一种电网信息设备运行仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于改进的AABB-OBB碰撞检测算法的电网信息设备运行仿真系统，用户从输入输出终端输入工作环境信息和交互控制信息，将所述工作环境信息和交互控制信息传送到工作环境仿真服务器，工作环境仿真服务器利用所述工作环境信息和交互控制信息对电网信息设备运行的工作环境进行三维场景的生成和相应的交互控制处理，将处理后的数据发送到监控服务器审核后保存到存储服务器，同时在输入输出终端中显示工作环境的虚拟视图供用户进行交互操作。本发明的碰撞检测过程，充分发挥了AABB包围盒和OBB包围盒两者的优势，在保证检测速度的情况下，大大提高了检测精度。
【专利说明】一种电网信息设备运行仿真系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电网信息设备运行模拟仿真技术，尤其涉及一种电网信息设备运行仿 真系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于业务应用系统的相继投入，应用系统服务器的数量在不断增加，相应 的网络设备也在不断地增加，造成机房面积不够，设备耗电量增加，机房荷载也在增加。此 夕卜，目前电力系统的培训仍停留在理论讲述培训、手册培训等比较落后的阶段，这些方式培 训周期长、资金投入大、学员体验性差，多采用教室授课、课件和图片配合演示或者找独立 的设备进行小范围操作，但很多设备是带电运行，存在危险性和不确定性，设备的损坏率 高，则学员在学习过程中不能进行有效的实际操作。因此，有必要建立一种有效的电网信息 设备运行仿真系统，使得学员能够真实地模拟实际工作环境，熟悉环境和设备，操作那些复 杂且不能出错的设备，进而受训人员的工作技能能够尽快满足电网信息设备专业操作人员 的要求，降低新手操作的失误率，同时在实际环境演练时可少配置很多相关设备，减小硬件 设备的购买需要。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种电网信息设备运行仿真系统，用户从输入输出终端输入工作环境 信息和交互控制信息，将所述工作环境信息和交互控制信息传送到工作环境仿真服务器， 工作环境仿真服务器利用所述工作环境信息和交互控制信息对电网信息设备运行的工作 环境进行三维场景的生成和相应的交互控制处理，将处理后的数据发送到监控服务器审核 后保存到存储服务器，同时在输入输出终端中显示工作环境的虚拟视图供用户进行交互操 作。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的电网信息设备运行仿真系统包括工作环境仿真服 务器、存储服务器、监控服务器、输入输出终端，其特征在于：
[0005] 工作环境仿真服务器和存储服务器分别通过网络与输入输出终端连接，存储服务 器还连接到工作环境仿真服务器，存储服务器通过监控节点连接监控服务器，监控服务器 还连接到工作环境仿真服务器；
[0006] 用户从输入输出终端输入工作环境信息和交互控制信息，将所述工作环境信息和 交互控制信息传送到工作环境仿真服务器，工作环境仿真服务器利用所述工作环境信息和 交互控制信息对电网信息设备运行的工作环境进行三维场景的生成和相应的交互控制处 理，将处理后的数据发送到监控服务器审核后保存到存储服务器，同时在输入输出终端中 显示工作环境的虚拟视图供用户进行交互操作。
[0007] 其中，工作环境仿真服务器是经虚拟化处理后的高性能服务器，其上创建有多台 独立的虚拟机，每台虚拟机拥有独立的CPU、内存、硬盘、光驱、网卡、显卡，每个网卡配置各 自的IP，通过虚拟交换机和物理网络相连，并且每个虚拟计算机安装有不同的操作系统，可 通过虚拟化管理平台或远程桌面来管理虚拟计算机。
[0008] 其中，在用户端以设备虚拟机方式展现，设备池 POOL中以挂载的方式进行设备的 初始化及加载，用户侧提出设备请求后即动态在设备POOL中创建一个新连接，同时完成虚 拟设备信息的初始化和相关业务数据的加载，在用户操作使用完此设备后，立即释放此连 接并回收相关的资源，设备基础库实现所有硬件设备、网络设备的基础数据的存储，以XML 文件或DB的形式进行硬件数据的格式定义和持久化。
