CN111524223A - 变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法、系统及装置，包括如下过程：获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态；根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置；判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则转向向其它节点发送状态同步命令的步骤；判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则转向根据接收到的同步数据对预测位置进行修正的步骤；向其它节点发送状态同步命令；根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。本发明利用航位推测算法预测仿真对象的状态、位置，在所有节点都进行预测，减少节点之间的网络环境对仿真系统的影响，降低仿真系统对网络的要求。

Description

变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法、系统及装置

技术领域

本发明属于建筑检测技术领域，具体涉及一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法、系统及装置。

背景技术

随着国民经济的发展，电网运行的安全性越来越突出、越来越重要，电网事故可能造成的影响范围、社会和政治影响也愈来愈大。电网调度员和变电站运行人员承担的电网安全、稳定、经济运行的责任也愈来愈大，需要大大提高调度专业人员的素质和技能水平、变电站值班员的操作技能，以保证其掌握新型设备运行特性的能力和驾驭电网运行的能力。但在日益更新的现代电力系统技术面前，目前电力运行部门的人员则更新比较频繁、专业水平参差不齐、人为误操作事故仍不能杜绝,因此，加强日常培训和实操训练，提升生产运行人员的技能水平，已成为各级电力部门的一项重要工作。

变电站是电力系统重要的组成部分，数量多、设备复杂、从业人员数量庞大，运行和操作人员技术水平的高低，直接影响到电力系统运行可靠性、安全性等指标，变电站的安全可靠运行对维持电力系统的稳定运行具有十分重要的意义。但由于电力系统的特殊性，人员培训和实操训练不能在实际运行的变电站中进行，利用仿真技术建立仿真培训系统，构建人员培训的模拟环境，是当前变电人员培训的主要手段。

目前的变电仿真培训系统主要包括数字物理混合仿真实训系统和全数字变电仿真培训系统两种类型。数字物理混合仿真实训系统一般采用电磁暂态仿真实现电网仿真计算，通过智能接口装置驱动真实的变电站二次设备、真实或模拟的一次设备、真实的变电站综合自动化系统，形成一个与生产现场高度一致的培训环境，这种系统尽管培训效果好，但存在设备贵、投资大、占地广、维护困难、同时培训人员有限等诸多限制，难以满足大规模人员培训的需要。

全数字变电仿真培训系统利用虚拟现实技术实现变电设备的数字化，建立一个与实际变电站环境和运行情况一致的仿真培训场景，为接受培训的员工创造出一个具有较高“真实”性的培训和实操训练环境，学员可以在虚拟环境中进行实操训练，熟悉环境和设备，操作那些复杂且不能出错的设备，使受训员工进入每个部分进行深入了解，学到现实当中很少接触的东西。这种系统投资规模适中，培训灵活性大、效果好、效率高，因此成为了当前变电仿真培训系统的主流发展方向。

随着应用的普及，全数字变电仿真培训系统的不足逐渐显露，培训场景与实际现场差别较大，交互方式与实际操作差别较大，真实感欠缺，画面单一，过程枯燥，因此，迫切需要利用当前最新的虚拟现实技术研究成果，构建具有高度现场感的变电运维多人协作三维仿真系统，实现对变电站电气设备、辅助设备、环境场景以及虚拟人等的建模与仿真，进行倒闸操作、事故处理、日常巡视和运行维护工作的真实演示和互动操作。

在变电运维三维仿真培训系统中，采用虚拟现实技术构建逼真的三维仿真场景，同时在场景中植入人物、车辆等，根据培训作业任务不同，由多位学员扮演不同角色，实现多人协作。比如学员1和学员2通过各自的客户端，在同一个三维场景中协同操作，共同完成一个作业任务，学员1和学员2的客户端需要显示对方的状态，并和对方进行交互。一般是通过模型文件本地加载、网络传输设备状态的方式，实现多人协同作业过程中仿真对象状态和设备操作的同步。

