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电力三维仿真系统案例-太原供电公司电力工程沙盘推演仿真系统

石开三维仿真系统介绍：

石开三维仿真系统是由石开软件开发公司经过5年时间自主研发，并享有著作权的一套虚拟模拟现实场景的应用软件。石开三维仿真系统在各个行业应用广泛，其中在电力、铁路和房地产行业尤为突出。我们的三维仿真系统-电力三维仿真在太原供电公司、襄阳供电公司等大的供电公司得到推广和应用。详细的三维仿真系统介绍请查看：石开三维仿真系统。

太原供电公司三维仿真系统案例介绍：

一.引言

根据地形图或实地地形按一定比例用泥沙等材料制作的实物沙盘具有立体感强、形象直观等特点，在军事、工业、教学、旅游及房地产开发等许多领域都有广泛应用，常用来制作经济发展规划和大型工程建设的模型，颇受计划决策者和工程技术人员的青睐。但实物沙盘由于占地面积大、携带不便、表现方式单调、表现内容有限且难以更新，己不能适应当前科学管理和规划、决策的要求。

随着计算机软件和硬件技术的发展，今天在很多领域己采用数字沙盘替代模拟沙盘。数字沙盘是计算机技术、多媒体技术发展的产物，它运用三维显示技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成三维的计算机坐标，并通过光学处理模仿真实世界显示。与实物沙盘相比，数字沙盘具有快速、简便、精确、灵活等特点，而且可以动态展示，同时可以对参数进行修订以获取更加丰富的展示效果，应用领域更广泛。电力沙盘的应用同样也得适应当前科学发展和规划，随着社会的进步和发展，电力体系也越来越复杂，对供电可靠性的要求不断提高，对工作人员的技术水平、业务熟练程度等提出了更高的要求，目前，电力应用较多的培训是仿真机盘，大都是建立在物理平台上，但随着电力系统的发展，电力设备更新换代日新月异，使得仿真机盘台在不长时间就与真实变电站平台形式不兼容，从而不能达到有效地培训效果，而《数字沙盘电力三维数字沙盘系统》是现代电力事业的必然成果。

二.传统沙盘、多媒体沙盘、数字沙盘的综合分析

1.实物沙盘

实物沙盘制作以项目的地形地貌为基础，集中展示重点景区、公路交通等资源、基础设施的等建设分布情况；实物沙盘集中展示了重点景区、公路交通、交通线路规划、景区等情况。
实物沙盘是以微缩实体的方式来表示地形地貌特征，并在模型中体现山体、水体、道路等物，主要表现的是地形数据，使人们能从微观的角度来了解宏观的事物。地形模型的应用范围及其广泛，主要运用的行业有：政府、交通、水利、电力、公安指挥、国土资源、旅游、人武、军事等。

2.多媒体沙盘

多媒体沙盘由4个主要部件组成：图文扫描仪、中心电脑、电子驱动器、“传统沙盘 ”。通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术与实体模型相融合，凭借其动感的，鲜明的三维立体画面，把现代电子技术与老式沙盘相结合，使古老的沙盘获得新生。但是关闭多媒体沙盘的光影效果时，可以认为这就是一个传统的沙盘模型，是纯静态的。多媒体沙盘通过其互动、参与、感受、体验等手段，被广泛的应用于科技馆、博物馆、多媒体展厅、房地产展厅、多功能会议室、展会。

3.数字沙盘

数字沙盘是可以根据用户需求制作实时浏览的三维立体数字沙盘。可以模拟飞行和游览过程，并能显示地理坐标和高度信息。其中虚拟数字沙盘内容可包括：矢量的专题地图、栅格的卫星影象上、数字高程模型三者结合，形成三维虚拟现实的数字沙盘，可以根据需要标注如地名、路名等文字信息；在三维环境中以任意调整高度、角度进行浏览；可以填加建筑物、道路、树木、人物等三维设施；可以任意查询详细属性、照片、录像等信息。数沙盘与现在已有的电子沙盘相比，除了数字沙盘具有的效果外，它对规划景观的展现更具有立体直观的演示效果，恢复了沙盘本来的含义，并且不再需要实物沙盘；虚拟数字沙盘与传统沙盘模型相比，能实现实物沙盘不能实现的功能，如对局部区域进行缩放显示。并且，同一个沙盘的演示区域，可以实现多个沙盘的功能。因此，它的应用领域更广泛，具有真实、立体、快速、简便、精确、动态的特点，以获取更加丰富的演示效果。

三.数字沙盘三维仿真关键技术

数字沙盘的研究与开发在国内外己经有较长的时间。目前的研究主要集中在场景的三维建模以及基于Gls 的动态可视化方面。虚拟现实技术为数字沙盘的交互性提供了一个很好的实现途径，目前对虚拟现实技术在数字沙盘中的应用主要集中在采用VRML构建三维场景，达到形象、逼真的目的。在交互方面，引入虚拟现实技术后主要实现了实时改变场景观察的方位、角度和距离、沿某一路径运动视觉模拟以及跨图幅大范围的三维漫游观察。

