分布式虚拟现实系统

关键词： 人机界面 虚拟现实 模拟 技术

分布式虚拟现实系统（精选九篇）

分布式虚拟现实系统 篇1

临床上,耳鼻喉头颈外科医师需要对颞骨解剖有扎实的基础知识,由于外耳道骨部、中耳、内耳均位于颞骨之中,而颞骨深寓软组织之中,无法直接观察病变范围及其周围结构的关系,因此基于虚拟现实技术的耳显微外科仿真系统对于培养年轻医师的手术操作技能,以及患者实际手术前的预测与术中的辅助都具有广阔的应用价值。本课题中有别于已有的一些外科手术虚拟系统,开发一种并行多图形卡工作站的分布式耳显微外科虚拟现实系统,不仅可以在逼真的虚拟环境下体验和学习手术中各种实际情况与处理操作,还可以通过网络通信进行计算机远程教学与手术会诊,具有真实的临床手术实用价值。

1 分布式耳显微外科虚拟现实系统组成

分布式虚拟现实技术是指分布计算机网络的不同节点用户在共享的虚拟环境中进行相互交互,使得网络中的计算机用户可以比较便捷的参与访问与仿真,是虚拟现实技术发展的方向,在各学科领域正得到重视与开发应用。

分布式耳显微外科虚拟现实系统主要由高性能工作站、立体视觉终端、其他从属设备(传感手套、力反馈操纵柄)以及专业软件等组成。其体系结构通过局域网连接多个用户,用户计算机之间使用TCP/IP协议实现虚拟环境信息的共享与仿真交互,同时局域网中的多用户通过网络路由器由互联网连接进行远程仿真交互,系统结构如图1所示。采用这种架构,允许多个不同的用户通过LAN连接同时在一个虚拟世界中交互,并且通过路由器与Internet连接允许远程用户的访问与参与交互。

虚拟手术系统工作站为了满足复杂图像场景的处理与实时反馈的数据运算,采用了2颗Inter Core2EXtrem QX9775处理器,同时应用了2块专业级图形处理加速卡,每块图形卡包含了双DVI接口以及512MB显存,以OpenGL标准实现多通道协同立体绘制图像和低延迟的视觉反馈,使视觉仿真画面栩栩如生且即时流畅。位置跟踪器使用三维超声波头部跟踪器,它是由发射器、接收器和控制箱三部分组成。发射器含有3个超声波扬声器,安装在一个稳固的三脚架上;接收器的3个小型麦克风安装于三维立体眼镜上用来探测超声波信号;发射器与接收器之间沿视线方向无阻碍地进行通信,经串行端口接入主机工作站,能同时连接最多4个头部跟踪器或3D鼠标进行6自由度位置探测。虚拟手术操作时能否产生比较真实的触觉响应对于虚拟现实系统非常重要,系统使用USB端口连接的力反馈装置有六个自由度位置感应,末端为一柄状,用来提供虚拟对象与操作者之间的实时接触反馈。数据手套是另一类触觉接口可以产生复杂的振动触觉和用于测量用户的手势。

2 耳显微外科虚拟模型的建立

建立虚拟模型包括整个耳解剖部位的三维立体结构建模、操作过程中的行为建模与虚拟操作对象的碰撞形变等物理特征的建模。模型分为不同的组成部分相互独立又同时具有相互组合,这样既能使有限的硬件系统资源绘制出复杂的虚拟场景,同时最大限度地提高整个系统的响应速度。

2.1 耳部三维立体结构建模

三维耳部的立体建模直接通过MRI与CT的颞骨部扫描的原始灰白影像结合颞骨冷冻组织断层解剖拍摄的高清晰彩色图片,先确定准备重构的解剖区域,经人工分割出骨质、神经、血管和其它软组织结构,经过体绘制重构可视化模型。由于采用整体与解剖局部分开进行三维重构的方式,颞骨部可视化模型可以清楚的显示邻近组织之间的空间关系,真实还原了解剖部位的三维结构。

三维重建过程中首先是颞骨解剖部位的图像分割,准确和快速的图像分割技术是虚拟建模的基础。临床上的CT和MR诊断仪出厂时一般自带有三维重构的图像分析软件,但对一些组织器官的分割重建还不够精确,特别是颞骨部位的显微结构。在实际建模中,先采用CT和MR自带的重构软件自动快速识别出颞骨解剖部位的大体位置和结构,再结合人工辨识微小结构与组织进行手工标明,然后采用阈值分割法绘制出细微解剖结构。

2.2 操作过程中的行为建模

三维立体结构的建模是相对静态的形状和外观,而更复杂的行为建模是为了模仿虚拟手术环境中操作时的动态行为过程。由于是手术操作,对虚拟手术器械的操作模拟非常重要,使用带有传感设备的数据手套模拟出操作手术器械的移动、旋转等相应动作。

行为建模过程中利用虚拟现实开发工具,建立不同动作行为的数据库,数据库中的每部分动作可以是单独的进行,也可以作为一个整体一起运动,这样可以模拟出整个手的运动,也可以实现手的局部某个关节的变动,从而提高了真实体验感。

2.3 碰撞形变等物理特征的建模

碰撞形变建模主要用来描述虚拟手术系统的交互式过程,也是使系统具有触觉反馈的关键一步。碰撞形变有近似和精确的方法检测,由于虚拟手术过程主要是器械和组织之间的接触,碰撞点和方向都有一定任意性,系统在检测三维空间中两部分有无碰撞时,先采用轴向包围盒(axis-aligned bounding box,AABB)方法。这种方法是沿着虚拟世界坐标系坐标轴方向的盒子包围着三维空间的对象,形成一个个固定大小的包围盒。当两个对象接近时,它们的包围盒会相交即发生了碰撞。检测出对象碰撞后需要执行精确碰撞检测,以了解碰撞的位点以及碰撞的强度,从而产生碰撞响应。

碰撞响应是根据虚拟对象的自身特性进行模拟的,非刚性的组织器官碰撞到手术器械会发生表面形变,需要通过计算碰撞表面的位点改变重新绘制图形。系统建模过程采用表面拓扑结构变形方法,首先经过精确碰撞检测出最靠近碰撞位置的顶点,然后根据碰撞强度的大小沿着手术器械运动的轨迹绘出数个新的顶点替代原来的碰撞顶点,新的顶点逐渐分开形成新的表面,模拟出组织被切割变形的过程。

3 手术仿真系统的应用

系统在应用上能够模拟手术常规操作动作,灵活调整难度以适合不同手术医生的要求,我们在设计虚拟手术系统时,不仅清晰重构了正常颞骨解剖以及耳显微结构,而且建立了常见的各种病理组织模型与真实的手术病例。以任务为导向,指导使用者在虚拟现实环境中进行手术程序的正确处理,同时将操作过程将记录下来,根据各项参数与专家标准库的数据对照进行评分,能够较客观地反映了训练者的操作水平。

系统能逼真地演绎耳显微外科手术的环境和操作的过程,对手术训练和教学有很高的应用价值,年轻的医生通过在模拟系统中反复练习可以掌握手术部位解剖结构、熟练使用各种手术器械、获得基本手术技能。

4 未来工作

由于虚拟手术系统广阔的应用前景,虚拟现实技术在医学领域得到了更多的重视。下一步除了进一步提高其仿真度、完善功能,将会更多的考虑应用于临床实际的设计,如对真实病例手术进行之前就进行术前模拟,并制定个体化的最佳手术策略。

我们还考虑将此系统融入到数字化手术室,与众多的先进数字化技术一起为医生与患者带来更多安全和便捷。通过网络技术实现应用程序的远程共享,在虚拟现实的网络环境中,外科手术医生不仅可以在逼真的虚拟环境下体验和学习手术中各种实际情况与处理操作,还可以通过网络通信进行远程会诊手术指导治疗,实现异地的专家像在同一手术台上一样共同完成一台复杂而精彩的手术。

参考文献

[1]Satava RM.Surgical education and surgical simulation[J].World J Surg2001,25:1484-1489.

[2]Silverstein JC,Dech F,Edison M,et al.Virtual reality:immersive hepatic surgery educational environment[J].Surgery,2002,132:274-277.

[3]赵媛媛,叶德荣,陈艳红.基于Web的内耳解剖结构的三维可视化[J].医疗设备信息,2007,22(11):9-10.

分布式存储系统：TDSS 篇2

TDSS是一个高可扩展、高可用、高性能、面向互联网服务的分布式存储系统，主要针对海量的非结构化数据，它构筑在普通的Linux机 器集群上，可为外部提供高可靠和高并发的存储访问，它采用了HA架构和平滑扩容，保证了整个文件系统的可用性和扩展性，

同时扁平化的数据组织结构，可将文 件名映射到文件的物理地址，简化了文件的访问流程，一定程度上为TDSS提供了良好的读写性能。

项目主页：www.open-open.com/lib/view/home/1365411366593

分布式虚拟现实系统 篇3

摘要：介绍“输配电线路施工”在专业知识体系中的重要作用，并针对施工课程实践性极强的特点和该课程教学上存在的问题现状，结合自身在三维仿真教学培训系统方面的研究开发实践，进一步介绍分布式虚拟仿真的技术特点和应用系统的内容，以及该系统对提高本课程教学质量和学习效果的积极价值。

关键词：分布式;虚拟仿真;输配电线路施工;教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0093-01

随着我国经济的迅猛发展，输配电线路里程数不断增加，电力行业对输电专业人才培养的数量和质量上都提出了更高要求。作为国内设置电气工程及其自动化（输配电）专业方向的仅有三所全日制本科院校之一，南京工程学院承担着向社会输送该专业方向高级工程应用型人才的重任，如何突出应用的特色，切实有效提高教学效果进而提升培养质量是面临的首要课题和任务。[1]

一、“输配电线路施工”课程的教学特点

电气工程及其自动化（输配电方向）专业是培养具有电力系统输配电线路工程的理论和技术，并能从事输配电线路设计、施工、运行、维护、管理的高等应用型技术人才。[2]“输配电线路施工”是该专业方向一门重要专业必修课程，通过本门课程的学习，牢固掌握输配电线路施工理论及实践技能，才能在毕业后能够较快适应现场工作，满足电网建设单位的用人需要。因此“输配电线路施工”是该专业方向知识体系架构中非常重要的环节，一直受到广泛的重视。

“输配电线路施工”课程的教学目标是使学生了解输配电线路施工的整个工艺流程及各施工工艺原理，掌握基础、杆塔、导地线等主要部件的安装施工工艺步骤，具备施工方案设计和作业指导书的编制的能力。本课程具有以下特点：

（1）内容形象具体。相较于其他课程知识的抽象性逻辑性强的特点，本课程内容非常的具体形象，例如输配电线路部件种类多、型式杂、装配关系复杂的特点。此外，输配电线路分布性广，施工现场往往跨越高山大河，施工布置和工艺展开等内容都需要营造临场感。

（2）工程实践性强。本课程的力学计算理论与施工工艺联系紧密，教学要求中直接包含了丰富的工程实践内容，并且十分注重施工过程中安全控制和团队协作。[3]

（3）本专业属于电气学科范畴，而本课程的知识体系接近于建筑工程领域，对于电气专业学生在缺少建筑施工前导性知识铺垫的前提下，快速掌握中输配电线路施工安装工艺和要领也存在一定的难度。

