基于可視化的塔基斷面自動化成圖系統(tǒng)的研究

喬金海，王以磊，賈士軍

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 概述

電網(wǎng)輸電線路工程項(xiàng)目日益增多，特別是高壓、特高壓送變電工程正在全面展開，對輸電線路的勘測設(shè)計(jì)工作提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)?？睖y工作包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩個方面，任務(wù)非常繁重，容易出現(xiàn)內(nèi)業(yè)的質(zhì)量問題，而特高壓線路的高標(biāo)準(zhǔn)使得這一問題更加嚴(yán)重，因此研究內(nèi)業(yè)自動化生產(chǎn)方法對提高工作效率、改善成果質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的意義。

線路測量外業(yè)主要是線路平斷面測量和塔基平斷面測量，內(nèi)業(yè)主要是繪制線路平斷面圖和塔基平斷面圖?？梢钥闯觯鶖嗝鎴D是線路測量工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是合理配置鐵塔高低腿、高低基礎(chǔ)以及確定土石方開挖等的重要依據(jù)。本文立足于線路測量的需要，探討塔基斷面圖自動化生產(chǎn)的流程和方法，研發(fā)可視化操作方式的自動化塔基斷面成圖系統(tǒng)。

2 塔基斷面圖現(xiàn)狀分析

塔基斷面圖是高壓架空送電線路測量工作的重要環(huán)節(jié)，在廣泛使用長短塔腿和不等高基礎(chǔ)的今天，為了降低造價(jià)、保護(hù)環(huán)境、減少塔位的土石方開挖量，便于正確確定施工基面、選擇合適的接腿和基礎(chǔ)形式。線路結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)線路的電壓等級、地形條件以及不同的塔型要求測量人員測繪塔基斷面圖。

塔基分為直線塔和轉(zhuǎn)角塔，如圖1，兩者構(gòu)成要素完全一致，包括：中心樁O；四個塔腿A、B、C、D；兩塔腿角平分線方向AB、BC、CD、AD；線路后退方向?yàn)?度。直線塔與轉(zhuǎn)角塔的不同之處在于塔腿的角度，直線塔腿角度A為45度、B為135度、C為225度、D為315度。轉(zhuǎn)角塔較為復(fù)雜，原前進(jìn)方向與轉(zhuǎn)角后前進(jìn)方向的夾角為轉(zhuǎn)角a，利用角平線確定塔腿，左轉(zhuǎn)則要減去轉(zhuǎn)角的一半，右轉(zhuǎn)與之相反，要加上轉(zhuǎn)角的一半，如圖1(b)表示左轉(zhuǎn)，A腿角度為45-a/2；B為135-a/2；C為225-a/2；D為315-a/2。塔基斷面測量時(shí)沿塔腿四個方向測地形的特征點(diǎn)，特高壓線路要求測八個方向，除塔腿A、B、C、D四個方向外，還包括AB、BC、CD、AD四個方向。特征點(diǎn)相對于中心樁的距離設(shè)為x，高程差設(shè)為y，塔基斷面圖核心要素即是由點(diǎn)T(x,y)構(gòu)成的折線。

圖1 塔基測量構(gòu)成要素

目前繪制塔基斷面主要分為兩種方式：純手工方式繪制、半自動方式繪制。純手工的繪制方式是將原始數(shù)據(jù)展繪在CAD中，人工判讀或者量取特征點(diǎn)與中心樁的距離x和高程差y，手工記錄后，然后在塔基斷面圖模板中依次連接各點(diǎn)繪制折線，完成各個方向塔基斷面折線的繪制。半自動的繪制方式是通過一系列的操作，按一定格式制作中間數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件的主要信息即是特征點(diǎn)與中心樁的距離x和高程差y，然后依據(jù)特定格式的中間數(shù)據(jù)文件編制程序繪制塔基斷面折線。這兩種方式生成的塔基斷面圖距離直接出圖還有很大差距，仍需要后續(xù)的工作。

純手工的繪制方式工作量非常大，過程單調(diào)、枯燥，不但生產(chǎn)效率低下，而且極易出錯；半自動的繪制方式雖然可以提高效率和質(zhì)量，但是非常有限，特別是在制作特定格式的數(shù)據(jù)文件時(shí)需要大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理工作，制作過程步驟煩多，過于復(fù)雜，同時(shí)生成的斷面圖過于簡單，只是塔基斷面方向的幾條折線，成圖后需要大量的后續(xù)工作。可以看出，利用現(xiàn)在塔基斷面的成圖方式，對于測量工作者而言，要么面對大量的塔基測量數(shù)據(jù)，在判讀、記錄、輸入等過程中難免出現(xiàn)差錯，要么在制作特定格式的中間數(shù)據(jù)文件時(shí)進(jìn)行大量的、復(fù)雜的工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易留下質(zhì)量隱患。

