三維建模技術(shù)在電網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究

王庭松

( 廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

電網(wǎng)對象三維模型的構(gòu)建與組織是決定電網(wǎng)三維GIS系統(tǒng)建立的根本，其對系統(tǒng)效率、數(shù)據(jù)庫管理及可視化調(diào)度都起著基礎(chǔ)性決定作用。本文結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，力圖從電網(wǎng)三維建模技術(shù)方法入手，提出一整套滿足行業(yè)應(yīng)用需要的建模約束條件和構(gòu)建方法，從而服務(wù)基于三維地理空間的電網(wǎng)信息化建設(shè)與管理。

1 電網(wǎng)三維模型的粒度劃分

電網(wǎng)三維模型的應(yīng)用需求因使用階段或?qū)I(yè)不同，存在較大的深度差異性。汲取傳統(tǒng)數(shù)碼城市建設(shè)的相關(guān)技術(shù)方法，即為了控制場景的復(fù)雜程度并加速三維復(fù)雜場景的實時可視化描繪，采用多細節(jié)層次(Levels of Details，LOD)的建模方法，結(jié)合電網(wǎng)三維模型從大場景展示、輔助設(shè)計施工到運行維護等不同階段的應(yīng)用深度差別，基于電網(wǎng)三維對象的設(shè)備組織關(guān)系，本文提出了將電網(wǎng)設(shè)備三維模型的粒度分為三個層級：即工程級模型、重點部件級模型、全設(shè)備級模型。以數(shù)據(jù)內(nèi)容、幾何精度、貼圖精細度、視覺效果等幾個因素作為模型分級的主要依據(jù)和標準。

具體而言，將電網(wǎng)三維模型的粒度從完整性及精細度兩方面進行描述。模型完整性是指該級別的應(yīng)用場景中包含的電網(wǎng)設(shè)備的范圍，模型完整性越高，模型所表達的設(shè)備種類就越多；模型精細度是指每個模型本身的精度程度，主要從模型幾何精度、模型面數(shù)、貼圖精度等方面來表現(xiàn)，模型精細度越高，單個模型越接近設(shè)備真實的外形和顏色。下面分別從這兩方面描述模型粒度劃分的各級別詳細要求。

1.1 模型完整性

模型完整性描述了電網(wǎng)設(shè)備在不同層級應(yīng)包含的所有相互依存、構(gòu)成及展示的要素。是從必要性組成的角度對電網(wǎng)模型進行建模約束。它能客觀真實的反應(yīng)各級別模型的組成情況，并清晰的體現(xiàn)各子對象的類別、數(shù)量等信息。如針對重點部件級模型，一般需求為管理、展示電網(wǎng)整體中的關(guān)鍵性、決定性設(shè)備，如架空送電線路的絕緣子片等。因此，設(shè)計重點部件模型的完整性基本特點表現(xiàn)為：重點部件結(jié)構(gòu)準確、貼圖清晰，滿足運行應(yīng)用中的對應(yīng)模型可視化要求。

圖1 重點部件級桿塔絕緣子模型效果圖

如圖1所示，重點部件級的桿塔模型，對絕緣子進行單片(單節(jié))建模，以達到可視化、管理的需求。而對角鋼等部件則采用程序建模，無需區(qū)分子對象，從而滿足該級別模型的快速、準確構(gòu)建要求。

1.2 模型精細度

電網(wǎng)模型的精細度從幾何、紋理、屬性、拓撲關(guān)系等多方面的細節(jié)程度來描述和約束構(gòu)建過程。幾何方面，通過約束計量基本單位、模型整體比例、模型面數(shù)等來控制電網(wǎng)模型的不同級別要求；在紋理方面則利用貼圖質(zhì)量、光影效果來描述；屬性與拓撲關(guān)系方面，建立不同深度的屬性描述信息集和拓撲關(guān)系表，表達模型的非空間信息精細情況。如針對要求最高的全設(shè)備級模型，模型精細度上要求其制作的系統(tǒng)單位使用“毫米”。模型尺寸、模型各部分比例、設(shè)備的傾斜角度、倒角厚度等嚴格按照設(shè)計圖的要求進行制作。模型面數(shù)多，能準確表現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，貼圖清晰，采用512×512、1024×1024等級的貼圖，清晰表現(xiàn)設(shè)備細節(jié)。