在常规变电运维仿真系统中，各节点之间同步仿真对象状态的方法有以下几种：

图1所示为Lockstep(锁步技术)，三维仿真开始后，每个节点在每个同步周期开始时，都向其他所有节点发送本地的每一步操作。当每个节点收到其他所有节点的操作命令后，在本地执行所有节点的每一步操作。只有每个节点集齐了所有的操作命令之后，才能进行计算、执行操作，并进入下一个同步周期。也就是说，所有节点都完整地执行了整个三维仿真系统的所有操作，而且执行过程和执行结果都一模一样。该技术的问题主要有以下几个方面：

a.对网络的要求非常高。此方法在每个同步周期内，每个节点都需要向其他所有节点发送操作命令，同时也要接收其他所有节点的操作命令。只有每个节点集齐了所有的操作命令之后，才能进行计算、执行操作，并进入下一个同步周期。如果其中一个节点网络出现波动，延迟较高，其他节点需要等待接收此节点的操作命令之后，才能进行计算、执行操作。从而导致所有节点的操作命令执行缓慢，甚至造成阻塞。所以此方法对网络的要求是非常高的。

b.无法实现中断后重连或者中途加入。此方法只向其他节点发送操作命令，由每个节点自行计算、执行操作，所有节点都不保存历史命令。如果某个节点网络中断，此节点将会丢失网络中断期间其他节点的所有操作命令，但其他节点仍然在进行计算、执行操作，从而导致此节点和其他节点的仿真对象状态不一致。如果有一个节点中途加入，此节点将会丢失其他节点已经执行的所有操作，从而无法实现和其他节点的状态一致。

图2所示为Client-Server(C/S架构技术)，每个节点以客户端的角色和服务器相连，每个节点都将本地的操作命令发送给服务器。服务器只要收到一个节点发来的操作命令，就进行计算、执行操作，并将执行结果发送给所有节点。也就是说，由服务器进行计算、执行每个节点的每一步操作，并将所有仿真对象的状态同步到每个节点。该技术的问题主要有以下几个方面：

a.网络通信数据量巨大。此方法同步仿真对象状态时，每一次都需要将所有仿真对象的状态进行同步。每个状态同步需要发送、接收的数据量巨大，容易造成网络拥堵，出现状态同步迟滞甚至跳跃性变化的现象，严重影响仿真效果。

b.状态同步不及时。此方法由服务器进行所有的计算、执行所有的操作、发送所有仿真对象的状态，服务器需要处理的命令很多、发送接收的数据量巨大，耗费时间较多，导致服务器不能及时地将仿真对象的状态同步到所有节点。服务器和每个节点单独相连，网络状况不同，导致各个节点接收到状态同步数据的时间不一致，同一时间不同节点之间仿真对象的状态存在差异。

在实际业务中，同一局域网内会存在多个三维仿真系统同时进行仿真培训。变电运维多人协同作业时，需要执行的操作较多，涉及的设备较多，需要发送、接收的数据量较大，以上方法由于网络存在延迟，各节点同步仿真对象状态时，发送、接收数据的时间会存在一定的差别，导致各节点之间的状态仍然存在不同程度的不一致，因此无法满足实际业务的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法、系统及装置，一方面能够保证仿真对象状态的一致性和及时性，另一方面能够降低状态同步的发送频率，避免网络拥堵，有助于弥补网络延迟导致的状态迟滞现象。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，包括如下过程：

针对任一同步周期，

获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态；

根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置；

判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则转向向其它节点发送状态同步命令的步骤，然后转向下一个同步周期；

判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则转向根据接收到的同步数据对预测位置进行修正的步骤，然后转向下一个同步周期；

向其它节点发送状态同步命令；

根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。

进一步地，

所述仿真对象的状态包括仿真对象的位置、速度、加速度和运动方向。

进一步地，

所述根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置的具体过程如下：

根据仿真对象在两个相邻时刻的状态确定仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系；

根据仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系推导下一时刻仿真对象的预测位置。

进一步地，

仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系的表达式为：

其中，X₁为t₁时刻仿真对象位置的横坐标，X₀为t₀时刻仿真对象位置的横坐标，Y₁为t₁时刻仿真对象位置的纵坐标，Y₀为t₀时刻仿真对象位置的纵坐标，β₀为t₀时刻仿真对象的运动方向，V₀为t₀时刻仿真对象的速度，α₀为为t₀时刻仿真对象的加速度。

