基于混合現實技術的電力協同仿真設計方法

曾華榮，黃 良，陳沛龍(貴州電力試驗研究院, 貴陽 550002)

電力協同仿真設計是以用戶為中心的工作[1]，目前大量研究多為基于Web[2]與基于代理[3]的協同仿真設計，用戶支持跨地域的協同仿真設計。然而目前這些研究實際上仍舊以機器為中心，用戶之間的交互仍舊是通過人機界面進行[4]。虛擬現實技術的引入為用戶提供了一種三維接口[5]，更加直觀，然而仍舊無法突破人機交互格局。而混合現實技術突破了人機界限，混合了虛擬環境與真實環境，能夠真正實現以人為中心，大大提高了人人交互的直接性。一種基于混合現實技術和的電力協同仿真設計可以通過真實環境中的實體工具的使用來支持虛擬環境中的電力設備的設計，具有更高的真實感與沉浸感。相比而言混合現實環境由于避免了全場景建模，因此可以大大降低開發難度與成本[6]。用戶既可以使用實體工具來達到真實感同時可以借住虛擬環境帶來的便利性，因此采用混合現實技術進行實現電力協同仿真設計可以大大提高效率與真實感。

1 基于混合現實技術的電力協同仿真設計系統架構

基于混合現實技術的電力協同仿真設計系統采用C/S結構，這樣跨地域的協同用戶就可以同時對三維模型進行編輯修改。整個系統組成如圖1所示。①客戶端用于協同仿真設計過程中的協同用戶視圖；②服務器支持三維建模，協同管理以及一致性維護；③交互技術支持客戶端的產品與三維建模；④ 嵌入式三維內核用于實體建模以及幾何信息抽取，以便支持混合現實技術和的電力協同仿真設計中的模型創建與修改。

圖1 模型修改中的信息流

1.1 架構分析

為了保證仿真實時性以及多用戶數據一致性，基于混合現實技術和的電力協同仿真設計系統采用了集中式架構?？蛻舳说闹饕ぷ魇侵С帜Ｐ偷奶摂M化、模型操作以及沉浸式的用戶交互接口。三維模型創建后，被保存在服務器當中，不同用戶的模型操作可以通過協同模型處理保證數據一致性。分布式建?？蚣苁腔诮Ｏ到y的API構建，而中心數據庫保存了用戶的關注列表、約束信息、設計過程中的各種設計信息以及修改歷史文檔。中心服務器采用多線程方法，其中主線程用于模型虛擬化以及約束輸入，其他線程用于建模與信息抽取，另外兩個信息發送與接收線程用于在用戶接入時通過連接與授權將用戶加入到任務中。

1.2 協同策略

在一個協同設計任務中，同一個模型對象在不同的用戶都會保存一個本地版本。當某個用戶對本地模型做出修改操作時，這個操作要及時傳遞給其他所有用戶進行感知以及數據一致性維護，從而避免產生數據沖突與不一致。采用一種訪問權限機制對協同設計進行管理，任何用戶在對虛擬模型進行編輯前都要先申請模型的訪問權限，而且訪問權限每次只能被一個用戶獲取。其他用戶的模型編輯需求將會被禁止，直到獲取訪問權限，這個權限會在有模型編輯需求的用戶間傳遞。當用戶獲取權限后，對模型的修改操作將會被其他所有用戶感知，其他用戶只能對感知信息作出反饋而無法直接編輯模型。當其他用戶對于授權用戶的修改持有反對意見時，可以通過反饋信息對修改進行取消，而這一切所有用戶的編輯活動、反饋操作都會記錄在一個協同設計歷史中，并展示在用戶界面上。另外系統中還提供討論區功能，所有用戶間可以發起討論。當某個用戶的模型編輯操作得到所有用戶的同意以后，這個編輯將會被發送到服務器中，對服務器中的模型以及設計信息進行更新，如圖1所示。

1.3 多層模型表示

為了支持基于混合現實技術的電力協同仿真設計，本文提出了一種多層模型表示方法，如圖2所示。這種方法可以滿足實體建模、混合現實以及多用戶協同設計的以下要求。

圖2 多層模型表示

(1)虛擬化-三維模型的展示與監測。

(2)交互-三維模型與實體間的交互。

(3)建模-支持實時的分布式三維建模。

(4)模型有效性保持-保持每個用戶工作區中模型的有效性。

局部模型樹結構用于保存和維護局部三維模型的相關信息，它是基于抽取的局部模型信息創建的。根節點是三維模型的第一個局部模型，中間節點是其后續局部模型。局部模型的每個面是其葉子節點，而每個面的三角面片連接在該面的葉子節點上用于表示該面。不同的局部模型與面具有不同的IDs。

第一層中三維模型的多邊形模型是基于局部模型樹中的局部模型、面與三角面片信息進行創建。這些模型通過第三層的實體模型獲取與更新。由于混合現實環境與實體模型空間的坐標空間一致，模型的拓撲與局面模型參數信息能夠根據用戶任務與上下文表示為虛擬文檔，以便加強用戶對于虛擬模型的感知。

第二層基于約束的模型保證了三維模型數據的一致性與有效性。在一個仿真設計任務中，設計將根據充分考慮各個用戶的設計意圖，每個客戶端的約束條件必須得到滿足。在混合現實技術和的電力協同仿真設計中，約束來源于分布在不同客戶端的三維模型的不同客戶端的設計參數。

第三層由實體模型組成，它的創建與更新是當某個客戶端的建模操作被接受后發起。三維模型的拓撲與局部模型信息被保存在該層。拓撲信息用戶恢復多邊形模型的幾何信息用以支持電力協同仿真設計中模型的修改。局部模型信息(ID、位置、參數等)被用于定義第第二層中的模型約束。