2 模型數(shù)據(jù)組織與編碼方法設(shè)計

三維電網(wǎng)模型具有數(shù)據(jù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屬性信息豐富、設(shè)計參數(shù)各異等特點，因而必須建立高效、靈活的模型數(shù)據(jù)組織及編碼。結(jié)合廣東省電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)及規(guī)范編制等經(jīng)驗，立足華南多條輸電干線網(wǎng)三維建模實踐，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套完備的組織編碼方式。

2.1 模型組織

結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)及運行維護需要，電網(wǎng)設(shè)備三維模型制作的成果采用對象文件方式進行組織存儲，每個設(shè)備對應(yīng)一個模型文件，即將設(shè)備模型按照“公司及子控制區(qū)對象類屬電壓等級工程名稱設(shè)備類別設(shè)備模型文件”的方式進行組織。組織結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 模型數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)示意圖

上述數(shù)據(jù)組織等級中的前5級的等級劃分，分別描述了電網(wǎng)工程類別、電壓等級、工程項目以及設(shè)備類別：

一級文件夾以公司名稱+子控制區(qū)(供電局)名稱命名，并區(qū)分為輸電工程、變電工程等分類。

設(shè)備類別級文件夾以電網(wǎng)公司的設(shè)備類別編碼表中的“功能位置類型”字段命名。

模型制作單位以工程為單位提交模型數(shù)據(jù)，工程中的模型文件以模型對象編碼命名，每個模型與場景中的對象一一對應(yīng)。對于有多種狀態(tài)的設(shè)備，如刀閘，它的開啟、閉合等不同狀態(tài)會對應(yīng)多個不同的模型，此時多個模型命名規(guī)則為：“模型對象編碼_設(shè)備狀態(tài)編碼”，設(shè)備狀態(tài)編碼由具體的應(yīng)用增加相關(guān)細則。

模型制作單位在實際操作過程中，對于可重用的模型，建議使用模型庫的管理方式，參考本規(guī)范中三維模型編碼規(guī)范的方法進行編碼，方便模型的管理與應(yīng)用。

2.2 模型編碼設(shè)計

考慮到三維模型與既有電網(wǎng)運行管理系統(tǒng)的無縫接口等關(guān)鍵問題，電網(wǎng)模型編碼設(shè)計必須遵從統(tǒng)一的電網(wǎng)設(shè)備編碼規(guī)范。設(shè)計電網(wǎng)模型是由多級碼段組成。每一級碼都有自己固定的格式，互不相同，但都是由分類編碼元素和編號編碼元素組成。編碼同時包含對象類屬、設(shè)備類別、模型精度、物理設(shè)備序列碼、三維模型序列號的碼值。本文根據(jù)上述思想，設(shè)計提供了三維模型對象編碼，用以唯一標識場景中的三維模型對象。其編碼方法見圖3。

圖3 模型編碼結(jié)構(gòu)圖

圖3中，第一段：1位字符代碼。代表對象類屬，如“Z”為資產(chǎn)。

第二段：4位代碼，第一位字符碼表示為設(shè)備大類，第二、三、四位數(shù)字碼為設(shè)備類別序列碼。該編碼與電網(wǎng)公司設(shè)備臺賬設(shè)備類別編碼一致。

第三段：10位數(shù)字代碼，代表物理設(shè)備序列碼，與該設(shè)備在現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備臺賬管理系統(tǒng)中的物理設(shè)備序列碼相同。

第四段：1位字符代碼。代表三維模型精度。

第五段：8位數(shù)字代碼，代表三維模型序列碼。

根據(jù)上述組織及編碼方法，即可高效、合理的對電網(wǎng)三維模型進行精確管理及靈活應(yīng)用。

3 電網(wǎng)三維模型制作方法

分析總結(jié)通用三維模型的構(gòu)建方法，結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備的特殊性，根據(jù)電網(wǎng)三維信息化管理系統(tǒng)的相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗，本為歸納出電網(wǎng)三維模型制作流程主要可分為工作大綱編審、數(shù)據(jù)資料準備、模型制作及成果的檢查與驗收等關(guān)鍵步驟。

