基于OSG与CEGUI的电力设备虚拟装配关键技术探究

赵 坚，黎大健，秦 楷

（广西电网公司电力科学研究院，广西南宁，530023）

0 引言

伴随着国内经济的高速发展，对电能的需求正在快速扩大，为了满足进一步需求，国家加大了电力行业基础建设的投入，包括电网技术升级、优化电源布局，建设超高压电网等。电网升级和超高压电网建设中，大型输变电等设备的升级改造、安装维修等工作任务繁重，另外电力设备的检修安装都存在相当危险性与复杂度，如何快速培养一批技术熟练的工程师，给电力事业的建设提出了挑战。

近年来，虚拟装配技术受到了学术界和工业界的广泛关注，并对虚拟制造等先进制造模式的实施具有非常深远的影响。用户通过建立其产品的数字化装配模型，通过虚拟装配技术，在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，并且用在此虚拟环境中制造的虚拟产品代替传统设计中的物理样机，这样，为设计人员对产品装配过程的模拟和分析提供了便利，使产品装配性能的预估值更为准确，更使产品的潜在装配冲突和缺陷得到及早的发现和反馈，可以极大的缩短产品的开发周期，降低其生产成本，使其在市场中的竞争力大幅提高。

1 虚拟装配技术

1.1 虚拟装配技术分类

根据实现功能和目的的差异，关于虚拟装配的研究大体可以分为以下三类：以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配。

(1)以产品设计为中心的虚拟装配。

在产品设计过程中，为了更好的协助与装配相关设计决策的执行，需要运用在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的计算机技术，它结合面向装配设计的理论方法，从设计原理方案的角度出发，在各种因素的制约下寻求装配结构的最优解，并由此拟定产品的装配草图。该技术以全面改善产品的可装配性为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零件结构设计中不合适装配或性能不好的结构特征，由此进行设计修改。从技术角度来讲，最终要保证所设计的产品合理可行；而从经济角度来讲，又要尽可能的降低产品的总成本，此外，还要兼顾环保等社会因素。

(2)以工艺规划为中心的虚拟装配

产品的装配工艺设计过程中存在着工艺规划问题，于此，采用计算机仿真和虚拟现实技术，基于产品的信息模型和装配模型，可以获得较优的装配工艺方案来指导实际的装配生产。根据工艺规划所涉及的范围和层次，可将其分为系统级装配规划和作业级装配规划。系统级装配规划是装配生产的总体规划，主要包括市场需求、生产规模、投资状况、资源分配、装配车间分布、装配生产线平衡等内容，是装配生产的纲领；作业级装配规划是指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划，工艺路线的制定，装配路径的规划，操作空间的干涉验证等。以工艺规划为中心的虚拟装配，其操作仿真的逼真度非常高，如虚拟装配的实施对象，操作过程，以及操作过程中所用的工具及辅助材料等，都需要与生产实际情况高度吻合，以生动直观的反映产品装配的真实过程，使得仿真结果可信度高。

1.2 虚拟装配的关键技术

(1)三维场景建模技术

虚拟现实系统中存在很多不同的场景模型，如果这些模型都用三维渲染引擎自身代码生成的话，系统的开发效率会极其低下，因此，在实际的开发过程中，工作人员要先用三维建模软件构建出所需的各种三维模型，然后再通过引擎插件将这些构建好的模型文件导入到场景中来，这样，不仅提高了工作效率，而且会加大开发人员之间的合作力度，使得非计算机相关专业人员也能够致力于系统的开发。

而在这些三维建模软件中，Maya可谓一枝独秀，其独特的界面设计，合理的快捷键组合，与其他建模软件相比，极大的提高了开发效率，可谓事半功倍；此外，3ds Max的表现也不俗，因此，在此次系统的开发中，我们选用了这两款三维软件来构建场景模型。

(2)三维实时绘制

三维图形的绘制已经有几十年的研究历史，技术相对较为成熟，由于图形数据量庞大，而受到计算机硬件处理能力的限制，图形的渲染与绘制需要一定时间，而在三维仿真系统中希望图形能够进行实时绘制，这也是关键问题之一，例如在变压器线圈绕制仿真过程中线圈图形的刷新率要求非常高。