1.4 基于約束的多用戶協同

模型約束被保存在中心服務器數據庫中，同時在各個客戶端的本地數據庫中保存一份副本。約束分析在每個客戶端執行過程如圖3所示。在進行三維建模過程中，當某個約束被用戶編輯操作違反時，這個信息將發送給所有其他用戶，而約束沖突的處理將由所有用戶通過討論方式產生，隨后編輯用戶將被要求按照約束沖突的處理意見進行模型的再編輯。之后約束分析將會被再次執行，并且將執行信息發送給其他用戶。當不再有約束沖突后，模型信息以及參數修改將會在所有用戶客戶端呈現。

1.5 交互技術

本文提出了一種2D/3D跟蹤交互方法，用于三維模型的設計、操作與參數輸入。該方法由上下文敏感的虛擬操作板與交互光標構成，提供了一種高效直觀的建模環境。2D/3D網格捕獲模式支持三維點的選擇以及模型的修改。

上下文敏感的虛擬操作板包括兩個部分：一個是基于屏幕左邊系統與全局坐標系統，通過計算機視覺技術追蹤現實環境中的標記；另一個是進行討論信息的虛擬顯示，例如命令按鈕、符號、信息等，這些都能夠通過一個3D頭盔進行顯示。虛擬操作板是上下文敏感的，同時也便于使用。

交互光標用于激活虛擬按鈕以及與三維模型間的交互。這個光標即可以是一個采用計算機視覺技術的真實的物理追蹤器也可以是一個標記上的虛擬跟蹤器。物理跟蹤器用于虛擬操作板上的菜單激活操作，而虛擬跟蹤器用于虛擬三維空間中的虛擬模型操作，例如采用網格捕獲模式的模型局部選取。這些交互工具能夠方便直觀的支持用戶與真實3D環境中的2D/3D對象的交互。

3D網格捕獲模式能夠支持用戶在虛擬三維模型表面插入草繪點以及選擇局部模型位置。在這種模式下，一個3D網格將與模型表面的興趣點進行匹配，而網格的尺寸可以用戶定義。交互光標將追蹤該興趣點坐標最近的網格點，因此能夠方便選取想要的仍和3D空間坐標。

而2D的網格捕獲模式將在進行草繪編輯與修改時使用。這個2D網格進行屏幕匹配，該區域是草繪區域的4倍。其工作模式與3D網格捕獲模式相似。模型草繪將會根據光標的移動動態更新，當精確度高于網格尺寸時，用戶還可以通過屏幕上的虛擬操作板進行坐標點的輸入。

2 混合實體建模

2.1 局部模型創建與定位

基于混合現實技術的電力協同仿真設計中的建模過程以及局部模型的特點，提出了三組局部模型的建模規則。圖3給出了一種直觀的基于形狀控制點的局部模型建模拖放方法。

圖3 基于約束的協同

某個局部模型的形狀控制點即在三維空間中完全定義該局部模型形狀的所有點。這些形狀控制點通過拖放方法用于混合現實三維環境中。在基于混合現實技術的電力協同仿真設計中，一個局部模型可以通過基于全局坐標系定義的本地坐標系統進行定位，它的形狀控制點能夠被修改，因此可以通過交互光標拖放這些點來實現局部模型的形狀變化。

當一個形狀控制點的坐標被修改，局部模型的參數將隨之對應修改，例如當用戶拖動最高一個形狀控制點后可以改變該局部模型的高度參數。局部模型根據形狀控制點變化是實時更新的。

2.2 局部模型修改

局部模型可以從兩個方面進行修改，位置修改與形狀參數修改，例如深度參數修改與草繪修改。為了支持修改，局部模型的維度將通過物理三維空間中的虛擬文檔進行表示。修改將通過一個3D空間接口進行，而虛擬模型修改過程中的討論將進行動態更新，具體模型修改過程如圖4所示。

圖4 基于混合現實技術的電力協同仿真設計中的建模過程

2.3 模型同步

為了實現模型一致性，一個局部模型修改傳播機制被用于同步不同客戶端數據庫中的三維模型?；谶@種機制，特征修改(如圖5所示)將會在服務器中區分，并且會在不同客戶端被不同局部模型進行同步。唯一的局部模型名被用于區分局部模型，避免產生命名沖突。

圖5 建模過程中的參數定義

3 結 語

為了驗證上述方法，本文開發了一個基于混合現實技術的電力協同仿真設計原型系統，其中建模與幾何抽取過程耗時最長，占據了超過50%的CPU時間，但是這并沒有影響整個系統的效率與效果。系統使用方便直觀的支持用戶交互以及操作實時感知，能夠更加高效地支持電力協同仿真設計。

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[1] 李 妮，劉 杰，蔡志浩，等, 復雜系統虛擬樣機協同建模/仿真支撐平臺[J]. 計算機集成制造系統，2004,10(10):1 207-1 211.

[2] Li WD, Ong SK, Fuh JYH, et al. Feature-based design in a distributed and collaborative environment[J]. Computer-Aided Design, 2004,36(9):775-797.

[3] Chu CH, Cheng CY,Wu CW. Applications of the web-based collaborative visualization in distributed product development[J]. Computers in Industry, 2006,57:272-282.

[4] Mcdonald JT, Talbert ML. Agent-based architecture for modeling and simulation integration[C]∥ Proceeding of the National Aerospace & Electronics Conference, 2000.

[5] 李 妮，鄭宏濤，彭曉源，等. 仿真網格中協同建模網格服務研究及實現[J]. 計算機集成制造系統，2007,9(13):1 586-1 699.

[6] Leu MC, Peng X, Zhang W. Surface reconstruction for interactive modeling of freeform solids by virtual sculpting[J]. Annals of CIRP, 2005,54(1):131-134.