（4）学历教育为主的本科院校无法按照电力培训部门那样打造大规模的实训实操基地，现场实习环节因为时间短和安全因素也难以达到理想的效果。

（5）由于电力企业需要的是上手快、适应强、基础实的应用型技术人才，客观上要求进一步强化学生动手能力和应用能力的锻炼，把实践教学放到关键和重要的位置上，不断在人才培养上突出工程实践性强的特色。

在当前的形势下采用手绘、板书、视频、照片这样的传统教学方式已经难以满足“输配电线路施工”课程这些鲜明的特点对教学手段的要求。

二、分布式虚拟仿真技术的引入

1.虚拟仿真技术引入的理论基础

建构主义学习理论（Constructivism Learning Theory）认为，知识是学习者在一定的情境背景下借助教师或同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。[4]通过长期的研究实践，基于以上理论的虚拟仿真技术对“输配电线路施工”课程而言，是提高教学质量和效果有效的途径。

2.分布式虚拟仿真的技术特点

分布式虚拟仿真综合了计算机图形学、虚拟现实、计算机网络、分布式计算、计算机仿真、数据库技术、人机交互、人机智能等多学科专业技术，是虚拟现实技术的重要分支。分布式虚拟仿真将位于不同物理位置的用户通过网络进行连接，或者多个用户参与到同一个虚拟环境中，通过与其他用户进行资源共享、实时沟通或就特定的复杂问题进行探讨和协作，简而言之就是多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。基于分布式虚拟仿真系统除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）两大特征以外，还具备以下几个显著技术特点：网络用户共享虚拟任务空间;角色扮演行为具有真实感;多机实时交互，保持时空一致性;资源信息共享，多个用户（学员）可以采用多种方式相互通信。

3.分布式虚拟仿真教学系统

通过研究开发我们建立了国内首套分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统，该系统采用分布式架构、多机协同、虚拟仿真等技术手段，可以直观、准确、快速地为课程教学内容提供具体的展现对象和高效的演练手段。高拟真度虚拟环境中的多人协作和角色扮演手段虽然不能完全取代实际的操作和训练，作为现场实操实训环节的有效补充，對提高教学效果、提升实践能力具有十分积极的作用和意义。

三、分布式虚拟仿真教学系统应用效果和前景

1.系统主要功能

分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系通过虚拟施工场景建模、施工人员角色动画建模与数据处理、施工业务流程仿真脚本设计，用户可以对虚拟施工场景的视点进行自由选择，实现全景式自由漫游[5];用户借助虚拟布局技术模拟或生成施工现场的虚拟环境，实现输配电线路本体和通道环境仿真;通过绑定相关数学模型和动画路径的规划，实现各个班组成员分工协作下的输配电线路施工各项工作专业流程的仿真;通过实时受力可视化分析和设备监控，实现工艺方案的虚拟设计和优化;并通过培训支持与管理底层平台子模块实现了培训信息管理、考勤提问、键鼠管制、屏幕监管、自动评价等日常培训助教功能，同时还具备课上演练、课后训练等助学功能。

2.系统应用效果

（1）借助系统可以快速建立和强化感性认识，为课程的展开提供了铺垫和基础。例如，学生可以全方位、多角度、近距离地观察虚拟环境中的输配电线路及各组成部件，感觉他们的尺寸、型式、结构、材质、装配关系。同时通过可视化的分析手段，将抽象的概念表达直观具体化，为理论知识的讲授提供丰富直观的手段。例如，输配电线路中的杆高与各种档距、弧垂的计算、空间布置测量和设备受力监控等都可以直观、高效地进行实时计算和对结果的可视化表达。

（2）系统充分考虑了施工现场作业是以班组为单位，具有团队协作的特点，突破了原有单人单机培训模式的桎梏。在分布式虚拟仿真系統中，每个用户能更好地通过角色扮演方式增加临场感，以角色扮演的形式出现与虚拟场景以及其他替身进行实时的交互，真正地跨越了现实工作中难以设计实施团队集体培训方案的藩篱。

（3）系统为用户提供一个高度真实感和沉浸感的虚拟现实环境。与单机用户的虚拟现实环境相比，本系统所体现出逼真度类型要比单用户复杂得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行为特征的逼真度和时间逼真度、信息逼真度和系统逼真度等。这些要素不仅要求行为正确、真实、可信，而且还恰当地还原和模仿了真实施工作业流程的复杂度，达到了提高培训质量和效果的目的。

3.系统推广前景

（1）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统使多个用户或学员同时参与到一个共享的虚拟施工任务空间，通过网络与其他用户共享信息，在分布式的虚拟施工仿真平台上完成施工组织设计、施工方案评估评价，并对方案的开展过程和结果进行预演。学员通过高度联系实践的学习、训练，并协同完成教师课前规划或预设的一项输配电线路现场施工作业任务，以达到协同工作的目标，它将虚拟仿真辅助教学培训手段的应用提高到了一个更高的境界。

（2）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统能够更好地解决线路施工实践教学过程中，多人现场作业存在的安全隐患问题，同时能够节约实习实训资金，使技能培训不再局限于在有限的室内课堂和室外基地，学员可以重复地观摩、演练，多角度、全方位地观察和操作，可以全面地、深入地参与到电网建设生产过程中。

（3）现代远程教育工作是实现终身学习和教育培训的一种行之有效的手段，分布式虚拟仿真技术作为远程教育支持系统的一个重要发展方向，可以实现多人协同机制下的各种培训学习功能。本系统的技术成果和应用经验能够为电力行业培训提供有效的借鉴，积极推动企业教育手段的发展。

参考文献：

[1]黄宵宁.输电线路虚拟仿真技术在应用型人才培养中的作用[J].中国电力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黄宵宁，等.输配电线路施工技术[M].北京：中国电力出版社，2007：1-2.

[3]黄宵宁.虚拟仿真技术在输电线路运检专业技能培训中的应用[J].中国轻工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建构主义-革新传统教学的理论基础[J].电化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黄宵宁，杨志超.超高压架空输电铁塔组立虚拟施工技术研究[J].电力建设，2007，（12）：55-57.

分布式虚拟现实系统 篇4

为了提高数据可视化的交互性与效果, 依托分布式虚拟现实系统实现数据的可视化能够让用户在自由漫游虚拟地球时查看和分析相应的数据, 更感官和形象的了解数据和数据背后所表示的意义。本文首先介绍如何实现基于分布式虚拟现实系统Vi Wo的数据可视化, 然后阐述如何提高数据可视化的绘制效率, 最后在实现过程和加速方法的基础上提出了一些建议。

2 数据可视化的实现

在实现基于分布式虚拟现实系统的数据可视化之前, 首先需要先了解一下本文所依托的分布式虚拟现实系统Vi Wo, Vi Wo首先是一个地理信息系统 (GIS) , 能提供用户对地球空间地理信息的浏览, 本文所做的工作是在Vi Wo的地型基础上实现数据的可视化。

本文数据可视化实现的基本原理是:通过获取的可视化数据如海洋温度信息等, 将这些数据通过经纬度映射到Vi Wo的地型中, 然后通过着色算法将数据转换成相应的色度值和不透明度值, 最后通过与地型融合后以颜色的形式将数据展现给用户。

虚拟地球环境是一个虚拟现实系统平台, 能够提供地型影像数据的实时漫游, 海洋温度信息的可视化依托于这个平台。GPU、实时渲染、opengl图像库、渲染着色管理主要是提供基本的图形绘制接口, 提供多种绘制方案, 合理选择对海洋温度信息的绘制。服务器集群通过数据分析模块筛选出当前状态下需要的可视化信息, 加速大规模可视化数据的网络传输。可视化渲染管理是核心模块主要将网络端传输的信息通过调用相应类型的实时渲染方案, 进行渲染, 然后通过虚拟环境平台将最后的可视化效果展视给用户。用户在浏览海洋温度可视化的时候不仅能实时漫游整个场景, 还能通过相应的操作获得对应的海洋温度可视化信息, 如通过鼠标右击获取当前地型区域的海洋温度信息等。

本文工作的重心是在可视化渲染和渲染效果与分布式虚拟现实系统Vi Wo地形的融合。可视化渲染是通过将虚拟地球划分为经度-180-180, 纬度为-90-90, 精度都是0.5, 相当于把Vi Wo的地形划分为720*360 (根据数据量) 片区域, 然后将数据映射到这些区域中, 再根据相应的数据值查找对应的颜色池中的颜色值, 接下来需要考虑的就是渲染的效果与地型的融合, 这里采用的策略是给颜色值加上不透明度值, 如果一些区域如海洋温度数据的陆地区域不需要数据展示, 通过将这些区域的渲染颜色值设置为透明, 这样就完美实现了数据渲染效果与虚拟现实系统地型的融合, 最后得到的基于分布式虚拟现实系统的海洋温度可视化效果。

3 数据可视化的加速

预处理

上节在介绍如何数据可视化渲染时采取的策略是网络端传输过来数据后实时渲染, 采取这样的策略虽然能实现效果, 但效率不高, 毕竟每次重新加载数据后都要重新渲染, 浪费了大量的CPU运算。本小节采用预处理策略加速, 这里的预处理就是指将全部数据先处理成全球海洋温度可视化图, 主要是通过cximage (图形操作) 类库, 按照上节提到的分成720*360 (根据数据量) 片区域, 然后根据每一片的数据查找颜色表得到该片的颜色值, 再通过cximage类库的函数生成所需要的全球海洋温度可视化图。这样每次数据请求的时候网络只传输预处理好的渲染颜色值和不透明度值, 黑色区域的不透明度值设为0, 其实渲染为黑色表示这些区域没有可用的数据。然后将传输来的颜色值以二重纹理的形式加载到Vi Wo的地型纹理上, 便可以实现可视化效果。这与之前的一边网络传输数据一边渲染加速很多, 并且降低了内存和CPU的使用。

采取上述的预处理技术可以起到加速效果, 但注意到有个问题, 就是当温度数据变化时, 这样的策略实现的可视化无法实时体现温度的变化。这里考虑到海洋温度的更新特点, 只要能体现每小时的海洋温度变化就能达到体现温度变化的需求。于是在预处理时设置定时器, 即每小时都会根据最新的海洋温度数据预处理成海洋温度可视化全球图。

通过本节的预处理方法, 充分考虑了所依托的分布式虚拟现实系统Vi Wo的地型特点, 不仅基本满足了用户的数据可视化需求, 还对前一章节的数据可视化实现起到了加速效果。

四叉树分层

通过上一小节预处理优化加速后, 可以得到预先处理好的全球可视化效果, 这一节是在预处理基础上的进一步优化。

本文采用的的四叉树分层基本原理是, 将预处理好的可视化全球图分割成相同分辨率的多层次子可视化图, 再利用四叉树的结构和分裂特性, 将子可视化图与四叉树的节点绑定, 再通过用户的视角判断可见的节点, 这样只用显示可见节点的子可视化效果, 进而达到加速数据可视化效果。下面将详细介绍如何实现。

首先介绍一下四叉树结构, 四叉树结构简单说就是一种每个节点最多有四个子节点的数据结构。本文采取的策略是, 当视角高度 (视点与球心的距离) 大于2800km时即在初始时分为2个独立四叉树, 然后根据视角向地面拉进开始分裂, 分裂规则是当视角高度小于2800km分裂一次, 然后小于1400km分裂一次, 就是当视角高度小于上一次分裂时视角高度的一半时继续分裂, 这里设置的最大分裂次数为6, 当达到最大的分裂次数时, 四叉树不会再分裂。