3 可視化塔基斷面成圖系統(tǒng)的開發(fā)

針對目前塔基斷面成圖作業(yè)模式所存在的不足，筆者提出通過可視化的操作方式自動繪制塔基斷面圖，開發(fā)出可視化塔基斷面成圖系統(tǒng)，生成的塔基斷面圖達(dá)到了勘測成品的標(biāo)準(zhǔn)，無需編輯便可直接用于工程項(xiàng)目出圖，大大提升了成圖的效率和質(zhì)量。

3.1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)基于AutoCAD提供的開發(fā)工具ObjectARX進(jìn)行開發(fā)。ObjectARX是AutoDesk公司針對AutoCAD平臺上的二次開發(fā)而推出的編程環(huán)境，提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，可直接操作AutoCAD內(nèi)核數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)，使開發(fā)者能夠使用、定制和擴(kuò)展AutoCAD功能。ObjectARX開發(fā)的程序稱為ARX應(yīng)用程序，與AutoCAD自身的功能沒有區(qū)別，可建立與AutoCAD自身內(nèi)部命令運(yùn)行方式相同的新命令。與以往的AutoCAD二次開發(fā)工具 AutoLISP 和ADS不同，ARX應(yīng)用程序是一個分享AutoCAD地址空間并為AutoCAD直接調(diào)用的動態(tài)鏈接庫(DLL)，運(yùn)行效率大大提高、功能大大增強(qiáng)。

3.2 數(shù)據(jù)

現(xiàn)階段塔基外業(yè)測量的作業(yè)模式基本是RTK配合全站儀。利用RTK放樣確定中心樁及塔腿位置，然后架設(shè)全站儀。利用全站儀測量塔基地形，同時(shí)RTK采用極坐標(biāo)測塔基斷面，此種配合方式較優(yōu)。隨著這些新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得測量工作者能夠更加高效的完成塔基外業(yè)測量工作。

目前，各電力設(shè)計(jì)部門的架空送電線路勘測的內(nèi)業(yè)工作基本全部采用AutoCAD進(jìn)行作業(yè)。CASS成圖軟件是基于AutoCAD的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在電力勘測中已得到了廣泛應(yīng)用。外業(yè)測量數(shù)據(jù)包含的基本信息是測點(diǎn)編號、平面位置坐標(biāo)及高程，CASS提供了RTK、全站儀等測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD的接口，利用這些接口可方便快速地將塔基測量數(shù)據(jù)展繪在AutoCAD圖形環(huán)境中，以高程點(diǎn)的圖形化數(shù)據(jù)表現(xiàn)。系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)即是利用CASS軟件展繪的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文統(tǒng)稱為測點(diǎn)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 塔基斷面成圖系統(tǒng)流程

在AutoCAD中執(zhí)行TJDM命令啟動塔基斷面系統(tǒng)，此命令為系統(tǒng)開發(fā)自定義的命令。首先進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，包括：塔基名稱、方向個數(shù)、A腿角度、閾值d。塔基名稱用于斷面圖的名稱及成圖文件名稱；方向個數(shù)的設(shè)置增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性，一般低電壓等級只需繪制4個塔腿方向，而特高壓需要8個方向；A腿角度用于計(jì)算各個塔基斷面方向的角度；閾值d用于判斷測點(diǎn)是否在塔基斷面方向線上的臨界值。對于基本參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)給出常用參數(shù)作為默認(rèn)設(shè)置。

測點(diǎn)集的選擇用來確定生成斷面圖的數(shù)據(jù)源，是指某一塔基的所有測點(diǎn)。中心樁點(diǎn)O及BC方向點(diǎn)F是用來確定塔基斷面各方向的空間信息，系統(tǒng)據(jù)此可從測點(diǎn)集中自動篩選出屬于塔基斷面不同方向的測點(diǎn)。測點(diǎn)集、中心樁點(diǎn)及各方向末點(diǎn)的選擇通過鼠標(biāo)在AutoCAD中進(jìn)行可視化選取。