基于GIS 的虚拟场景与实际场景的无缝融合技术研究，对于主体是大规模三维虚拟地形场景的沙盘，利用现有虚拟现实地理信息系统（VRGIS ）方面的研究成果是一个很好的选择，可以借鉴成熟的VRGIS 的虚拟场景生成渲染技术对沙盘的三维地形模型进行实时渲染。然而在完成虚拟三维地形模型的建立以后，必须考虑其与实物沙盘的融合问题。因为沙盘的周边存在一定的光照环境，向实物沙盘中嵌入的虚拟场景必须与此光照环境的强度、方向、构成的阴影等方面吻合，另外还有实物沙盘中的实物模型与虚拟场景中的物体可能存在的遮挡问题等在VRGIS 的相关研究中不需要涉及的问题。而这些问题是三维仿真数字沙盘为了达到虚实“无缝”融合必须考虑的问题。

数字沙盘三维仿真系统是在矢量地图数据管理与显示子系统和多媒体信息管理与显示子系统的支持下，把虚拟现实的理论与技术应用到现场地形环境仿真领域形成的技术系统，是工人认识战场地形环境、替代或部分替代实地考察工作的有力工具。数字沙盘仿真系统还为施工指挥和培训提供了极大方便，它可以为各级工作人员和指挥人员提供一个三维的、动态的、可交互的作战模拟地形环境，为工作人员和指挥人员提供可视化的交互式培训的虚拟环境，极大地提高了培训效果，同时还为领导人员提供更直观的视觉效果。将三维仿真技术运用于数字沙盘中，可以充分利用现有三维仿真技术的研究成果，如三维仿真显示技术、精确注册定位技术等，研究现有技术成果在数字沙盘中的应用模式，但除此之外还必须关注一些以前在三维仿真应用领域并不突出的问题。综合考虑三维仿真技术的研究现状和数字沙盘系统的特点。虚实场景中虚实对象添加与移除技术研究在虚实场景中进行虚拟三维对象的添加与移除是三维仿真技术研究的热点之一。

三维仿真数字沙盘是实物沙盘与虚拟数字沙盘的统一体，在沙盘上进行的操作应该既允许虚拟三维对象的添加与移除，也允许实物模型的添加与移除，并且可能多个使用者同时在沙盘上进行不同的操作，因此，将三维仿真技术运用于数字沙盘需要研究在虚实场景中添加与移除虚拟对象的方法以及在对象添加或移除后对虚实场景的影响。

四.电力三维数字沙盘功能

电力数字沙盘系统以三维可视化的方式对输电线路工程建设过程进行全方位、全寿命周期的交互式管理，将海拉瓦数据和勘察设计资料有效融合，在线路建设过程中实现设计、施工数据的标准化和全数字化移交，为输电线路施工管理提供包括：全息化的二、三维施工环境展现、渐进式的施工进度管理、全阶段的数字档案管理和应用、智能化的施工技术管理、可扩展的外部系统交互接口等在内的多项重要功能。本项目还提出了基于海拉瓦技术的“虚拟交桩”概念，设计院直接使用数字沙盘向施工单位交桩，该方式是线路建设过程中一个重要的流程创新，它提高了工作效率、一定程度上避免了桩位丢失和抢种抢盖、减少了通道清理费用，减少砍伐，有很好的环保效益。本项目所完成的数字沙盘系统可以直接应用所有符合标准的数据，包括：二维影像数据、二维矢量数据、三维地形数据、三维模型数据、设计资料数据、施工管理数据。施工过程中的信息可以在系统中实时流转和展现。

五.数字沙盘三维仿真实现步骤

1、场景仿真：我们对常见的线路杆塔、电力设备以及铁路、道路、桥梁、房屋、水库各种环境各种关键要素进行了模块化设计，可以通过对模块布局、直观、形象、迅速的创建仿真场景，现实环境三维真实再现，利用数字地形模型、高分辨率遥感影像构建三维场景，采用数据驱动的方式，快速生成电塔、电线等电力设施的三维模型，在三维平台中对各种数据进行分层显示。同时，允许用户在三维场景中交互式的完成场景浏览、漫游、定位、剖面分析等功能，以全方位、直观、形象的方式再现地形、地貌，辅助领导正确决策，作业更方便、快捷算。复杂的施工场景可以固化用于以后在此特殊场景的安全风险防范。电力三维数字沙盘系统将与电力设施相关的设备（变电站、线路杆塔、以及铁路、道路、房屋等各种关键要素）及属性信息与相应地理空间数据有机地结合在一起，可进行空间数据与属性数据的统一管理及交互操作，具有直观的图形表达形式以及欠打的空间分析。是电力企业施工、维修的行之有效的辅助工具。