[0009] 其中，利用所述工作环境信息建立场景模型数据库，所述场景模型数据库的基本 节点包括组节点、物体节点、面节点和点节点，利用节点将整个场景中的所有模型按照逻辑 结构组织为倒置的层次树状结构。
[0010] 其中，在所述交互控制处理的碰撞检测中，首先为物体建立混合包围盒二叉树，所 述混合包围盒二叉树设计为2层结构，其顶层采用AABB，其余层均采用0ΒΒ，顶层简单的 AABB快速排除不可能发生碰撞的物体对，下层的OBB进一步精确地测试可能发生碰撞的物 体对，实时碰撞检测阶段，采用任务树的方法对2棵层次包围盒树实现同步深度优先遍历， 任务树的同一层子任务之间可并行执行，在遍历过程中进行AABB-AABB和OBB-OBB 2种同 类包围盒之间的相交测试。
[0011] 其中，采用自顶向下的方法构造所述混合包围盒二叉树，其核心思想是建立几何 对象的包围盒，利用分裂面把几何对象划分为2个不相交的子集分别作为新的根节点并为 它们建立包围盒，对新的根节点进一步划分，直到各个子节点为基本几何图元为止，具体构 造过程如下：
[0012] Sl :为根节点构造AABB，将几何对象作为根节点，根据其所包含的基本几何图元 的坐标值求出几何对象的AABB包围盒；
[0013] S2:确定分裂轴，判断该节点包含的元素是否为基本图元，若是则直接作为叶子节 点并为其构造OBB包围盒，否则选取最长轴作为分离轴；
[0014] S3 :用中值法确定分裂点，以经过分裂点且与分裂轴垂直的面为分裂面，将该节点 的所有元素分为2个不相交的子集；
[0015] S4 :把2个子集分别作为根节点，为它们构建OBB包围盒，返回S2,递归执行，直至 所有的基本图元均成为叶子节点，形成一棵混合包围盒平衡二叉树。
[0016] 其中，构建OBB包围盒的具体步骤如下：
[0017] Sl :设三角形集第i个三角形面片的三个顶点矢量为Xi Vi，η为包围盒的三角 面片数，μ为顶点分布的均值，则μ为
【权利要求】
1. 一种电网信息设备运行仿真系统，该系统包括工作环境仿真服务器、存储服务器、监 控服务器、输入输出终端，其特征在于： 工作环境仿真服务器和存储服务器分别通过网络与输入输出终端连接，存储服务器还 连接到工作环境仿真服务器，存储服务器通过监控节点连接监控服务器，监控服务器还连 接到工作环境仿真服务器； 用户从输入输出终端输入工作环境信息和交互控制信息，将所述工作环境信息和交互 控制信息传送到工作环境仿真服务器，工作环境仿真服务器利用所述工作环境信息和交互 控制信息对电网信息设备运行的工作环境进行三维场景的生成和相应的交互控制处理，将 处理后的数据发送到监控服务器审核后保存到存储服务器，同时在输入输出终端中显示工 作环境的虚拟视图供用户进行交互操作。
2. 如权利要求1所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，工作环境仿真服务器是 经虚拟化处理后的高性能服务器，其上创建有多台独立的虚拟机，每台虚拟机拥有独立的 CPU、内存、硬盘、光驱、网卡、显卡，每个网卡配置各自的IP，通过虚拟交换机和物理网络相 连，并且每个虚拟计算机安装有不同的操作系统，可通过虚拟化管理平台或远程桌面来管 理虚拟计算机。
3. 如权利要求2所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，在用户端以设备虚拟机方 式展现，设备池POOL中以挂载的方式进行设备的初始化及加载，用户侧提出设备请求后即 动态在设备POOL中创建一个新连接，同时完成虚拟设备信息的初始化和相关业务数据的 加载，在用户操作使用完此设备后，立即释放此连接并回收相关的资源，设备基础库实现所 有硬件设备、网络设备的基础数据的存储，以XML文件或DB的形式进行硬件数据的格式定 义和持久化。