在完成參數(shù)設(shè)置和測點(diǎn)選擇后，系統(tǒng)在模板文件中自動繪制塔基斷面圖，整個過程完全實(shí)現(xiàn)可視化操作。

3.3.2 工作原理

ObjectARX開發(fā)的應(yīng)用程序與AutoCAD自身的功能并無差異，通過在AutoCAD中增加菜單或工具按鈕運(yùn)行，或者通過命令運(yùn)行。啟動塔基斷面系統(tǒng)后，依次按照提示完成操作即可。系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了在AutoCAD圖形環(huán)境下的可視化操作，包括：測點(diǎn)數(shù)據(jù)展繪；系統(tǒng)運(yùn)行；參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)選取。

針對選擇的測點(diǎn)集，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)類型檢查，確定為高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。為提高程序運(yùn)行效率，對測點(diǎn)集一次遍歷完成兩項(xiàng)核心工作：篩選出塔基斷面各個方向的測點(diǎn)；計(jì)算篩選出的測點(diǎn)與中心樁的距離x和高程差y，設(shè)為點(diǎn)T(x,y)，將其按距中心樁的距離依次存放在數(shù)組變量中。通過點(diǎn)O、點(diǎn)F以及塔基斷面各方向的幾何關(guān)系，系統(tǒng)自動查找出塔基斷面各方向的末測點(diǎn)。設(shè)點(diǎn)O與某方向末測點(diǎn)構(gòu)成的線段為L，對于任一測點(diǎn)P到線段L的距離設(shè)為Dpl，如果Dpl

依據(jù)點(diǎn)T構(gòu)成的數(shù)組，利用ObjectARX提供的接口在模板文件中自動繪制出塔基斷面折線，并完成顯示參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)A腿角度及其與其它塔基斷面方向的關(guān)系計(jì)算出各方向的角度，系統(tǒng)將角度與塔基名稱等相關(guān)信息自動填入到模板文件中，最終結(jié)果以塔基名為文件名保存在指定路徑下。

模板文件是使系統(tǒng)生成的塔基斷面圖達(dá)到直接出圖效果的關(guān)鍵，模板文件與系統(tǒng)存儲在同一路徑下，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可自動檢索到模板文件。模板文件可以理解為是同一工程塔基斷面圖中固定不變的內(nèi)容，如：工程名稱、單位名稱、圖框以及坐標(biāo)網(wǎng)格等。

圖3 塔基斷面方向末測點(diǎn)檢索及注記

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

溪洛渡—浙西±800kV特高壓直流輸電線路工程，途經(jīng)四川、貴州、湖南、江西、浙江五省，線路全長約1688.4km，輸送容量約8×106kW。系統(tǒng)應(yīng)用于該工程2標(biāo)段(四川瓦房頭-四川二郎鎮(zhèn)段)，線路全長約139km。塔基外業(yè)測量采用RTK和全站儀的作業(yè)模式，通過CASS數(shù)據(jù)接口將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD，利用塔基斷面成圖系統(tǒng)的可視化操作便可自動生成塔基斷面圖，效果如圖4。繪制單個塔基斷面圖在1分鐘左右，提高工作效率20倍左右，同時(shí)顯著改善了質(zhì)量問題。

圖4 塔基斷面成果圖

5 結(jié)論

RTK、全站儀這些新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得塔基外業(yè)測量工作得以高效的完成，然而內(nèi)業(yè)的工作方式?jīng)]有得到相應(yīng)改進(jìn)，使得塔基斷面成圖的效率相對落后，且容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，本文通過對測量內(nèi)外業(yè)工作的分析，提出了塔基斷面圖自動化生產(chǎn)的流程和方法，基于ObjectARX開發(fā)工具，開發(fā)了塔基斷面成圖系統(tǒng)。在AutoCAD圖形化界面下，以可視化的操作方式，實(shí)現(xiàn)了塔基斷面的自動化成圖。系統(tǒng)在溪洛渡—浙西±800kV特高壓直流輸電線路工程中的應(yīng)用取得了良好的效果，大大提高效率的同時(shí)，顯著改善質(zhì)量問題。本次研究探索了RTK+全站儀+計(jì)算機(jī)自動化成圖的內(nèi)外業(yè)一體化測量作業(yè)模式，認(rèn)為研發(fā)基于可視化操作方式的內(nèi)業(yè)自動化成圖系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用研究價(jià)值。

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