其次介绍一下可视化全球图分割, 本文采取的策略是, 将可视化全球图分成7层, 每一层分为{2n*2 (n+1) , 7>n>=0}块分辨率为 (128*128) 的子可视化图片, 也就是说层数越高子可视化图片越精细, 毕竟相同的分辨率下相对上一层子图片, 需要显示的可视化信息更少。这样处理后每一层的子可视化图片就能跟四叉树的节点唯一绑定。随着视角的变化四叉树发生相应的分裂后, 显示分裂后节点绑定的子可视化图片, 但是这有个问题就是视角高度越低分裂的节点越多, 如果每个节点都显示, 肯定会影响效率, 又考虑到视角下并不是所有节点都可见的, 只要显示可见的节点就可以, 这样可以大大提高数据可视化的效率。下面将详细介绍如何裁剪节点。

然后介绍一下本文如何根据用户的视角判断节点的可见性。本文采用的是视锥体可见性判断。视锥体就是一个由两个一近一远相互平行的平面截断的金字塔, 视锥体有6个面组成。根据每个节点内的地形高程值, 给每个节点建一个OBB包围盒。然后通过视锥体与OBB包围盒进行相交测试。如果一个节点的包围盒完全在视锥体内部或包围盒部分在视锥体内部, 即在视锥体六个面的负向法向量上, 则能判断该节点是可见的;如果一个节点的包围盒完全在视锥体外部, 即在视锥体六个面的正向法向量上, 则能判断该节点是不可见的。

总的来说, 本小节就是利用在用户的视角下并不是所有可视化内容都需要显示, 再根据四叉树及可视化全球图的分割判断需要显示的内容, 这样就可以实现根据视角与可见性判断只显示部分数据可视化效果。

4 总结与展望

分布式虚拟现实系统 篇5

近年来,业务的迅猛发展使得传统IMS网络[1]中与业务相关的CSCF,MRF等网络实体面临着“单点失效”和“性能瓶颈”问题[2]。这是由于在IMS网络中的和业务相关的CSCF,MRF这些网络实体,由于实际部署中,一般会只部署一台高性能的计算机,所以存在着“单点失效”和“性能瓶颈”的问题。将单一服务器转变为使用分布式的虚拟控制叠加网络架构,将分布式技术和IMS网络的特点相互融合,基于虚拟化组网之上构建的分布式会话控制叠加网络可以有效地解决以上难题,增强了系统的抗灾能力、扩展能力和负载均衡能力。

针对在现有IMS网络中,资源的划分方式不够弹性,动态分配资源的方式很少的情况,本文提出使用虚拟化组网的方式来划分网络,对资源进行弹性组织和划分,并且使用基于虚拟化的资源隔离技术,来提供资源之间较强的隔离。

云计算作为一种新型的计算模式,利用高速互联网的传输能力,将数据的处理过程从个人计算机或服务器转移到互联网上的计算机集群中,带给用户前所未有的计算能力。目前Amazon,Google,Microsoft等公司都推出了各自的云计算平台。[3]

虚拟化[4]技术已经为全球用户节约了大量成本,特别是云计算[5]领域,更是离不开虚拟化技术的支撑。[6]

随着分布式技术的演进,以及云计算的逐步普及,国内外越来越多的应用开始部署在分布式的化境下。建立一套分布式的叠加网,对分布式虚拟化的虚拟服务提供支持,可以大大的提高IMS系统中虚拟服务的性能和安全性。分布式叠加网作为基础服务,拥有十分强大的可扩展性和易用性,可以大大的提高资源的利用效率,减少资源的浪费。并且由于提供了资源隔离的特性,使得不同的用户间的数据保持了各自的独立性和安全性。[7]

本文提出一种对用户和服务商而言自动、可控、灵活的弹性云计算平台架构,能够根据应用程序和服务的负载使资源弹性分配,实现云计算环境中资源的合理优化和使用。该架构的主要优点包括:(1)分布式虚拟控制叠加网架构;(2)基于虚拟化组网的资源弹性组织和划分策略;(3)基于虚拟化的资源隔离技术。

1系统的需求

为了实现分布式虚拟化组网系统,需要对要分布式虚拟化组网系统进行详细的分析,弄清楚问题的要求,包括需要输入什么数据,要得到什么结果,最后应输出什么。本章首先介绍了系统部署方案,接着介绍了系统在接口方面的需求,然后分别就分布式虚拟组网系统在功能性需求和非功能性需求方面做了研究,最后讨论了性能需求。

1.1功能性需求

普通用户是虚拟化组网系统的直接使用者,他们通过虚拟化组网系统来获得一个他们需要的虚拟子网,并直接使用这个子网提供的服务器,例如通话、短信等。

针对普通用户,虚拟化组网系统提供了几种主要的操作:创建子网、删除子网、扩充子网、缩小子网以及查看子网状态。

1.2非功能性需求

所谓非功能性需求,是指软件产品为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性。软件产品的非功能性需求包括系统的性能、可靠性、可维护性以及可扩展性等。非功能性需求所涵盖的范围非常的广泛,虚拟化组网系统本身并不是孤立存在的,他还涉及到了许许多多的外部环境。非功能性需求要求虚拟组网系统不仅要可用,还要易用。

2系统架构与设计

在电信网路中,订购者根据自身的情况,会向网络提出特定订购的需求。例如,一些公司希望可以租用有100路通话能力的网络。这种需求,可以通过人工为用户组建网络,来满足用户的需求。但这种方式牺牲了网络的灵活性。在用户的需求有变更的情况下,不能及时的做出反应。并且从资源利用率的角度来看,由于采用人工的方式来划分网络,这种方式对资源也会有较大的浪费。

2.1分布式虚拟组网系统的部署结构

使用云计算和虚拟化的技术,来设计和实现的分布式虚拟组网系统,不仅可以提供网络的弹性扩增,而且可以大大的提高资源的利用率。分布式虚拟组网结构图如图1.1所示:

上图是分布式虚拟组网系结构图。其中主要包括用户,虚拟化私有会话网,物理节点。

其中,用户是消费者的角色,用户针对自身的情况,提出对于虚拟化私有会话网的需求,并实际使用为他分配的虚拟子网。

虚拟化私有会话网是一个为特定用户需求而组建的一个虚拟网络。各个虚拟化私有会话网是一个完整的网络,包含通讯网络中的所有元素。虚拟化私有会话网之间保证了资源的隔离的同时,做到了对资源的弹性扩充。

接下来的一层,是网络中的节点,包括CSCF、AS、HSS等服务器。同一个服务器可以同时属于不同的虚拟化子网,同时为多个虚拟化的叠加网络服务器,并且保证多个虚拟化的叠加网络之间的隔离。物理节点的数目可以动态的调整,当要求提高网络的处理能力时,可以方便的加入物理节点。并且在调整时,可以根据需求,有针对性的增加需要的服务器。

网络中最下面一层,是构成了融合网络的各种类型的网络。这些网络提供了物理的服务器资源以及网络带宽资源等。上层的节点是对这些网络的资源的虚拟化。

2.2分布式虚拟组网系统的架构

针对之间分析的分布式虚拟组网系统的部署结构,本节重点介绍分布式虚拟组网系统的架构的设计。

分布式虚拟组网系统的总体架构分为三层,分别是:用户层,逻辑层以及资源层。这样分层的结构,保证了各个层次之间的相互独立,降低了层次间的耦合性。具体架构如图1.2所示。

用户和管理员分别通过用户接口模块和管理员接口模块使用系统提供的能力,用户接口模块和管理员接口模块不负责具体的逻辑实现,只是对系统对外的接口进行了一次封装,以WEB的方式供用户使用系统。

请求进入到系统内部后,经过总控模块实现对所有业务流程的控制,总控模块与下一层的子网管理模块、划分策略模块以及网元节点管理模块进行交互,取得业务所需信息。

划分策略模块需要考虑到网络中的网元节点以及当前网络中的子网状态,这两方面的信息分别从网元节点管理模块和子网管理模块获得。在确认划分策略后,由子网管理模块实现实际的子网划分,并将相应的子网信息保存在子网状态数据库中。相同的,网元节点管理模块实时监控当前的网络和节点情况,并将信息存储在节点状态数据库中。在某个节点发生异常时,由网元节点管理模块向总控模块报告,并做出相应的调整。右侧监控模块负责监控整个系统的状态,包括网元节点和子网状态等信息。最底层的物理节点层是一组实际的网元节点,包括控制类节点CSCF和存储类节点HSS以及一些实现其他功能的网元节点组成,系统提供对网元节点的管理能力。

3关键模块设计

在分布式虚拟组网总体架构的三层架构中,包括了用户接口模块、管理员模块、总控模块、子网管理模块、子网划分策略模块、网元节点管理模块和监控模块等。各个模块之间相互协作,共同构成了分布式虚拟化组网系统。

本章节详细的介绍分布式虚拟组网系统总体框架当中,几个重要的模块:总控模块和子网划分策略模块。

3.1总控模块

3.1.1总控模块的交互

总控模块是整个架构的核心部分,几乎所有的重要模块都要和总控模块进行交互。从功能上,总控模块分别需要与以下几个模块进行交互:

1.与用户和管理员模块接口的交互

需要向用户模块和管理员模块分别提供进行网络管理的接口,支持虚拟网络的创建流程,虚拟网络的扩容流程,虚拟网络的缩容流程以及虚拟网络的释放流程。特别的,对于管理员模块,还需要额外的提供各个虚拟网络的统计数据。

2.与网元节点管理模块的交互

总控模块通过与网元节点管理模块的交互,来了解到具体的各个网元节点的状态。包括新加入了哪些网元节点、哪些网元节点离开了网络、哪些网元节点出现故障等。并在网元节点发生事件的时候,总控模块需要采取对应的措施,来处理事件。

3.与子网管理模块的交互

总控模块通过与子网管理模块的交互,来了解到具体的虚拟子网的状态。这包括各个子网是否运行良好,各个子网的负载情况等。

4.与划分策略模块的交互

当用户或者管理员对虚拟子网有新的划分请求时,总控模块通过与划分策略模块的交互,来获得一个划分策略,并使用该策略,来对子网进行动态的划分。

3.1.2总控类图

总控模块是系统的核心模块,完成对于全部业务流程的控制。总控模块一方面要接收来自用户层的请求,处理之后交由适当的模块来处理,另一方面,总控模块需要协调逻辑层中子网管理模块、划分策略模块以及网元节点管理模块,使他们能够一起高效的协作。

总控模块从能力上来看,总控模块主要需要处理一下的流程:子网创建流程、子网扩容流程、子网缩容流程、子网释放流程、业务信息统计、网元异常处理、能力映射以及新增网元节点。总控模块的类图如2.1图所示:

上图是总控模块类图,接下来分别介绍各个类:

●Main Control

总控类,提供了逻辑层对用户层的接口。负责处理和维护系统大部分的流程。为了降低耦合并提高服务的可兼容性,Main Control以Web Service的形式向用户层提供服务。

●VPNInfo

虚拟子网信息类,负责存储一个虚拟子网的信息。包括虚拟子网中包括了哪些虚拟节点,各个节点之间的连接关系。并提供了查询这些信息的接口。

●VPNID

虚拟子网的ID。为了提高可扩展性,使用一个类来表示一个虚拟子网的ID。

●User Desc Info

用户描述的信息类。通过一个Map,用来存储用户所描述的信息。

●Ability Type

用户可以描述的信息的种类。枚举用户可以描述的信息的类型。User Desc Info类使用该枚举类型来记录用户描述的信息的类型。

●Inner Desc Info

内部服务器能力描述的信息类。通过一个Map,用来存储内部服务器能力描述的信息。

●VMType

内部服务器的种类。枚举内部服务器的类型。Inner Desc Info类使用该枚举类型类来记录内部服务器信息。

3.2子网划分策略模块

子网划分策略模块是整个分布式虚拟组网架构中的策略模块,所有的网络划分的具体策略,都由该模块提供。

3.2.1子网划分策略模块的结构

子网划分策略模块主要由需求映射解析和子网划分算法两部分组成。具体结构如下图所示:

