3D技术在电力和石化行业的应用

3D技术在电力和石化行业的应用1.3D相关技术1.1.什么是3D？3D是英文“ThreeDimensions”的简称，中文是指三维、三个维度、三个坐标，即有长宽、高。今天的3D，主要特指是基于电脑/互联网的数字化的3D/三维/立体技术，也就是三维数字化。包括3D软件技术和硬件技术。1.2.3D建模方法目前3D建模方式大体上有三种：（1）利用三维软件建模：目前，在市场上可以看到许多优秀建模软件，比较知名的有3DMAX,Softimage,Maya,UG以及AutoCAD（附录A:免费建模软件）等等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。利用建模软件构建三维模型主要包括几何建模(GeometricModeling)、行为建模(KinematicModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、对象特性建模(ObjectBehavior)以及模型切分(ModelSegmentation)等。其中，几何建模的创建与描述，是虚拟场景造型的重点。（2）通过仪器设备测量建模：三维扫描仪(3DimensionalScanner)又称为三维数字化仪(3DimensionalDigitizer)。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同：首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。最后，它输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。早期用于三维测量的是坐标测量机(CMM)。它将一个探针装在三自由度(或更多自由度)的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高；其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。人们借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为“飞点法”或“图像雷达”。（3）利用图像或者视频来建模：基于图像的建模和绘制(Image-BasedModelingandRendering,IBMR)是当前计算机图形学界一个极其活跃的研究领域。同传统的基于几何的建模和绘制相比，IBMR技术具有许多独特的优点。基于图像的建模和绘制技术给我们提供了获得照片真实感的一种最自然的方式，采用IBMR技术，建模变得更快、更方便，可以获得很高的绘制速度和高度的真实感。IBMR的最新研究进展已经取得了许多丰硕的成果，并有可能从根本上改变我们对计算机图形学的认识和理念。由于图像本身包含着丰富的场景信息，自然容易从图像获得照片般逼真的场景模型。基于图像的建模的主要目的是由二维图像恢复景物的三维几何结构。由二维图像恢复景物的三维形体原先属于计算机图形学和计算机视觉方面的内容。由于它的广阔应用前景，如今计算机图形学和计算机视觉方面的研究人员都对这一领域充满兴趣。与传统的利用建模软件或者三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像建模的方法成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。1.3.3D引擎（1）渲染器的功能：基本图元的渲染，纹理的渲染，模型和动画的渲染，灯光和阴影的处理等。（2）内存管理：底层内存和上层内存管理底层内存管理：如何分配和释放内存上层内存管理：处理内存的回收在内存有限的情况下能够正确的调度加载释放资源。（3）场景管理：增加场景的复杂度，常用的场景管理的方法有：场景图，八叉树，四叉树，层次细节模型（LOD）。场景图用于动态场景的管理；八叉树用于静态室内场景的管理；四叉树用于静态室内场景的管理；而LOD则可以提高场景的复杂度。很多时候是合作使用场景编辑器和地形编辑器是好的引擎必不可少的部件。（4）三维动画：主要有渐变动画（MorphingAnimation）和蒙皮骨骼动画（SkinnedSkeletalAnimation）渐变动画：包括运动渐变动画和开关渐变动画。在运动渐变动画中，可以改变实例、群组和文本等的位置、大小和旋转角度等属性，也可以使对象沿着路径进行运动。在开关渐变动画中，可以改变矢量图形的形状。无论是哪种渐变动画，只要定义动画开始和结束两个关键帧中的内容即可，动画中各个过渡帧中的内容由flash自动生成。蒙皮骨骼动画：游戏应用中一般将这两种动画结合运用，对主角人物或是运动较为复杂或丰富的角色往往采用蒙皮骨骼动画，而对于大量的简单运动动画则采用渐变动画。（5）特效：粒子系统最为普遍（6）输入输出：Windows可以应用DirectInput处理足够（7）物理系统：最重要的应用是处理碰撞监测：包括刚体碰撞和非刚体碰撞，其实就是处理刚体和非钢体的运动模拟。有许多物理引擎可以实际应用。（8）AI音效的使用2.3D技术在电力和石化行业的应用2.1.电力3DGIS系统电力三维系统平台集成GIS、RS和虚拟现实技术，集成了多源（包括影像数据、DEM、三维模型数据，业务数据）海量数据，客户端可实现三维数据快速浏览、空间分析、三维渲染、功能设计、拓展需求等操作。系统运用三维可视化技术和空间信息技术，构筑了一个“数字电网”，能够实时、直观地了解电网的各类信息，辅助工作人员进行业务管理和决策，从而实现对电网科学、有效的管理，提高电网管理质量和运行效率、降低运营成本。