进一步地，

下一时刻仿真对象的预测位置的表达式为：

其中，X_i为t_i时刻仿真对象位置的横坐标，Y_i为t_i时刻仿真对象位置的纵坐标。

进一步地，

所述根据接收到的同步数据对预测位置进行修正的具体过程为：

根据下一时刻仿真对象的实际位置和下下一时刻仿真对象的实际位置计算后面两个时刻仿真对象的预测位置；

将上面四个位置进行三次样条插值计算得到仿真对象的修正位置。

进一步地，

所述判断预测位置与实际位置是否一致的步骤还包括：若一致则转向下一个同步周期；

所述判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令的步骤还包括：若未收到则转向下一个同步周期。

本发明还提供了一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制系统，包括：

获取模块，用于获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态；

预测模块，用于根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置；

第一判断模块，用于判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则启动发送模块；

第二判断模块，用于判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则启动修正模块；

发送模块，用于向其它节点发送状态同步命令；及

修正模块，用于根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。

进一步地，

所述第一判断模块中，若预测位置与实际位置一致则启动下一个同步周期。

进一步地，

所述第二判断模块中，若本地节点未收到其它节点发送的状态同步命令则启动下一个同步周期。

本发明还提供了一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明具有的有益效果：

1、本发明利用航位推测算法预测仿真对象的状态、位置，在所有节点都进行预测，减少节点之间的网络环境对仿真系统的影响，降低仿真系统对网络的要求。

2、本发明对预测结果和实际进行对比，当预测结果与实际相同时，不需要发送状态同步命令，可以有效地降低网络传输数据量，避免网络拥堵。

3、本发明根据预测结果，先将仿真对象移动到预测位置，再根据接收到的同步数据进行修正，可以提高仿真对象的响应速度，有效地弥补仿真对象状态同步的迟滞现象。尤其在网络异常波动时，可以降低网络延迟造成的影响，保证仿真效果。

附图说明

图1为现有技术中Lockstep同步技术的示意图；

图2为现有技术中Client-Server同步技术的示意图；

图3为本发明中一致性控制方法的示意图；

图4为图3所示一致性控制方法中位置修正的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图3所示，一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，包括如下过程：

针对任一同步周期，

S1、获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态。

仿真对象的状态包括位置、速度、加速度和运动方向。

S2、根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置。本发明利用航位推测算法预测仿真对象的状态、位置，在所有节点都进行预测，减少节点之间的网络环境对仿真系统的影响，降低仿真系统对网络的要求。

S21、根据仿真对象在两个相邻时刻的状态确定仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系。

在变电运维三维仿真培训系统中，各仿真对象根据其属性有不同的变化规律，各仿真对象的状态变化、位置变化都有一定的规律性和继承性。具有运动属性的仿真对象主要包括人物、开关指示、刀闸臂、箱门等，在初始位置一定的情况下，需要分析仿真对象在不同行为方式下的运动轨迹和移动速度。在初始位置一定的情况下，需要分析仿真对象在不同行为方式下的运动轨迹和移动速度，按下表对仿真对象参数进行分类初始化：

假设，仿真对象在t₀时刻的位置为P₀(X₀,Y₀)，在t₁时刻的位置为P₁(X₁,Y₁)，仿真对象的在t₀时刻的初始速度为V₀，加速度为α₀，运动方向为β₀，则通过计算可得到上述参数之间存在如下关系：

S22、根据仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系推导下一时刻仿真对象的预测位置。

仿真对象在下一时刻的位置为：

S3、判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则转向S6；若一致则不向其他节点发送状态同步命令而直接转向下一个同步周期，同时所属于其他节点的仿真对象先按照预测结果进行运动。