上图是子网划分策略模块内部框图的内部框图,主要有两部分组成:

1.需求映射解析模块

将用户需求映射为系统内部使用的数据结构。即将用户描述的各种实际的通话能力、短信能力以及彩信能力等等,转化成内部的服务器的能力的描述。

2.子网划分算法模块

完成核心划分算法,考虑现有实际网络拓扑结构和已划分的子网情况,满足用户对于子网能力的需求,得到最优的子网划分结果。子网划分算法模块内部能同时支持多种划分策略,在实际划分时,即可以通过配置文件,人为的指定使用哪一种划分策略;也可以在运行时,有子网划分算法模块动态的选择最合适的划分算法。

3.2.2子网划分策略模块的考虑

子网划分策略模块是划分子网的策略中心,所有的网络划分的具体策略,都由该模块提供。子网划分策略模块每次做出子网的划分,都需要考虑多方面的需求,以下是需要考虑的几个方面:

1.用户的需求

考察子网划分策略模块所做出的决策是否合适的最重要的一个因素是,划分出来的子网是不是满足用户的需求。能够满足用户的需求,是一个子网的最基本也是最重要的要素。

2.现有子网的状态

新划分出来的子网,要考虑现有子网的状态。新划分的子网要不影响现有的子网。

3.空闲的网络元素的状态

在划分新的子网的时候,需要考虑当前空闲的网络元素的状态。

4.子网的网络拓扑

新划分的子网,需要有一个优异的网络拓扑结构。根据具体网络的所承载的业务不同,需要有不同的网络拓扑结构,来满足业务的需求,提高业务的性能。

5.子网的扩展性

新的子网划分出来之后,并不是一成不变的。当用户的业务有扩张或者缩小时,用户会对子网提出扩招或者缩小的要求。所以在划分新的子网的时候,需要充分的预计到网络以后可能扩展,从而划分出一个对扩展友好的子网。

子网划分策略模块至少要对以上的几个方面进行综合的考虑,才能得出一个相对优异的划分策略。

3.2.3子网划分策略模块的流程

子网划分策略模块的主要流程图如图2.3所示:

上图是子网划分策略模块流程图。如图所示,整个流程的输入是用户对于子网的请求,包括子网实际功能的描述,如支持10路通话。输出是子网划分策略模块经过计算,所得出的划分策略。

整个流程分为如下几个步骤:

1.用户请求转化成内部数据

用户的请求是以具体业务描述的,例如用户需要有100路通话能力的网络。在建立虚拟子网的时候,需要的是具体的各个服务器的数量的描述,例如需要3个CSCF服务器,2个HSS服务器等。所以首先需要把用户的请求,转化成内部数据。

2.获得其他子网状态

子网划分策略模块在划分新的子网时,需要知道已有的其他子网的状态。用来为新的子网划分策略做辅助。

3.获得网络元素状态

子网划分策略模块在划分新的子网时,需要知道网络元素的状态,即需要知道个个服务器节点的状态。

4.选择算法

对于不同的用户,其请求的网络的用途也不尽相同。对于不同的网络,选择适合和算法,来为该请求划分对应的子网。

5.执行算法划分子网

在收集到了所需的信息,即以内部形式表示的用户的请求、子网的状态、网络元素的状态,并确定了具体的划分算法之后,就可以运行该算法,给出一个子网划分策略。

经过以上的各个步骤,子网划分策略模就可以得出一个相对优异的划分策略。最终这个策略将会返回给总控模块,然后转发给子网划分模块。最终由子网划分模块来实际的执行这个划分策略,将子网划分出来。

4典型流程介绍

之前章节介绍了逻辑层的类图以及主要模块,本节介绍分布式虚拟化组网系统中的一些主要流程。

4.1创建子网流程

分布式虚拟化组网系统最重要的一个工作流程是创建子网流程。该流程几乎涉及到了分布式虚拟化组网系统的所有模块,是所有流程中规模最大的一个流程。

当用户希望获得一个新的虚拟子网时,通过相应的接口,向分布式虚拟化组网系统提出请求,该请求被用户接口模块获得,并转发给总控模块。总控模块需要从子网管理模块获得当前所有子网的信息,从网元节点管理模块获得网络总所有网元节点的信息,并将该信息提供给划分策略模块,并由该模块综合获得的信息,得出一个划分策略。总控模块获得该策略后,将该策略发送给子网管理模块,并由该模块按照给定的策略划分出子网。子网的信息被逐层返回,最终返回给用户。具体的流程图如3.1:

上图是创建子网的流程图,从图中可以看出,该流程涉及到了多个模块,是一个比较复杂的流程。主要的参与者包括:用户、用户接口模块、总控模块、网元节点管理模块、子网管理模块以及划分策略模块等。流程具体说明如下:

1.用户请求创建子网。并同时提供用户对子网的能力的要求。

2.用户接口模块接到用户请求,连同用户对子网的要求一起发送给总控模块。

3.总控模块向子网管理模块请求当前网络中所有的子网的信息。

4.子网管理模块返回给总控模块当前网络中所有的子网的信息。

5.总控模块向网元节点管理模块请求当前网络中所有的网元节点的信息。

6.网元节点管理模块返回给总控模块当前网络中所有的网元节点的信息。

7.总控模块向子网划分模块请求划分策略,并同时将已经获得的当前网络中所有的子网的信息以及网元节点的信息提供给子网划分模块。

8.子网划分模块根据当前子网信息以及网元节点信息,使用适当的算法,计算出适合当前网络状态以及用户需求的划分方案。

9.子网划分模块将计算出的方案返回给总控模块。

10.总控模块将划分方案提供给子网管理模块,请求按照该方案划分子网。

11.子网管理模块按照给定方案划分子网。

12.子网管理模块返回新划分虚拟子网的信息。

13.总控模块将新划分虚拟子网的信息返回给用户接口模块。

14.用户接口模块将新划分虚拟子网的信息返回给用户。

4.2删除子网流程

当用户使用一段时间的虚拟网络后,由于某些原因而需要删除掉为他分配的虚拟网络。对于这种情况,系统提供删除子网的功能,为用户删除掉该子网,并且释放掉该子网所占有的各种资源。删除子网流程如3.2图所示:

上图是删除子网的流程图。删除子网流程设计到了用户、用户接口模块、总控模块以及子网管理模块。相对来说,删除子网流程是一个简单的流程。

1.用户请求删除一个已有的子网

2.用户接口模块接到用户请求,连同用户的信息一起发送给总控模块。

3.总控模块按照用户的属性,向子网管理模块提出删除子网的请求。

4.子网管理模块删除掉指定的子网,并回收利用该子网的资源,供下次使用。

5.子网管理模块返回给总控模块子网删除成功的消息。

6.总控模块返回给用户接口模块子网删除成功的消息。

7.用户接口模块返回给用户子网删除成功的消息。

4.3子网扩容流程

当用户使用一段时间的虚拟网络后,如果业务有增长,相应的对子网的容量也有增加的需求。这时,就需要系统通过子网扩容的流程,来为用户已有的子网增加更多的处理能力。子网扩容流程如3.3图所示:

上图是子网扩容的流程图。从图中可以看出,和创建子网流程类似,该流程涉及到了多个模块,在总控模块的控制下,多个模块共同合作完成了该流程。主要的参与者包括:用户、用户接口模块、总控模块、网元节点管理模块、子网管理模块以及划分策略模块等。流程具体说明如下:

1.用户请求对已有的子网进行扩容。并同时提供用户对子网能力的新要求。

2.用户接口模块接到用户请求,连同用户对子网的要求一起发送给总控模块。

3.总控模块向子网管理模块请求当前网络中所有的子网的信息。

4.子网管理模块返回给总控模块当前网络中所有的子网的信息,包括用户当前子网的信息,以及所有其他子网的状态信息。

5.总控模块向网元节点管理模块请求当前网络中所有的网元节点的信息。

6.网元节点管理模块返回给总控模块当前网络中所有的网元节点的信息。

7.总控模块向子网划分模块请求扩容策略,并同时将用户当前子网的信息、其他子网的信息以及网元节点的信息提供给子网划分模块。

8.子网划分模块根据当前子网信息以及网元节点信息,使用适当的算法,计算出适合当前网络情况以及用户需求的扩容方案。

9.子网划分模块将计算出的扩容方案返回给总控模块。

10.总控模块将扩容方案提供给子网管理模块,请求按照该方案对用户的子网进行扩容。

11.子网管理模块按照给定方案对子网进行扩容。

12.子网管理模块返回扩容后的虚拟子网的信息。

13.总控模块将扩容后的虚拟子网的信息返回给用户接口模块。

14.用户接口模块将扩容后的划分虚拟子网的信息返回给用户。

5结论

云计算作为一种新型的计算模式利用高速互联网的传输能力将数据的处理过程从个人计算机或服务器转移到互联网上的计算机集群中带给用户前所未有的计算能力。

电信网络存在着大量的服务器节点,将电信中的服务器资源,通过云计算的方式组织起来,即可以高效的管理各个服务器节点,又能以弹性和灵活方式提供虚拟网络的服务。不仅提高了对服务器的利用率,更是可以方便的实现了虚拟网络间的资源隔离。云计算和虚拟化在电信网络中的应用,有着广阔的前景。

摘要：云计算是一种新型的计算模型,能够给用户提供可靠的、弹性的、高资源利用率的服务。通过将云计算和虚拟化技术引入融合网路中,本文设计并实现了一种在融合网络下的,分布式虚拟化组网的解决方案。

关键词：下一代网络,云计算,虚拟化,IMS

参考文献

[1]Wikipedia IMS Network[OL].[2012-11-26].http://en.wikipedia.org/wiki/IP_Multimedia_Subsystem/

[2]申敏,魏玄.分布式IMS架构与关键技术[J].数字通信,2009,(6):36-40

[3]黄鹤.云计算体系结构论述[J].现代商贸工业,2010,22(5):325-325.

[4]Wikipedia Virtualization[OL].[2012-11-26].http://en.wikipedia.org/wiki/Virtualization/

[5]Wikipedia Cloud Computing[OL].[2012-11-26].http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing

[6]陈俊忠.金融互联专网设计和实现[J].硅谷,2011,(15):110-110.