2、模拟推演：在仿真的场景基础上，结合现场勘查记录进行危险点分析，并编制现场作业指导书，并按作业指导书的要求准备工器具材料、布置落实安全技术措施，对现场作业进行分工安排。电力三维数字沙盘的虚拟空间是动态的，可操纵的，我们可以借助于一些专门的外部设备（如普通键盘、鼠标或游戏柄）以自然地方式来操纵电力虚拟环境的设备，电力虚拟环境可对这种操纵做出相应（根据三维系统仿真算法），以完成电力三维沙盘仿真演示。基于本系统可以实现在统一安排和指导下建立起电力设施相关的设备管理系统，通过智能化的物理和逻辑资源管理，结合GIS地理信息系统技术辅助实现电力设施相关的设备和输电网络组织的优化，为维修和指挥部门提供有分量的分析；实现地图显示电力设施的分布和管理；实现电力设施相关的设备基本数据模型的建设和维护管理；实现对电力设施相关的设备在维修时准确无误进行指挥操作。

3、推演回放：在模拟推演结束以后，通过回访现场安全技术措施布置的流程、要求、作业分工、直观、形象、有效地进行作业人员的安全技术交底。电力三维数字沙盘的意图为便于电力使用企业在电力施工抢修时的指挥演示操作、培训提高电力抢修人员的业务技能、规范基层电力抢修人员业务操作、准确定位到故障发生地点。对电力系统而言，利用虚拟环境来练习员工熟悉环境设备与操作那些复杂且不能出错的设备，并做考核，不仅增加了员工的学习爱好与效率，而且节省了许多费用，也大幅降低了新手操作的失误率。而且虚拟环境的工程造价低，运行费用低，维护工作量小，升级轻易。虚拟现实技术作为一种新型的培训方式，其经济效益和社会效益是显而易见的，具有广泛的应用前景。

六.预期目标

1、电力三维数字沙盘以三维空间为基础，以杆塔设备等电力设施为元素，将配网线路、变电设备（变电站、杆、塔、开关、变压器、重合器等）、安全工器具（接地线、围栏、警示牌等）、地理走向现状（交叉跨越、道路、房屋、河流等）制作成专业模块（实际物体的缩小版）。提供一个便于操作的三维绘图工具，便于工作人员利用制作好的三维立体模块，按实际地理走向摆放好线路、设备、安全工器具等，组合成三维的电力线路施工、检修模拟施工现场。直观的模拟施工现场，能够展现施工现场环境，如道路、河流、其他管线等交叉跨越情况。让施工人员清楚、直观的了解作业现场。并能够模拟现场安全措施的布置情况。 2、要求图形的绘制速度、逼真度、分辨率都很高，能够无极缩放，并能从不同视角观看。虚拟的电力施工环境给人一种身临其境的现场感，将人与电力现场环境融为一体。建成的三维电力施工现场的虚拟空间是动态的、可操纵的，我们可以借助键盘、鼠标来操纵虚拟的环境、设备，虚拟环境设备根据三位系统仿真算法对这种操纵做出响应，以完成现场的仿真。像搭积木一样，操作简单易懂。

七.电力三维数字沙盘经济社会效益分析

建立电力三维数字沙盘是教育投资，将产生极大的经济效益和社会效益。主要表现在：（一）、一次性投入终生使用，软件正常使用后，所有的场景及模型都可以再后期制作或修改，不像实物沙盘那样成为一次性产品而不能修改（或成本太高）。（二）防止或减少误操作事故，为保证正确操作奠定基础。误操作事故尤其是严重误操作事故将带来严重的人身伤亡、停电和设备损坏事故，给电力生产本身造成严重后果。避免误操作事故带来的严重后果和造成的巨大的损失，为尽快减少误操作发生的次数，电力仿真系统将发生重要作用，这也是该项目主要效益所在。（三）、电力三维数字沙盘使设备运行故障处理及时、快速。经电力仿真系统培训后，故障判断水平提高，解决了因值班人员不会判断、判断不准等误判问题，便于操作人员处理事故得当、正确，防止事故扩大;便于检修人员针对故障性质，作好人员配备和带好备件，做到现场处理针对性、准确性强，缩短停电时间，减少停电损失。（四）、缩短停送电操作时间。因操作能力提高，操作程序和具体操作熟练，使变电站正常的停送电时间缩短。（五）、因有二次系统培训，可提高检修人员素质，使变电站二次系统检修质量提高，处理时间缩短。（六）、提供考试考级现场，题库齐全，判题迅速，节约了大量出题人力，现场制造假故障时间，减少应试人员等待时间。总之，电力三维数字沙盘应用后，经济效益十分明显，对杜绝和减少操作事故，提高故障处理能力，确保变电站安全运行等方面奠定了坚实的基础，对减少事故本身的直接费用，停电损失直接费用和其他生产的损失费用和人身、家庭损失费用等都有着直接作用。

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