S4、判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则转向S5。

S5、向其它节点发送状态同步命令。

S6、根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。对仿真对象的位置进行修正时，为了保证仿真效果，需要对修正的路径进行平滑处理。本发明通过三次样条插值算法对仿真对象的修正路径进行计算。具体地：

S61、由于在t₀时刻和t₁时刻仿真对象的预测位置P₀和P₁分别与对应时刻的实际位置Q₀和Q₁相一致，因此根据t₁时刻仿真对象的实际位置Q₁和t₂时刻仿真对象的实际位置Q₂计算t₃时刻和t₄时刻仿真对象的预测位置P₃和P₄。

S62、如图4所示，将P₁、P₂、P₃和P₄进行三次样条插值计算得到仿真对象的修正位置P₂、M₁、M₂、M₃和P₄。

上述过程结束后转入下一同步周期并重复上述过程。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制系统，包括：获取模块、预测模块、第一判断模块、第二判断模块、发送模块及修正模块。

获取模块用于获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态。

预测模块用于根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置。

第一判断模块用于判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则启动发送模块，若一致则启动下一个同步周期。

第二判断模块用于判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则启动修正模块，若未收到则启动下一个同步周期。

发送模块用于向其它节点发送状态同步命令。

修正模块用于根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现S1至S6。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：包括如下过程：

针对任一同步周期，

获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态；

根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置；

判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则转向向其它节点发送状态同步命令的步骤，然后转向下一个同步周期；

判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则转向根据接收到的同步数据对预测位置进行修正的步骤，然后转向下一个同步周期；

向其它节点发送状态同步命令；

根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

所述仿真对象的状态包括仿真对象的位置、速度、加速度和运动方向。

3.根据权利要求1所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

所述根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置的具体过程如下：

根据仿真对象在两个相邻时刻的状态确定仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系；

根据仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系推导下一时刻仿真对象的预测位置。

4.根据权利要求3所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

仿真对象的位置与其它状态参数之间的关系的表达式为：

其中，X₁为t₁时刻仿真对象位置的横坐标，X₀为t₀时刻仿真对象位置的横坐标，Y₁为t₁时刻仿真对象位置的纵坐标，Y₀为t₀时刻仿真对象位置的纵坐标，β₀为t₀时刻仿真对象的运动方向，V₀为t₀时刻仿真对象的速度，α₀为为t₀时刻仿真对象的加速度。

5.根据权利要求4所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

下一时刻仿真对象的预测位置的表达式为：

其中，X_i为t_i时刻仿真对象位置的横坐标，Y_i为t_i时刻仿真对象位置的纵坐标。

6.根据权利要求1所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

所述根据接收到的同步数据对预测位置进行修正的具体过程为：

根据下一时刻仿真对象的实际位置和下下一时刻仿真对象的实际位置计算后面两个时刻仿真对象的预测位置；

将上面四个位置进行三次样条插值计算得到仿真对象的修正位置。

7.根据权利要求1所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制方法，其特征在于：

所述判断预测位置与实际位置是否一致的步骤还包括：若一致则转向下一个同步周期；

所述判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令的步骤还包括：若未收到则转向下一个同步周期。

8.一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制系统，其特征在于：包括：

获取模块，用于获取当前时刻本地节点的仿真对象的状态；

预测模块，用于根据当前时刻仿真对象的状态预测下一时刻仿真对象的预测位置；

第一判断模块，用于判断预测位置与实际位置是否一致，若不一致则启动发送模块；

第二判断模块，用于判断下一时刻的本地节点是否收到其它节点发送的状态同步命令，若收到则启动修正模块；

发送模块，用于向其它节点发送状态同步命令；及

修正模块，用于根据接收到的同步数据对预测位置进行修正。

9.根据权利要求8所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制系统，其特征在于：

所述第一判断模块中，若预测位置与实际位置一致则启动下一个同步周期。

10.根据权利要求8所述的一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制系统，其特征在于：

所述第二判断模块中，若本地节点未收到其它节点发送的状态同步命令则启动下一个同步周期。

11.一种变电运维多人协作三维仿真一致性控制装置，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

Images