分布式虚拟现实系统 篇6

分布式光伏发电作为新能源发电的重要组成部分,许多国家已经做出大规模开发利用的决策和规划[1]。但由于光伏发电间歇性、波动性等特点以及目前“安装即忘记(fit-and-forget)”的管理方式,分布式光伏并网容量的不断增加必将会对配电网的安全可靠运行带来越来越严峻的挑战。

虚拟电厂(virtual power plant,VPP)基于对用户需求、负荷预测和发电预测的分析,通过制定最优发电计划来统一协调管理分布式光伏的出力[2,3,4],不仅可以改善光伏发电的调度难度以及对配电网的冲击影响,还可以使得光伏发电参与电力市场的经济运行。储能系统(energy storage systems,ESS)作为VPP的重要组成部分,凭借其快速功率调节与供需特性[5]为大规模光伏并网后系统的稳定经济运行提供了重要保证[6]。而ESS配置是其作用发挥的重要因素,合理与否将会影响VPP的稳定经济运行。

目前国内外对于ESS配置做了大量研究:文献[7-8]利用ESS平抑可再生能源功率波动的作用,以ESS最小容量为目标,经过对数据的采样处理,先确定ESS额定功率再确定ESS额定容量;文献[9]利用ESS平抑光伏功率波动的作用,以ESS年均最小成本为目标函数对混合储能优化配置进行求解;文献[10]利用ESS的削峰填谷作用,提出了以综合效益最大化为目标的增加电网调峰能力、提高风电接纳能力的ESS容量优化配置方法;上述文献利用ESS平抑可再生能源波动和削峰填谷的作用,或以最小容量为目标,或以效益成本为目标,所体现的ESS作用和目标函数较为单一。文献[11] 在并网光伏系统中,基于分时电价以所有购电费用和储能损耗成本为目标求解ESS最小容量,在此过程中利用分时电价间接得到ESS的调度策略;文献[12]在文献[11]基础上,加入峰值充电电价,并在 “典型日”中运用混合整数规划求解调度过程,最后得到ESS容量;两篇文献在ESS配置过程中考虑了ESS调度优化,但调度优化仅涉及ESS削峰填谷所带来的经济性因素且求解过程局限于“典型日”。

基于以上研究,为了体现ESS在VPP中的多种作用,并使得每种配置的作用得到充分发挥,本文通过对VPP中ESS的作用分析,搭建了体现ESS需求响应、削峰填谷和提高电压质量作用的经济、网供和电压子目标函数,并以此为依据构建了含有ESS调度和ESS优化目标函数的ESS优化配置模型,在将二者归一化后采用混合整数线性规划(mixed integer linear programming,MILP)和粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)对模型进行求解。最后在由IEEE 33节点系统组成的VPP中验证了所提模型的可行性,并得出了权重改变会对配置结果产生影响及最优配置是三方面作用相互协调结果的结论。

1 VPP中ESS配置求解分析

1.1 VPP运行过程分析

为了便于对VPP中ESS配置的求解,本文首先搭建了集中控制结构的VPP运行模型[13],模型中含有大规模分布式光伏、可中断负荷和ESS,具体如图1所示。

图1主要描述了在VPP控制中心的控制下, VPP运行时的电能和信息流动情况。在此模型下, VPP控制中心可以完成与光伏、负荷、电力市场和配电网的信息交互,通过对光伏发电和负荷用电信息的处理预测供需信息,再依据市场规则合理调度ESS和可中断负荷等可控资源出力,从而完成VPP的经济稳定运行。

从VPP运行过程可以看出,在已知VPP其他分布式能源(distributed energy resources,DER)信息情况下,ESS配置大小应与VPP市场规则和ESS对VPP经济稳定运行的作用有关。

1.2 VPP市场规则

VPP市场规则影响着ESS调度结果,间接影响ESS作用的发挥,在对ESS配置求解时必须建立明确的市场规则。 本文制定的VPP与配电公司(distribution company,DISCO)、终端用户的市场规则[14]如下。

1)VPP与DISCO。VPP通过电力市场与DISCO建立分时电价联系,当VPP自身发电不足时,以分时电价向DISCO购电;当VPP调度ESS和可中断负荷实现VPP的需求响应时,VPP可获得以分时电价为基准的激励补偿。

2)VPP与终端用户。VPP以一定的零售价格与终端用户建立市场联系,VPP调用自身分布式电源或购买电能为负荷供电,此时VPP卖电价格为固定的零售价格;而当VPP调用终端用户侧可中断负荷实现需求响应时,终端用户获得以零售价格为基准的激励补偿。

1.3 VPP中ESS作用分析

在具有大规模分布式光伏的VPP中,ESS配置是其作用发挥的重要因素,而ESS作用大小也一定程度地决定了ESS配置大小,因此可以根据ESS的作用建立ESS配置模型。在本文配置ESS过程中涉及的ESS作用主要包括以下几方面。

1)需求响应,实现经济运行

由于VPP聚合其内DER直接参与电力市场运行,因此VPP可以根据电价信号合理调度ESS充放电实现VPP的需求响应,增加VPP供电弹性的同时,提高经济收益,实现VPP的经济运行。

2)削峰填谷,稳定网供功率

在具有大规模分布式光伏的VPP中,光伏与负荷的错峰现象使得两者的差值曲线具有巨大的峰谷差值,为VPP的运行带来了严峻挑战,而ESS凭借其供需特性可以实现削峰填谷作用,协调光伏出力和用户需求,减小网供峰谷差值,进而稳定网供功率。

3)改善电压环境,提高电压质量

大规模分布式光伏接入VPP后,其间歇性和波动性以及不规则启停对VPP电压质量造成了较大的影响,而具有供需特性的ESS可以快速响应并协调光伏出力,改善VPP电压环境,提高VPP电压质量。

2 VPP中DER建模

在结合ESS作用求解ESS配置前,应首先建立各DER的数学模型。

2.1光伏阵列模型

光伏阵列的输出功率受光照强度和环境温度的影响[15],其模型可表示为[16]:

式中:PPV为光伏电池组件的实际输出功率;PSTC为标准测试条件下光伏阵列的最大输出功率;GC为实际辐照强度;GSTC为标准测试条件下的辐照强度;k为功率温度系数;Tc为电池温度;Tr为参考温度。

2.2可中断负荷模型

可中断负荷作为VPP的可控资源,可与ESS共同完善VPP的经济稳定运行,其容量大小与调度情况必将影响ESS的配置结果。由于可中断负荷的实施通常通过签订合同来实现,且其中合理的补偿费用是重要激励手段,本文将可中断负荷转化为经济因素参与ESS配置的求解。

可中断负荷合同的主要内容包含合同有效期、 提前通知时间、中断持续时间、负荷中断容量、补偿费用等[17]。在合同有效期内,不计提前通知时间, 结合VPP激励补偿,以调度可中断负荷VPP所获经济收益最大为目标,建立VPP可中断负荷调度收益模型为:

SIL(t+m,t)=1 m=1,2,…,ncon(i)-1

式中:t为时间;Tcon为合同有效时间;i为能提供可中断负荷的用户编号,共有n个;SIL(t,i)为0-1变量,表示t时刻用户i的可中断负荷的状态,0表示未中断,1表示中断;CIL(t,i)为t时段用户i的可中断负荷的中断容量;λ1(t)为DISCO给VPP的激励补偿电价,为分时电价;λ2为VPP给终端用户的激励补偿电价,为固定零售电价;CNIL(i)为用户i的可中断负荷总容量;ncon(i)为用户i可中断负荷的中断时间;ntot(i)为用户i在合同期限内的总中断时间。

式(2)为目标函数,式(3)至式(5)为约束条件, 式(3)为中断负荷的容量大小约束,式(4)为中断负荷的持续时间约束,式(5)为用户i在合同期限内总中断时间约束。

2.3 ESS模型

ESS工作状态可分为闲置、充电和放电三种情况,为了合理地区分三种工作状态,本文引入变量Bch(t)和Bdis(t),分别表示充电和放电状态(1为 “是”,0为“非”),忽略自放电率对模型的影响,建立的ESS模型[18]为:

其中

式中:C(t)为t时段ESS总电量;C(t-1)为t-1时刻ESS总电能;Δt为1h;Pch(t)和Pdis(t)分别为ESS在t时刻的充电和放电功率;ηch和ηdis分别为ESS充放电效率;Csto为ESS额定容量;Ssoc(t)为t时刻ESS荷电状态;Ssoc,min和Ssoc,max分别为ESS荷电状态的最小值和最大值,文中分别为0.2和1; Psto为ESS额定功率。

式(6)为t时刻ESS所储电能与充放电功率的关系;式(7)至式(10)为约束条件。式(7)为ESS容量约束;式(8)为充放电时的充放电功率约束;式(9) 为ESS工作状态约束,表示闲置、充电与放电,ESS只能处于一种状态;式(10)为ESS周期约束,在周期始末ESS的所储能量均为额定容量的20%,ESS调度求解时以天为单位做年仿真处理;式(11)为从能量角度定义的ESS荷电状态。

3 VPP中ESS优化配置模型

由于VPP中ESS配置求解时,ESS充放电策略未知,并且不同的ESS配置,其优化调度结果会不同,若采用统一的调度策略,必将会对反映ESS作用的各子目标结果产生不利影响。因此,需建立ESS调度目标函数,确定ESS的调度策略并确保不同配置的ESS作用得到充分发挥。

结合1.3节中ESS对VPP经济稳定运行的作用,本文建立了包含经济、网供和电压的子目标函数,并以此为依据建立了ESS优化配置模型,模型中包括ESS调度和ESS优化目标函数,二者分别由部分或全部子目标函数组成。

3.1子目标分析

3.1.1经济子目标

经济子目标包括VPP调度收益、财政补贴和ESS成本费用年值,VPP调度收益包含ESS完成需求响应后的收益,三者共同评价ESS接入后VPP的经济运行情况。

1)VPP调度收益

本文VPP的调度收益是指在VPP通过市场购买电能或调配自身拥有的分布式电源向终端用户供电过程中所获取的经济利益。在VPP运行过程中, VPP不向配电网送电,只在自身无法满足负荷需求的情况下从配电网购电,按照1.2节的市场规则, VPP调度收益应包括负荷供电收益、电网购电成本、ESS放电补偿和可中断负荷中断补偿差价,具体如式(12)所示。

式中:E1为VPP全年调度总收益;PL(t,j)为t时刻第j个负荷的有功需求;m为VPP中负荷的总个数;D为全年仿真天数。

2)VPP财政补贴

根据光伏发电补贴方案[19],在VPP接入ESS后,若对VPP中光伏和ESS实施按照发电量进行电价补贴的政策,则VPP所获财政补贴收益为:

式中:E2为年发电量补贴;Ppv,load(t)和Pbess,load(t)分别为t时刻光伏和ESS对负荷的供电量;λ3为补贴标准,补贴单价为0.42元/(kW·h)。

3)ESS成本费用年值

对于电化学储能,其寿命是关于放电深度的复杂函数,可采用等效寿命计算的方法得到,但考虑到ESS模型中ESS每日放电后,放电深度均为0.8,简化ESS寿命计算过程,使用年限如式(14)所示。

式中:n0.8为ESS在放电深度为0.8时的循环寿命; Ysto为ESS寿命;Lcycle为ESS年循环使用次数,本文采用雨点计数法对ESS年循环使用次数进行统计。

在ESS寿命周期内,ESS成本主要包括初始成本和运行维护成本。 根据ESS寿命和贴现率对ESS成本进行分摊处理,得到成本费用年值[20,21]如式(15)至式(17)所示。

式中:Call为ESS成本费用年值;Cini为ESS初始成本;CO&M为ESS运行维护成本;r为贴现率,取值为9%;ns,c为ESS容量单价;ns,p为ESS功率单价;x和y分别为ESS能量与功率的运行维护成本和初始投资的比值,二者取值均为2%。

由此可得经济子目标为:

式中:f1为经济子目标。

3.1.2网供子目标

光伏与负荷的错峰现象使得两者的差值曲线具有巨大的峰谷差,而ESS对该差值的削峰填谷作用可由VPP调度中网供功率的峰谷差体现,当ESS配置适当,ESS的削峰填谷作用最大时,VPP网供功率峰谷差值最小。结合ESS模型特点,在对ESS进行调度求解时,可以将8 760h分为365d,对每天分别求解,因此本文以每天调度中的最小网供峰谷差为目标,建立的网供子目标为:

式中:f2为网供子目标;Pgrid,max和Pgrid,min分别为一天内的网供功率最大值和最小值。

3.1.3电压子目标

ESS具有改善电压环境、提高电压质量的作用, 本文利用L指标[22]来描述VPP安装ESS后系统电压质量,并记为电压子目标。L指标可分为局部L指标和全局L指标,局部L指标用于衡量系统各节点的电压稳定程度,而全局L指标则是衡量整个系统的电压稳定程度。本文选取全局L指标作为评价VPP电压稳定程度的子目标,全局L指标公式为:

式中:αG为所有发电机的节点集合;αL为全部负荷的节点集合;Lj为第j个负荷节点的局部指标;Vi为第i个发电机节点的复电压;Vj为第j个负荷节点的复电压;Fji为负荷参与因子。

L取值范围为[0,1],L值越接近1,系统电压越容易崩溃,在ESS配置适当的情况下,VPP电压质量最好,L取值最小。因此,电压子目标为:

式中:f3为电压子目标。

3.2 ESS调度目标函数

由于电压子目标需进行系统仿真获得,作为变量参与VPP中ESS调度规划较为困难,本文选择经济子目标中能反映ESS调度经济收益的VPP调度收益目标和反映削峰填谷作用的网供子目标作为ESS调度目标函数,具体如式(22)所示。

式中:F1为ESS调度目标函数。

3.3 ESS优化目标函数

ESS优化目标函数是一定配置的ESS接入VPP后的综合评价函数,为从不同ESS配置中对比选取最优配置提供依据。本文ESS优化目标函数包含经济、网供和电压子目标,具体如式(23)所示。

式中:F2为ESS优化目标函数。

3.4约束条件

在ESS优化配置模型中,除了考虑式(3)至式(5)和式(7)至式(10)中DER设备的运行约束外, 还应考虑系统约束。

1)系统电能平衡约束。VPP中光伏出力、ESS充放电、可中断负荷投切、用户负荷和并网功率应实现电能量平衡。

2)ESS最小容量功率约束。本文VPP不向电网供电,净负荷中光伏剩余电量必须由ESS全部吸收,因此需要根据净负荷大小来设置ESS最小容量和最小功率。

式中:Csto,min和Psto,min分别为根据净负荷曲线求得的ESS最小容量和最小功率。

3)VPP电压约束。VPP在正常运行时,各节点电压应在允许范围内。

式中:Vmin和Vmax分别为最小和最大允许电压值;Vi为VPP节点i的电压值。

综上所述,可得ESS配置模型为:

4模型求解

4.1多目标归一化处理

ESS配置模型中不同子目标函数存在不同量纲和不同数量级问题给ESS优化配置模型的求解造成了很大的难度,考虑到多目标最优解与各子目标最优解密切相关但又无法明确的关系,本文选择采用归一化方法对各子目标函数进行处理,并通过添加权重将多目标函数变为无量纲的单目标函数。

对于不同子目标函数,有些取值越大越好,有些取值越小越好,本文将前者称为偏大型目标函数,后者称为偏小型目标函数,为了使二者同时参与运算, 本文对二者的归一化做了如下处理:

式中:f为目标函数;f~为归一化后的目标函数; fmax和fmin分别为目标函数f的最大值和最小值。

ESS调度目标函数中,网供子目标为偏小型目标函数,VPP收益为偏大型目标函数;ESS优化目标函数中,经济子目标为偏大型目标函数,电压子目标为偏小型目标函数,分别归一化后得到新的目标函数为:

式中:w1,w2,w3,w4和w5为权重,满足w1+w2=1和w3+w4+w5=1;为归一化后的VPP调度收益、经济子目标、网供子目标和电压子目标,可由式(28)求得。

4.2模型求解过程

ESS配置模型包含ESS调度和ESS优化目标函数,在将二者归一化后,分别采用MILP和PSO对ESS最优配置进行求解。其中,MILP用于求解ESS调度目标函数,PSO用于求解ESS优化目标函数。具体为在利用PSO寻找ESS最优配置时,每次迭代MILP都会对每个包含ESS配置信息的粒子进行调度优化,使每个ESS配置粒子都处于最优调度状态,最终通过多次迭代得到最优配置结果。

考虑到实际中的ESS额定容量与额定功率的取值和倍数关系等,本文引入H变量来引导模型求解时ESS配置中容量与功率关系,H为ESS额定容量和额定功率的比值,物理意义为ESS在满状态(或零状态)情况下以额定功率放电(或充电)时所能使用的时间,H取值为整数,范围为[1,n](n值可依据实际情况选取)。利用MILP和PSO对每个H值下的ESS优化配置进行求解,通过对比n个H值下的优化配置结果,选取F2值最大的ESS配置作为VPP的ESS最优配置。 具体求解过程如图2所示。

5算例分析

5.1算例介绍

本文选取IEEE 33节点系统作为VPP仿真系统,其拓扑结构如图3所示。假设在节点6,12,18, 22和28处接入光伏,接入光伏容量分别为300, 300,500,800,500kW,光伏容量渗透率达51%;节点7,23和30处具有可中断负荷,中断容量分别为50,100,50kW;ESS接入节点1,位于VPP的电能入口处;采用某地区全年实际光照强度和负荷数据, 仿真时长为8 760h,间隔为1h,VPP光伏输出数据和电力需求数据见附录A图A1和图A2。

假设本文签订的可中断负荷合同数据如表1所示,由于夏季7,8月份负荷峰值较高,选择在7,8月份每日用电高峰时段中断可中断负荷。

选用目前应用广泛、比能量适中、高倍率放电性能好的铅酸蓄电池作为ESS。基于式(25),求得的ESS最小容量Psto,min为7 800kW ·h,最小功率Psto,min为1 100kW,考虑ESS成本规定ESS容量上限为15 000kW·h;容量单价为1 500元/(kW· h),功率电价为1 000元/kW,并假设ESS循环寿命可达2 000次。

算例中VPP与配电公司实时分时电价政策,根据负荷特征将峰时段定为10:00—11:00和15:00— 20:00,平时段定为07:00—09:00,12:00—14:00和21:00—22:00,谷时段定为01:00—06:00和23:00—24:00,分时电价如表2所示。VPP与终端用户实施零售电价政策,电价为0.49元/(kW·h)。

5.2 ESS配置求解

1)ESS调度优化

在对ESS进行调度仿真时,需将ESS调度目标函数处理为单目标函数,在此过程中求得各子目标的最值如表3所示。

从VPP盈利角度,调度收益目标应比网供目标权重大,且网供目标权重不应太小以保证ESS较少的日周期内充放电次数,进而延长使用寿命。为此, 本文设置w1=0.6,w2=0.4,可得处理后的ESS调度函数为:

在配置为1 560kW/7 800kW·h的ESS接入VPP后,利用MILP求得的调度结果如图4所示。 图4所示为4 608~4 680h的VPP电能调度结果, PNetLoad为净负荷曲线,PNetLoad-PIL为可中断负荷中断后的净负荷曲线。一方面ESS在分时电价与激励补偿的作用下,可以完成对负荷的削峰填谷,使得VPP所获收益增加;另一方面ESS合理的调度策略使得满足净负荷曲线的网供功率峰谷值大大减小。 图5为1 560kW/7 800kW·h的ESS以不同目标函数调度时ESS所储电能的变化情况,如图中所示,ESS调度目标函数曲线位于调度收益子目标曲线和网供子目标曲线之间,说明ESS在权衡经济收益目标和网供目标的情况下得到最优调度。结合图4与图5,可以看出利用ESS调度目标函数,VPP在满足调度收益和网供目标的基础上可以实现对接入ESS的优化调度。

2)ESS配置优化

在利用PSO对ESS优化配置求解时,首先需将ESS优化目标函数处理为单目标函数,在此过程中求得的各子目标最值如表4所示。

ESS安装后应带来足够的经济利益,因此求解ESS优化目标函数应在可获得经济收益的条件下, 即f1,max=0且f1>0,则ESS优化目标函数为:

5.3 VPP中不同权重下的ESS配置

由于VPP的盈利性,ESS优化配置目标函数中权重取值还应满足:1经济子目标权重大于网供子目标和电压子目标;2网供子目标与电压子目标作为评价VPP供电质量的子目标函数,在本文中二者地位同等,故权重相等。则三个子目标的权重关系可表示为:

为了探讨不同权重下的ESS配置,选取满足上述条件的三种权重组合,并求得每种组合下的ESS配置如表5所示。

如表5所示,在经济子目标权重w3由0.4变为0.8时,ESS配置由1 567kW/7 835kW·h变为1 305kW/7 830kW·h,经济子目标权重的增大使得ESS额定容量和额定功率减小,反映出VPP收益越高ESS配置越小的特点。同时,权重的大小会影响配置结果说明在实际情况中应根据实际所需选取权重因子。

5.4与其他ESS优化配置模型的比较

不同的ESS优化配置模型体现了ESS不同的作用。用文中的三个子目标函数另构建两个ESS优化配置函数,并求得ESS配置结果如表6所示。

ESS优化配置函数F3体现了ESS接入VPP后的经济性作用,F4则体现了ESS的削峰填谷与提高电压质量方面的作用。表6中显示F4得到的ESS配置比F3大,说明ESS配置越大,其经济性越差而削峰填谷和提高电压质量的作用效果越好;对比5.3节中配置函数F2得到的ESS配置,发现其值位于F3与F4之间,说明配置函数F2综合了F3与F4的ESS作用,最优配置为ESS经济性、削峰填谷和提高电压质量三方面相互协调的结果,其值偏向于F3得到的ESS配置是由于w3偏大及经济性对ESS配置影响较大造成的。

6结论

本文在具有大规模分布式光伏的VPP中对ESS的优化配置进行求解,围绕ESS三种作用建立了包含ESS调度目标函数和ESS优化目标函数的优化配置模型,并在由IEEE 33节点系统组成的VPP中利用MILP和PSO对ESS模型进行求解验证,得出了以下结论。

1)利用ESS调度目标函数可以实现每种ESS配置的调度优化,利用ESS优化配置模型可以求得ESS配置结果,从而验证了模型的可行性。

2)通过仿真VPP中不同权重下的ESS配置, 得到了增大经济子目标权重,ESS最优配置中的额定容量和额定功率减小的结论。

3)所搭模型可以体现ESS经济性、削峰填谷和提高电压质量三方面的作用,并且ESS配置越大, 其经济性越差而削峰填谷和提高电压质量作用效果越好,三者对比而言,经济性对ESS配置影响较大。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info. com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：以虚拟电厂作为分布式能源的能量管理方式,在具有大规模分布式光伏的虚拟电厂中围绕储能系统的三方面作用对其配置进行求解。首先基于虚拟电厂运行模型分析了储能系统的需求响应、削峰填谷和提高电压质量作用,然后结合各分布式能源的数学模型搭建了经济、网供和电压子目标函数,从而构建了储能系统的优化配置模型,模型中包含储能系统调度和储能系统优化目标函数,在确保每种配置的作用充分发挥的同时筛选出体现储能系统三方面作用的最优配置,最后将目标函数归一化后采用混合整数线性规划和粒子群优化算法对模型进行求解。仿真结果验证了所提模型的可行性,并得出了权重改变会对配置结果产生影响及最优配置为三方面作用相互协调结果的结论。

