的系统，如果全部加载进入场景，势必需要用户等待很久，而且运行效率会受到很大影响应优先加载用户附近的场景资源，在系统运行的过程中，不影响操作的情况下，后台加载剩余的资源，直到所有加载完毕将场景中的资源分割成小块，让每一块的数据加载解析量并不大然后根据用户所在场景中的位置读取最小数据量的数据当用户移动时，利用计算机的闲置时间去读取周围场景，达到动态加载的目的4.3模型数据库设计模型数据库是一个庞大的数据库，要想设计好这个数据库，必须根据提供的资源进行分类、整合，如果数据库分类太细，同级的设备无法获取到，无法获取所需的信息；另一方面分类如果太宽泛，则分类就没有什么意义4.4分类依据分类的依据第一级是设备所属的区域，即变电所和接触网分类的依据第二级是设备的大类，变电所下分为变压器、GIS、断路器、刀闸、隔离开关、互感器、避雷器、开关柜等，接触网下分为基础、支柱、腕臂、接触悬挂、附加悬挂、附加导线安装曲线、保护接地及回流、零部件、特殊部件及其他等。

二级分类下的设备属于同一类设备，在真实装配的情况下可能会根据需要，根据设备规格的不同，选择一种设备进行架设4.5实时数据显示后台数据系统中的数据量庞大，更新速度快，需要找到一个数据传输频率的平衡点，既不能传输太快，造成前后端都有很大的压力，也不能传输过慢，导致系统显示的数据过于滞后，失去了实时数据显示的意义如果数据涉及安全问题，需要在数据传输过程中进行加密，接收到数据时进行解密操作，需要根据实际接口实现一般的最优传输频率为15Hz，本系统可结合实际情况进行调整，保证系统处在最佳的运行状态为使三维建模平台数据可实时更新，可预留与第三方动态数据平台的接口条件，与动态数据平台网络传输协议采用MODBUS规约，建模系统进行规约编写、测试MOD原BUS规约，待测试无误后，采用真实接口从动态数据平台系统中获取实时数据，实现牵引供电系统三维建模平台上实时数据的显示5三维建模发布方式三维建模有基于单机版的CS和基于Web运行平台发布BS两种发布方式CS与BS框架下，三维模型建立是有差异的，其共同点在于：完整还原真实物体；可供虚拟仿真引擎进行仿真及互动编辑；使用相同的操作软件制作；都需要进行贴图绘制两者更多体现在建模的差异上，BS框架下：淤仿真模型的建立要求高，既要考虑模型真实复原，又要严格的控制模型的面数。

于弹体模型的最大面数要控制在10000面以下，否则仿真引擎发布时会丢失模型盂考虑资源的重用，需要把模型拆为解最小单元，在引擎里面使用公用模型进行重组榆模型在进行烘培贴图时，严格控制贴图尺寸及数量必要时是要在引擎内进行烘培基于此，如果以WEB建模方式发布，由于Web版本不能像本地版一样去读写硬盘数据，为了优化用户的体验，避免过长时间的加载，必须采用动态加载的方式，将模型、贴图等资源打包压缩，待到渲染需要的时候再加载渲染，提高运行的效率，同时用户不必在第一次打开时等待过长时间同时通过浏览器访问时需要做好缓存的处理，一些资源是固定不变的，用户在下载过后缓存在本地，在下次打开系统时就。