3.1 模型制作流程分析

首先，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)出的對象清單以及資產(chǎn)管理系統(tǒng)的臺帳信息生成設(shè)備清單，制作人員依照設(shè)備清單進行數(shù)據(jù)的采集與處理，三維制作人員依據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)模型、貼圖、燈光的制作。待渲染效果確認后方可進行烘焙工作。之后再針對不同的可視化平臺的要求，進行模型貼圖通道的調(diào)整。依據(jù)設(shè)備清單進行模型數(shù)據(jù)的整理。最后由專家組檢查與驗收，依照評分標準不合格的模型需返工，合格的模型最后進行數(shù)據(jù)的提交與備份。其流程方法與相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容見圖4。

圖4 模型制作流程圖

3.2 三維建模技術(shù)方法分析

具體而言，電網(wǎng)三維模型的制作方法，可根據(jù)搜集資料與操作方法不同，大致分為如下兩類：

3.2.1 基于二維設(shè)計成果的逆向三維建模

基于二維設(shè)計成果的三維建模方式是目前電網(wǎng)三維信息化較為常見的技術(shù)手段。其設(shè)計成果是在二維CAD等平臺中設(shè)計完成后，利用3D MAX等三維圖形學(xué)建模軟件構(gòu)建三維電網(wǎng)設(shè)備及其場景。該方法可以讓后續(xù)的運營維護者直觀認識設(shè)計思想和電網(wǎng)設(shè)計成果的三維顯示效果，但其可視化成果的組織與管理的對應(yīng)之間存在明顯缺陷。

3.2.2 三維信息化協(xié)同設(shè)計

伴隨著數(shù)字化電力建設(shè)相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維信息化協(xié)同設(shè)計逐漸進入了鐵路、電力、石油等高端設(shè)計領(lǐng)域。

以往的三維設(shè)計成果管理停留在桿塔、變電站一級，設(shè)備管理粒度較粗。通過對三維設(shè)計成果的數(shù)據(jù)組織和管理方案設(shè)計，將模型拆分成獨立的物理設(shè)備和部件存儲在數(shù)據(jù)庫對以的設(shè)備對象表中，各設(shè)備之間的上下級連接關(guān)系存儲在組裝關(guān)系表中。通過讀取組裝關(guān)系表可以將物理設(shè)備、部件組裝成一個完整的設(shè)備，通過組裝關(guān)系還可以實現(xiàn)設(shè)備相關(guān)資料的連接，設(shè)備相關(guān)資料存儲在數(shù)據(jù)庫的資料表中。

4 基于地理空間的電網(wǎng)三維模型應(yīng)用

4.1 電網(wǎng)環(huán)境三維高效可視化展示

利用本文所述的電網(wǎng)設(shè)備三維建模理論與方法，可批量生產(chǎn)出地理空間的電網(wǎng)對象三維模型，從而構(gòu)建電網(wǎng)全生命周期的真三維環(huán)境，對三維可視化表達提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

利用電網(wǎng)三維模型，可還原設(shè)計成果的地理空間狀況，逼真表現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備對象的現(xiàn)實情況，從而輔助實現(xiàn)高效、直觀的三維可視化表達。

4.2 電網(wǎng)設(shè)備精細化管理

隨著電網(wǎng)管理準確性的不斷提高，在三維空間中對電網(wǎng)設(shè)備進行精細化管理逐漸成為研究和應(yīng)用的重點。電網(wǎng)三維建模緊密結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計的各種數(shù)學(xué)計算與設(shè)備組成，充分體現(xiàn)了各設(shè)備對象的空間位置、尺寸和拓撲關(guān)系等內(nèi)容，可與各設(shè)備的在線監(jiān)測等管理應(yīng)用無縫連接，從而輔助電網(wǎng)運行與維護，提高電網(wǎng)管理的技術(shù)水平。

5 總結(jié)

電網(wǎng)三維模型構(gòu)建是一項復(fù)雜而專業(yè)性極強的工作。本文結(jié)合工程實際經(jīng)驗，創(chuàng)造性的提出了電網(wǎng)對象模型構(gòu)建所涉及的關(guān)鍵內(nèi)容，包括模型粒度劃分、對象組織與編碼等，并結(jié)合實踐對其多角度應(yīng)用進行了積極研究和討論。是對電網(wǎng)對象全生命周期管理的一次全新嘗試。盡管現(xiàn)有技術(shù)方法尚不能完全滿足電網(wǎng)三維信息化管理的需要，相信隨著計算機技術(shù)、測繪技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷提高，電網(wǎng)三維模型構(gòu)建及其深入應(yīng)用必將成為未來電網(wǎng)建設(shè)和管理的重要方向之一。

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