分布式虚拟现实系统 篇7

随着互联网应用价值链上内容、终端等各方的逐步成熟, 覆盖区域的缺陷将会在短期内极大影响到业务使用量的发展。因此, 客户随时随地使用互联网服务的习惯也将会因此受到极大的局限。寻求迅速而低成本地扩大接入网络覆盖范围的研究成为热点。

电力网改革的启示

为了寻找解决上述瓶颈问题的创新性网络架构, 可以利用类推法先分析与无线宽带互联网具有一定相似性的电力能源网络架构的演进情况。

传统的供电系统是集中式系统。供应商根据生产能力生产出电力, 然后通过传输网络传送到配送层, 最后再由配送层供给最终用户;多余的电力能源储存以用于应付能源高峰阶段供给不足的情况。

这种配送电力的方式, 具有以下几个缺点:能源信息管理基本是自上而下的, 用户的需求基本上没有得到反应;对用户需求的变化调整反应并较迟滞;传送过程造成大量的能源损耗和浪费;发电方式比较单一, 对新能源尤其是可再生能源的利用不足。

针对这几个缺点, 国外从20世纪70年代开始研究分布式能源系统, 并已经得到了有效的推广。分布式能源系统改变了整个能源的供应架构, 其核心思想有两条:“有需求再生产”、“哪里生产, 哪里消费”。

“有需求再生产”指的是能源的生产计划不再是根据供应商的产能, 而是根据最终消费用户的需求来进行安排。这样一来, 能源管理信息的流向就由自上而下变成了自下而上, 用户需求成为了生产的导向, 大量的能源存储和能源调配成本得到了节省。

“哪里生产, 哪里消费”指的是能源的生产不再是纯集中式的, 生产尽可能靠近最终用户的所在, 而且根据用户所在地的条件尽可能采用可再生能源。例如靠近海边的客户就可以利用风能、潮汐能等而无需能源的长距离传送。能源的生产被“分布化”了。

分布式能源系统带来的好处是显而易见的。首先, 大量的能源转化、传送工作得到了精简, 能源利用率得到了极大的提高;其次, 用户的需求成为能源生产的主要决定因素, 市场和用户导向带来了能源生产的精确性;最后, 也是最重要的一点, 用户侧自身的产能得到了有效的利用, 尤其是太阳能、风能、水能等新能源的利用, 能够大大节省不可再生能源的消耗, 有效地保障了客户的能源需求。总结电力能源网络架构的演进过程, 可以得到表1。

对固定宽带资源丰富的运营商来说, 快速建设一个广泛覆盖的无线宽带网络有另一种方式。

类推法:无线宽带如何借鉴

从电力能源的网络架构创新上, 可以得到关于无线宽带网络建设的新思路。从创新网络架构出发, 可以类推出相应的低成本广覆盖宽带接入网络的模式。

分析可以看出, 在表1的网络架构演进过程中, “分布式”是最为重要的创新概念。而通过分布式的处理, 网络效率这一问题得到了有效的解决, 因此可以尝试将“分布式”作为一个创新点来考虑。问题的核心也就由此转变为如何寻找分布式控制点。

在能源分布式网络中, 分布点是具有本地可再生资源能力的客户;在无线宽带接入网络中, 可以考虑改造本地具有接入宽带互联网络的客户——固定宽带接入用户。如果这些固定宽带客户都能够成为宽带无线接入的接入点, 网络的覆盖范围将快速得到拓展。同时由于接入资源复用了原剩余的有线接入资源, 网络利用率也将得到很大的提高。在这种业务模式之下, 固定宽带接入用户同时扮演了分布式网络系统的“资源供应者”的角色。

传统接入模式中, ISP给固定宽带接入用户提供有线的宽带接入资源, 给Hotspot用户通过有限的热点提供无线资源。在创新接入模式中, 固定宽带接入用户通过特定的设备将有线网络带宽共享出来, 形成“无线资源2”, 该用户同时形成一个分布接入点。新的运营实体整合各个单个的无线接入共享资源后再以统一网络的形式提供, 形成广泛的无线接入覆盖网络, 大大拓展了原先Hotspot网络的覆盖范围。

因此, 仅仅通过商业模式的变化, 在ISP没有新增加建设投入的情况下, 一方面有限资源的利用率得到了有效提高, 另一方面无线用户的覆盖范围得到了极大的提高, 完全达到了预期“低成本扩大接入网络覆盖范围”的要求。

该创新接入模式采用类推法, 抓住了电力能源网络演进过程中“分布式”分散控制点从而提高利用率的要点, 并运用于宽带无线互联网接入。虽然讨论集中在网络架构层面, 但具体商业模式的落实是重点, 因为这将涉及到如何将有线资源转化为无线资源, 如何激励用户共享资源, 如何管理等具体实施的问题。

国外案例验证

基于这种商业模式, 西班牙的运营商FON和英国电信合作推出了Foneros服务。FON的用户可以分为3种类型, 分别称为Linus、Bill和Aliens。

Aliens是最终为FON提供的服务付费的用户。他们是那些没有Wi-Fi而且自己本身不是Linus或者Bill的用户。这些用户使用FON提供的无线网络接入互联网, 然后根据不同的资费方案付费。

FONero指的是那些注册成为FON的无线资源提供者, 他们成为无线资源提供者的前提条件是他们都有DSL接入网络, 并原意将他们的多余接入资源共享出来。他们能够从FON那里得到路由器。通过路由器他们可以共享自己多余的网络接入资源。作为回报, 他们可以选择和FON分享Alience产生的使用费用或者免费在FON网络内使用其他FONero共享出来的无线资源。

选择免费在FON网络中使用其他FONero共享出来的无线资源的用户叫做Linus, 这种用户通过共享他们的网络带宽并加入FON的带宽共享community有效地扩大了自身的接入范围。选择与FON分享Alience产生的使用费用的以后叫做Bill。

图中展示了FON的商业模式中各种角色的关系:Aliens或者位于Bill是无线网络的使用者, 而linus和在家中的Bill则是无线接入资源的提供者。位于区域1的用户是Bills (当他们在家的时候) 。这个区域的用户是参与运营分成的。位于区域3的用户area3是位于移动状况需要使用无线接入资源的Bills和Aliens。这个区域是这个商业模式的利润来源。位于区域2的用户2是Linus。他们既不产生利润又不与运营商分成, 但是他们的存在非常重要。因为有了他们, FON的网络覆盖能够得到扩大。在FON的网络覆盖不断扩大, 形成良好的口碑情况下, 会有越来越多的区域3用户加入到商业模式中来。

优势突出尚有弱点

这种模式设计创新的优势已经凸显出来, 如表2。

分布式的网络效率高, 利用率高, 但是对管理却提出了更高的要求。而且通过这个比较这个模式中的一个要点也很明显地呈现了出来, 那就是怎样吸引更多的用户共享其接入资源, 也就是有效扩张分布点的问题。

FON采用的办法具体是这样的:除了上文中提到的将接入用户产生收入的50%分给分布点提供者以外, 还提供给使用客户10分钟的免费体验。这10分钟FON同样会给分布点提供者支付费用。请注意, 在这10分钟里, 使用客户是不会产生收入的, FON相当于自掏腰包鼓励分布点将资源共享出来。

FON还有一个做法是通过采用路由器长距天线, 将原来无线网络的覆盖范围提高到原来的5倍 (根据FON提供数据) 。图2展示的是FON截止到2009年9月在西班牙马德里无线资源提供点的分布情况。

分布式虚拟海战场仿真关键技术研究 篇8

随着虚拟环境技术和网络技术的快速发展,出现了众多的DVE开发工具和DVE系统。在国内DVE研究方面,北京航空航天大学实现了分布式虚拟环境DVENET[2],并应用DVENET实现了一个分布式虚拟战场环境;国防科学技术大学开发了DVE开发工具YHYRP[3],这些都为开发大规模分布式虚拟战场仿真奠定了基础。

作为虚拟战场仿真的重要组成部分,分布式虚拟海战场仿真主要是解决大面积海浪视景实时生成和网络数据量太大引发的网络延迟这两个关键性问题。本文以海浪统计学模型为基础,采用视点相关的LOD模型对海浪网格进行拓扑,并利用Bresenham画线算法对海而进行裁减,有效提高了大面积海浪视景生成的速度和逼真度;基于Winsock的TCP/IP协议,采用多播技术,大大减轻了网络负载,并根据分布式虚拟海战场中实体运动特点,应用推算定位技术,取得了较好的网络同步效果。

1 虚拟海战场视景仿真

大面积动态海浪实时生成是虚拟海战场视景仿真的最关键问题,文献[4]和文献[5]采用基于FFT变换的统计学海浪模型模拟真实海面,效果较好。但在绘制大面积海区时,实时性无法实现,本文以该模型为基础,建立了海浪网格多细节层次模型,实现了海浪网格无限实时绘制,并根椐国家海洋局浪级划分,实现了不同条件下的海浪视景仿真。同时,简述了海上岛屿生成和虚拟海战场景中实体建模的方法。

1.1 海浪统计学模型

海浪统计学模型[4,5]是基于对海浪实际观测的统计学结果,并基于海浪的高度场可分解为一系列具有不同振幅和相位的正弦波和余弦波。这种分解有两个特点,一是分解出的振幅值有非常好的数学和统计特性,易于建模;二是计算上,使用快速傅电叶变换(FFT)及其逆变换,提高实时计算速度。在这种模型中,浪高是与水平位置和时间相关的一个随机变量h(X,t)。对于水平位置X(x,z)处,其海浪波高表达式为:

式(1)中,K是指向海浪传播方向的矢量,大小为:2π/λ,λ为波长。

在方程式(1)中,关键在于复数部分h(K,t)的求取,它决定海浪表面结构。Jerry Tessendorf[4]采用Phillips频谱来解决该问题。Phillips频谱的数学模型为:

a为影响浪高的常量;L=v2/g,表示风速为v的恒风产生的最大波浪;g为重力加速度常量;K为浪向,>为风向。

1.2 优化方法

文献[4]和文献[5]在实现时,视点距海面非常近,在网格分辨率为2 048×2 048时,仅绘制了一个面片(面片尺寸在10 m和2 km之间),离散采样点达到了400多万,这在虚拟海战场海浪视景仿真中无法实现大面积海浪实时性绘制。

本文采用视点相关的LOD模型来实现海面多细节层次建模。根据视点的位置采用不同的分辨率网格,在满足视觉效果条件下,对海浪网格进行环形拓补(环形拓扑结构如图1所示),在拓补结构中由中心向外,逐步降低精度。经过实验发现,当网格分辨率为128×128,和视点位置最近的海面可以较好的满足视觉要求。因此,以128×128为最高网格分辨率,随着海面和视点距离增加,逐渐降低网格分辨率。采用不同网格分辨率的面片进行环形拓扑时,会出现裂缝,因此,需要在拓扑时进行必要的缝合,实现整个环形拓扑结构海面波动的连续。

分布式虚拟海战场中,每个客户机负责对不同实体的控制,有时仅需要显示部分海区,这时可以根据视点不同的位置和不同的水平视角,采用Bresenham画线算法对环形LOD海浪网格模型进行可见性裁减(如图2所示),以达到更好的实时绘制效果。实现海浪的无限生成的方法是:首先,确定视点在整个海区网格模型中的水平位置(m,n)m=CameraPositon.x/网格长n=CameraPosition.y/网格宽;然后在绘制海浪网格模型时始终保持在(m,n)处绘制中心网格,就可以实现海浪无限生成。依据国家海洋局浪级划分来调整公式(2)中影响浪高的常量a和小波长海浪(w<模拟了不同风向、风速和海况下的海浪。< p=""> 模拟了不同风向、风速和海况下的海浪。<>