(3) 碰撞检测

三维场景漫游中不可避免进行大量交互，而交互过程中的碰撞必然会导致三维实体间的交错，因此必须通过碰撞检测技术规避这类交错问题。根据场景中模型的形状情况，本项目将考虑在两种碰撞检测算法中选择。

① 如果模型多为规则图形，则采用包围盒树法进行碰撞检测，的核心是将物体简化为多面体或球体，计算两待测实体中心点的距离与它们半径之和的关系，以此来判定两物体是否可能碰撞。

② 如果模型多为非规则图形，采用空间投影的方法，将不规则物体投影成一个较规则的物体来进行碰撞检测，或采用缩放的方法，将一个物体缩小而另一个物体相应地放大，同样可以加速碰撞检测.

1.3 多分辨率模型调度

为了实现场景模型的实时绘制与渲染，解决模型数据量庞大的矛盾，可以通过多分辨率模型调度的方法解决，即将三维场景模型进行多分辨率处理，处理后的不同分辨率模型间的数据量将进行数量级程度的减小，系统在进行三维场景显示时会根据视场远近自动调用相应分辨率的模型进行显示，从而大大提高三维场景的绘制效率与渲染效果。

2 电力设备虚拟装配系统设计与实现

2.1 系统架构

（1）三维仿真显示平台

整个三维仿真显示交互平台总共分为三层。

第一层为数据驱动层，驱动三维装配模型进行装配路径规划、动态装配、约束加载、干涉检测。

第二层为功能层，实现模型装配过程中实时交互以及文字、图片提示，实现变压器生产过程中相关设备的功能仿真，实现变压器零部件运动仿真

第三层为渲染层，主要进行界面、设备模型和场景模型的渲染与显示。

（2）模型库管理系统

本系统主要对两个库进行管理：三维模型库、场景模型库。

三维模型库以装配体为单位组织管理零件模型，最小粒度为零件模型，在装配仿真过程中以装配体结构查找调用零件模型。

场景模型库主要管理装配模型所在的环境模型或者外围设施模型

（3）三维模型创建

三维模型库中变压器相关设备的模型创建可以根据具体精度需求采用：CAD/Maya/3DsMax进行建模与装配，并保存于三维模型数据库中。

场景模型库中模型主要通过Maya/3DsMax进行建模实现，并保持与场景模型库中。

2.2 系统具体实现

（1）OSG渲染线程模块

OSG渲染线程模块是整个虚拟装配系统的核心模块，该系统负责场景的动态渲染和显示。该渲染线程流程图如下：

图4-2 OSG渲染线程流程图图2.OSG渲染流程

（1）CEGUI界面线程模块

图4-3 CEGUI模块图3.CEGUI界面流程

CEGUI模块是负责与用户交互的模块，通过得到输入系统的信息，为OSG渲染模块提供渲染信息，如图3。

（3）OSG渲染线程模块与CEGUI模块通讯

用户通过鼠标键盘输入设备输入信息，CEGUI模块接收用户的输入信息后，将其传送给控制台后台主模块，主模块通过相关算法和处理机制，对接收到的信息进行处理和过滤，对信息进行优化处理，并将优化处理后的信息连续的传送给OSG渲染模块，OSG接收信息后，即根据信息要求，渲染更新场景，并将渲染后的信息通过显示器反馈给用户。

图4.OSG与CEGUI通讯流程

2.3 系统实现案例

（1）线圈绕制初始化状态仿真

图6.线圈绕制仿真

图1.系统架构

4 结论

本文以变压器虚拟装配系统的实现过程为线索，主要完成了以下工作：

深入研究虚拟现实技术的特点，历史以及现今虚拟现实的应用范围，探索了一个完整的虚拟现实系统的组成，研究了虚拟现实技术在仿真行业的现状，以及国内外在虚拟现实上实现的成果，了解目前业界比较流行的虚拟现实开发软件。

针对高压/超高压电力设备的装配与检修的复杂性与安全性，提出一种适合高压/超高压电力设备的虚拟装配系统架构，并在此基础上提出了基于CEGUI与OSG结合的界面设计、建模、渲染显示、交互控制等等关键技术与方法，并最终实现了一套以输变电为主的电力设备虚拟装配仿真系统。

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