4. 如权利要求1所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，利用所述工作环境信息建 立场景模型数据库，所述场景模型数据库的基本节点包括组节点、物体节点、面节点和点节 点，利用节点将整个场景中的所有模型按照逻辑结构组织为倒置的层次树状结构。
5. 如权利要求1所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，在所述交互控制处理的碰 撞检测中，首先为物体建立混合包围盒二叉树，所述混合包围盒二叉树设计为2层结构，其 顶层采用AABB，其余层均采用0BB，顶层简单的AABB快速排除不可能发生碰撞的物体对，下 层的OBB进一步精确地测试可能发生碰撞的物体对，实时碰撞检测阶段，采用任务树的方 法对2棵层次包围盒树实现同步深度优先遍历，任务树的同一层子任务之间可并行执行， 在遍历过程中进行AABB-AABB和OBB-OBB2种同类包围盒之间的相交测试。
6. 如权利要求5所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，采用自顶向下的方法构造 所述混合包围盒二叉树，其核心思想是建立几何对象的包围盒，利用分裂面把几何对象划 分为2个不相交的子集分别作为新的根节点并为它们建立包围盒，对新的根节点进一步划 分，直到各个子节点为基本几何图元为止，具体构造过程如下： S1 :为根节点构造AABB，将几何对象作为根节点，根据其所包含的基本几何图元的坐 标值求出几何对象的AABB包围盒； S2:确定分裂轴，判断该节点包含的元素是否为基本图元，若是则直接作为叶子节点并 为其构造OBB包围盒，否则选取最长轴作为分离轴； S3 :用中值法确定分裂点，以经过分裂点且与分裂轴垂直的面为分裂面，将该节点的所 有元素分为2个不相交的子集； S4 :把2个子集分别作为根节点，为它们构建OBB包围盒，返回S2,递归执行，直至所有 的基本图元均成为叶子节点，形成一棵混合包围盒平衡二叉树。
7. 如权利要求6所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，构建OBB包围盒的具体步骤 如下： 51:设三角形集第i个三角形面片的三个顶点矢量为P、Zi,η为包围盒的三角面片 数，μ为顶点分布的均值，则μ为 +/+ζ?) 3? ,=〇 52 :由上式的顶点分布的均值μ可得出协方差矩阵C
其中，4 =X丨.-//，_ν丨=_ν丨-//，ζ丨=ζ丨-//，Cjk是3X3的协方差矩阵中的元素； 53 :求出矩阵的特征向量，确定OBB包围盒局部坐标的三个轴向。由于C是对称矩阵， 其特征向量相互垂直，将三个特征向量单位化后，设定它们为OBB包围盒的局部坐标的三 个轴向（dQ, (I1,d2); S4:将三角面片所有顶点分别向三个轴向（CUdpd2)投影，三个轴向上的最大最小投 影距离差为OBB包围盒的大小 U0=max(Project(d0,v1)) u1 =max(Project(d1,v1)) u2 =max(Project(d2,v1)) w° =min(Project(d0,v1)) w1 =min(Project(dl,v1)) w2 =min(Project(d2,v1)) S5宣ORR钮_合的由心nAntrp)
S6:将对象所有定点投影在三个轴向上，计算出在三个轴向上的最大值和最小值，来确 定OBB的大小。
8. 如权利要求5所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，所述任务树的方法包括，2 个物体的碰撞检测通过同时遍历这2个物体的包围盒二叉树来实现，将遍历2棵包围盒树 的过程定义为一棵任务树，一个任务即为2个物体包围盒树中2个节点之间的碰撞检测，任 务树的单重遍历即可实现对2棵包围盒树同步深度优先遍历，任务树的子任务数之间是或 的关系，只要其中一个子任务树中检测出相交，则2个物体必发生碰撞，若遍历完整棵任务 树还未出现相交，则可判定2个物体未发生碰撞。
9. 如权利要求8所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，所述任务树的方法包括，首 先进行顶层根节点AABB包围盒之间相交测试，若AABB包围盒相交，则进行下一层子节点之 间的OBB包围盒相交测试。