1.3 海上岛屿生成和实体建模

与大面积地形生成不同的是,海上岛屿的面积相对较小,因此,可以通过两种方法来生成海上岛屿:一是采用常用的地形生成方法;二是采用视景建模软件(如Multigen Creator)。

常用的地形生成方法主要有随机高度场法、基于物理模型生成高度场方法和基于等高线的高度场方法。考虑到海上岛屿面积较小,采用第二种方法,即应用视景建模软件生成岛屿地形,建模方法简单,采用实际的数字高程数据,生成地形和实际地形一致性好。

虚拟海战仿真中的实体包括舰船(艇)、飞机和各种武器。采用视景建模软件3DS MAX作为建模工具,使用大众化的3ds文件格式,在不影响模型逼真度的前提下,减少模型的复杂程度,并且,绘制时采用多细节模型方法,根据视点和模型的距离来选用不同分辨率的模型,加快绘制速度,提高视景系统的刷新率。

2 网络通讯

在分布式环境下,由于主机性能(尽管使其硬件配置相同)、计算和网络延时等原因,不可避免的出现时空一致性[6]问题。产生的原因主要有:仿真各节点时钟的不同步;各结点采用不同的世界坐标系,或采用地形地貌数据存在差异;连接各结点的网络只能提供有限的服务质量,存在网络延迟与丢包现象。

2.1 时钟同步和空间一致性的实现

时钟同步和空间坐标转换的方法比较成熟。采用了时间戳机制来实现时钟同步。仿真开始时,由服务器通过向所有客户端发送基准时钟,客户端接收后设置本机时钟为基准时钟。程序运行后,服务器定时发送基准时钟,保证所有仿真节点的时钟同步。通过选取公用坐标系,在各自坐标系下的空间坐标信息在发送前作相应的转换,即可实现空间一致性。

2.2 基于多播技术的信息流向

目前,分布式虚拟环境的体系结构可以分为三类:集中式(C/S)、分布式和层次式。采用集中式C/S方式,即客户机/服务器方式,客户端将所控制实体的位置、航向、航速、武器使用和摇摆等状态数据发送至服务器端,服务器端接受并更新后再把所有信息发送至客户端。同时,服务器还负责虚拟海战场环境的管理,向客户端发送控制信息(启动、退出、恢复等)、航行环境信息(海况、风、天气等)和时间同步信息。

在分布式虚拟海战场仿真中,客户端的数量比较多,此时,在服务器的连接上就存在一个流量问题,采用多播(multicasting),可以有效地解决传统C/S方式所带来的服务器所承担数据发送量很大的问题。所谓多播,是指服务器端将接收到的信息仅仅发送给明确登记的而且对数据感兴趣的地址。这就要求建立一个多播组,然后将所有客户端都连接到该组,在同一端口上等待循环数据,服务器只需将单个数据包发送到多播组里,当信息包沿着路线被重复某地操作时,将发送到所有的客户端上,如图3所示。

2.3 多通道视景同步方法

对多通道视景显示[7]是指使用多个单屏幕来实现一个大屏幕,大屏幕可以是曲面形状甚至是球面形状。多通道能生成大视场角场景,但由于各通道构成硬件的差异,需要采取一定的措施保持多通道视景同步。采用软件实现多通道视景,即通过网络同步视景。采取了时间同步法,因此,服务器端发送的信息中包括时间信息。

多实体的分布式虚拟海战仿真,要求比较高的视景图像更新率,若每个周期都从网上传送实体的位置、速度和武器使用等信息,网络通信量会大大增加。为了减少网络通讯量,依据分布式虚拟海战场中实体运动规律性比较强的特点,本系统实体状态更新和视景图像生成采用了推算定位(DR)技术[8],根据异地实体的旧状态推算当前状态并在推算误差超过一定阈值时获取新状态。实体(以舰艇为例)状态更新和视景图像生成算法如下:

其中,(x2,z2)表示实体或视点的位置坐标,Φ2为视线方向,(x1,z1)为前一图象更新周期实体或视点的位置。Φ1为前一图象更新周期的视线方向。vx、vz为实体的速度分量,ω为实体的旋转角速度。Δt为绘制当前帧的时间。

同时,舰艇在海上航行时,由于风流的影响,舰艇会发生摇摆,为了保证多通道显示时,水天线在同一直线上,中央通道必须将当前舰艇的摇摆角发送至左、右边通道。

3 实验结果

用PC机(CPU为Core i5—2450 M、显卡为AMD RADEON HD 6630 M、内存为4 G),实现了20×20 km2的动态海面的实时绘制,每秒速率可达到42帧(裁减后每秒速率为49帧),满足了分布式虚拟海战场海浪实时生成的需要。图4、图5和图6分别是轻浪、中浪和大浪时的海浪仿真效果。

本文采用了Microsoft Windows下的套接字编程接口Windows Sockets实现了多通道视景显示,同步效果较好。三通道上同步运行的结果如图7所示,其中三台不同性能的PC机如表1所示。

4 结束语

对分布式虚拟海战场景仿真中海浪实时视景仿真和网络通讯进行了研究,以海浪统计学模型为基础,采用视点相关的LOD模型和Bresenham画线裁减算法进行了优化,在PC机(CPU为Core i5—2450M、显卡为AMD RADEON HD 6630M、内存为4G),实现了20×20 km2的动态海面的实时绘制,整个环形拓扑结构的面片总数为200个,单个面片面积为100×100 m2,离散采样点数为80万个,每秒速率可达到42帧,实现了大面积实时性海浪视景仿真,取得了较好效果;采用多播技术解决了分布式虚拟海战场中网络数据量大引起的网络延迟问题,实现了多通道视景同步显示。对不同气象条件下海水视觉效果的模拟和破碎海浪等将是下一步研究的重点。

参考文献

[1]潘志庚,姜晓红.分布式虚拟环境综述.虚拟现实及其应用高级研讨班论文集,2003

[2]赵沁平,沈旭昆,夏春和.DVENET:一个分布式虚拟环境.计算机研究与发展,1998;35(12):1064-1068

[3]王勇军.分布式虚拟环境的建模语言系统结构及其实现.[博士学位论文].长沙:国防科技大学,1998

[4] Tessendorf J.Simulating ocean water.In:Proceedings of SIGGRAPH' 2001,Los Angeles,2001

[5] Jensen L S,GoliasR.Deep-water animation and rendering In:Gamasutra article on realtime water,2001

[6]徐春蕾.分布式虚拟环境时空一致性研究.分布式虚拟环境技术研究进展,青岛,2008

[7]董志明,郭齐胜,宋敬华,等.海陆战场环境的实时视景仿真.系统仿真学报,2003;15(11):1524-1526

云计算的两大特性:虚拟化、分布式 篇9

云计算的技术比较多, 很难从比较统一的角度出发, 把各种技术融合在一起。综合来说, 中兴通讯认为云计算技术包括虚拟化、分布式, 分布式包括分布式文件、分布式存储、分布式缓存、对象存储技术、并行技术, 可能还有其他各种技术定义, 但这几种技术在电信网络架构中应用更广泛。

调度、利用资源池的有效方式

中兴通讯认为光有资源池还不能达到云计算所带来的最理想效果, 对资源池进行合理的调度和利用是最终的目的。最后为用户提供服务, 拓展一些新兴的市场。如果采用云计算技术, 不同业务可以运行在同一个服务器上, 方便业务部署和配置。

分布式文件系统在电信业务中的应用, 目前在云计算方面应用的比较普遍。传统采用磁针方式保存, 成本比较高, 经常有一些小型机, 运营商签合同成本小于设备采购的成本, 如果采用分布式文件系统, 在电信业务, 包括经营分析数据方面, 可能降低成本是一个方面, 第二是快速实现数据存储, 同时能够提高系统业务可靠性。但是分布式文件系统电信业务中的应用也要考虑到一些方面仍然需要一些技术进行研究, 包括电信业务中产生海量小文件, 非结构化数据的读写, 操作比较频繁, 对系统性能影响比较大。包括热点数据存储在哪个地方, 以及一些冷数据如何进行备份, 重复数据产生过程如何进行删除等等, 中兴通讯对这些技术应用进行了深入研究和分析。

分布式数据库, 可以提供基于KeyValue方式和数据仓库的应用, 并且保证传统使用习惯不变, 即通过分布式方式实现数据库功能及数据库访问。

分布式缓存, 提供高速缓存功能, 减轻数据库的访问压力, 同时提升应用的性能;具有数据共享功能, 为应用的分布式架构提供支撑, 应用可以方便实现分布式应用;支持数据和逻辑分离, 避免单点故障和数据热点;采用分布式支撑架构, 具有方便的在线扩展优势, 为应用提供大容量缓存的同时, 为在线应用的线性扩展提供支撑;节约成本, 应用可以从原有的昂贵的服务器迁移到PC Serve;通过在服务器上部署DCache。可缓存文件、页面, 降低对门户服务器、数据库服务器的访问压力, 从而在硬件数量不变的情况下获得更高的性能。

对象存储, 当应用需要对象操作语义的简单存储服务时, 即需要使用对象存储。对象存储, 需要拥有一个简单的web服务接口, 可以用来随时随地地在网络上存取数据。而且要具备高可用性、可扩展性、高可靠性。

云计算的核心在于资源管理

并行计算在电信业务中的应用, 并行计算和虚拟化应用可以结合在一起运行, 一般电信业务系统相互之间的业务运行都是独立进行的, 尤其到了春节, 每个人发短信进行祝贺的时候, 维护人员都会担心, 因为晚上8到12点是短信业务量最大的时候, 每到这个时候系统面临巨大的风险, 经常造成一些临时性的瘫痪, 但是同样在其他一些机房或者业务应用当中, 很多设备是闲置的, 相互之间没有进行重用, 比如web和彩信用的很少, 是不是可以通过交叉资源应用提高利用率, 使系统实现平滑的迁移, 就在并行计算中进行应用。迁移进来以后, 如何迁移出去, 业务高峰过后, 如何把业务数据, 迁移到另外一个系统上, 这些都是业务应用的难点。总体来说, 采用虚拟化或者并行技术以后, 可以把现有电信业务中瓶颈方式得到填补。

资源管理, 中兴通讯认为在云计算当中, 最核心技术是资源管理, 虽然资源集中到一起, 但是资源合理调度、运营、分配、借力是非常重要的核心。云计算技术里面最难的也是这点, 中兴通讯把这些技术开发。可以提供调度、管理包括企业业务兼容系统。

结合前面的情况, 中兴通讯综合自己这些年, 在各种分布式、虚拟化技术的研究特点, 在2010年5月发布了中兴彩云平台, 综合面向云计算的硬件、云软件操作系统, 包括互联网应用能力以及业务营运和安全方面的结合, 把相关的无线核心网和业务的应用作了统一的支撑和调度管理平台。在这个平台上的一些云计算服务器、存储以及网络设备, 当然也可以兼容一些业界主流的硬件设备, 通过云操作系统中的虚拟化软件、计算软件、存储和网络, 把电信的业务能力, 以及互联网的业务能力实现混搭。内容具体包括分布式缓存、结构化存储, 业务管理发布平台, 还有一些具体的SaaS业务应用, 呼叫中心, 都基于云计算开放平台进行支持, 是降低成本配置, 提高资源利用率的方式。