电力三维基础信息平台数据快速浏览电力三维基础信息平台空间分析电力三维基础信息平台功能设计电力三维基础信息平台拓展需求2.1.1电网设备管理系统该系统将电网设施设备进行高精度建模仿真，过程中采用细节层次模型技术，并且在客户端采用缓存技术，实现了高速浏览三维数据的功能，并将电力设备丰富的属性信息包括基础地理信息、自然环境信息、电力设备设施信息、电网运行状态信息等以及视频、图片、影像等多媒体信息集成到系统中，为电网设施设备的管理减少了外业作业量，提高了管理效率，实现了电力工程的智能化管理。日常生产安全管理电网基础信息管理电力设备动态监测可视化运维管理突发事件应急指挥2.1.2电力规划设计辅助系统电力规划设计辅助系统是一个数字化的管理和决策支持系统，系统采用基于高精度的数字地形模型（DigitalTerrainModelDTM）、高分辨率遥感影像以及三维设备模型技术，对电力设计区域在计算机上进行仿真，从而再现了该区域的自然环境，实现了二维、三维同步显示、坐标系实时转换、查看送电线路纵断面等功能。设计部门可以在虚拟的三维场景中进行送电线路路径的规划，进行各种空间分析，使路径走向更加合理，达到缩短线路路径、降低投资成本的目的。该系统的使用可以减少大量的野外勘察工作，减少了工程建设对人民生活造成的不利影响，保护环境，与传统作业相比优势十分明显。线路设计快速模拟排塔软件交互操作区域对象快速切割电网建设环境仿真电网设施风险评估2.1.3电网安全生产管理系统电网安全生产管理系统可以快速直观了解高压输电线路走向情况。输电线路距离长，通道的地理环境复杂，通过该系统就打破了线路巡视人员的视野局限，可以完成电网生产过程监控、电网生产故障查看、电网安全监管与维护等工作，能够对输电线路、电网建设区域进行航行浏览，自定义巡航路线，把握输电区域的总体情况，大幅度减少了外业作业量。电网区域模拟巡线电网生产过程监控电网生产故障查看电网安全监管与维护2.1.4电网应急指挥管理系统我国发生的自然灾害种类繁多，可靠的电力供应是抗灾救灾的重要保证。然而在突发自然灾害中，电网往往首当其冲遭受损毁。而输、变电力设备的监控、自动化信息展示等功能通常是由不同的系统实现。在实际的电力生产活动中需要有统一的平台来集中展示和查阅这些信息。特别是在应急指挥过程中，指挥人员希望了解各方面的信息，以便于决策。但这些信息比较分散，且不易组织，这给应急指挥带来不便。该系统作为统一的展示平台，将监控、自动化等信息在平台上集中展示，这些分散的信息就被有机地组织在一起，方便了应急指挥领导小组对信息的查阅和使用。受损电网设备快速定位突发事件过程模拟应急方案制定与应急演练应急资源调度指挥灾情后果分析与事故处理2.1.5输电线路带电作业3D仿真系统带电作业作为保障线路运行可靠性的重要手段，是一项危险性较大、技术含量较高的作业过程，要求作业人员在具备扎实的带电作业理论知识和良好的技术水平的基础上，具有很高的熟练程度。通过3D动画与电力系统作业过程的紧密结合，将各项作业规范进行动画仿真，将3D动画这一全新方式作为安全教育培训的重要载体，能够在很大程度上解决以往传统培训方式枯燥乏味、员工参与积极性不高、培训效果较差的不良局面，一线员工业务技能水平也将有望得到大幅提升，企业安全生产的基石得到进一步巩固。(详见《3D仿真技术在线路作业规范中的研究与应用》)2.1.6电力抢修三维地图是电力抢修平台的一项新发明，它将类似谷歌的三维地图融合到抢修的可视化管理中，使电力抢修更为直观。抢修工单总数、正在抢修的工单数、在途中的工单数都会在三维监控图上实时更新，通过手动或者跟踪的方式可以在三维地图中找到抢修车辆的准确位置和抢修人员所在的抢修地点。在定位某个抢修过程中，指挥人员可以详细地了解抢修过程的操作人、操作时间等信息。“这个界面给人身临其境的感觉，在三维地图上的抢修车实时定位，仿佛把我们带到了事故抢修现场。”在三维地图上可以清晰看到某个城区的模拟全景图，具体到哪条街道哪个小区都能一目了然。最关键的是，通过三维地图中对城市线路的准确模拟，能很好地监控抢修工单的完成状态。2.1.7基于HTML5技术的电力3D监控应用国网计量中心的四线一库自动化检定系统采用了HT的基于WebGL的3D引擎框架，加入了大量的3D应用。HT的3D引擎设计很独特，完全用面对对象的模式来开发三维场景，将常规2D图形组件的Model-View-Presenter(MVP)设计模式与3D引擎融合一体，这种完全可以控制模型所有属性事件变化的模式还是很独创的，基于这样的设计就没有什么FPS(FramesPerSecond)的概念，因为基于MVP的设计模型可监控所有属性变化，因此如果模型没有变化时，无需进行传统3D引擎那样无谓的刷新。基于事件模式的刷新对于桌面应用可能无所谓，但项目选择基于HMTL5很重要的一点是利用HTML5的跨平台技术，让项目也能跑在Android等移动终端，而对于移动应用来说如果不断进行无谓的刷新对于移动终端耗电可是个大问题，下面为几张移动平板的项目图：HTML5性能肯定不是最高，但对企业应用足够高效，HTML5标准不可能所有浏览器都一致实现，但对于企业应用已经足够工作。选择正确的引擎框架，进行合理的设计才是关键，HTML5真的已经Ready！项目选择HTML5除了看中JavaScript动态语言的灵活性，能够很好的和其他异构系统融合到页面外，HTML5的跨平台性也是项目看中的重要原因，以前PC桌面应用上采用Flex和Silverlight到是可以跨平台，但如今的系统还不能上移动终端实在就说不过去了，而Flex和SL在跨移动终端方面就卡壳了，虽然有AIR可以导成nativeapp应用，但还是远不如HTML5纯页面来的高效，每次修改任何东西PC上都可以模拟测试，看看ChromeDevToolsforMobile越来越炫的ScreencastandEmulation功能：传统的3D引擎一般只提供后期三维模型的