10. 如权利要求9所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，设a和b是2棵待检测的 包围盒二叉树的根节点，a_>left和a_>right表示根节点a的左右2个子节点，b_>left和 b->right表示根节点b的左右2个子节点，则所述任务树的遍历方法如下： 51:2个根节点a和b进行碰撞检测，2个根节点的AABB包围盒进行检测，若2个节点 的AABB不相交则可判定2个物体之间未发生碰撞，否则进入S2 ; 52 :如果a和b均为非叶子节点，则进入S3进行a_>left与b_>left、a_>left与 b_>right、a_>right与b_>left、a_>right与b_>right的碰撞检测；如果a是叶子节点，b 是非叶子节点，贝1J进入S3进行a与b_>left、a与b->right的碰撞检测；如果a是非叶子节 点，b是叶子节点，则进入S3进行a_>left与b、a_>right与b的碰撞检测；如果a和b均 为叶子节点，则进行精确碰撞检测，返回碰撞结果； 53 :2个节点进行OBB相交测试，若不相交，则可判定2个物体在这2个节点未发生碰 撞，否则返回S2。
11. 如权利要求10所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，所述精确碰撞检测包括 两个阶段，第一阶段的精确碰撞检测过程如下：将多边形投影到XOY平面，得到一个平面多 边形，如果多边形相交，必然有一条直线同时与两个多边形都相交，根据这个原理，基于两 个中心点投影点做两条平行的轴线，如果相交则必然发生在两条轴线之间，设定误差值P， 在两条平行于y轴的轴线之间做η条等分线，如果存在第m条等分线与其中两个多边形相 交于点（X1J1)和点（X2,Y2),其中n、m为自然数且m小于等于n，如果IY1-Y2I<P，则发生 碰撞，进入第二阶段的精确碰撞检测，即基本图元之间的精确碰撞检测。
12. 如权利要求11所述的电网信息设备运行仿真系统，其中，基本图元为三角形或四 面体，当基本图元为四面体时，由于四面体是由四个三角形构成，将四面体的相交测试化简 为三角形的相交测试，则所述基本图元之间的精确碰撞检测实质上是三角形之间的相交检 测，设空间两个三角形分别为Tl(V。，V1,V2)和T2 (UQ，U1,U2)，则三角形与三角形间的相交测 试过程如下： 51 :分别计算三角形Tl所在的平面方程Nl和三角形T2所在的平面方程N2 ; 52 :分别计算三角形Tl的三个顶点到平面N2的距离dvO、dvl、dv2和三角形T2的三 个顶点到平面Nl的距离duO、dul、du2 ; 53 :如果VtlJ1J2三个点都位于N2的同一侧，那么三角形TI和T2不相交，或者U。、％、 U2三个点都位于NI的同一侧，三角形Tl和T2也不相交； 54 :如果dv0*dvl= 0 和dv0*dv2 = 0 同时成立或者du0*dul= 0 和du0*du2 = 0 同 时成立，则三角形η和T2共面，转到平面中两个三角形的相交测试子过程中去； 55 :如果dV〇、dvl、dv2中有一个为0,而另外两个符号相同，则三角形Tl中必有一个顶 点位于三角形T2所在平面上，此时问题转化为判断平面内一个点与三角形的关系。如果点 在三角形T2内或边上，那么三角形Tl和T2相交，否则不相交； 56 :如果dvO、dvl、dv2中有两个为0,则三角形Tl必有一条边位于三角形T2的平面 上，此时问题转化为判断平面内一条线段与一个三角形之间的关系； 57 :除去上面几种情况，三角形Tl与三角形T2所在平面相交，求得相交线段，此时问题 转化成判断平面中线段是否与三角形相交。
【文档编号】G06F17/50GK104462688SQ201410742656
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】王贵明, 王乃玉, 张甫东, 丁扬, 王文明 申请人:国家电网公司, 国网技术学院