電網(wǎng)設(shè)備三維建模的方法研究及應(yīng)用

王玉家 曲曉白 石鑫磊 鄧昊

(國網(wǎng)山東省電力公司,山東濟(jì)南 250001)

電網(wǎng)設(shè)備三維建模的方法研究及應(yīng)用

王玉家 曲曉白 石鑫磊 鄧昊

(國網(wǎng)山東省電力公司,山東濟(jì)南 250001)

傳統(tǒng)的二維展示方法已經(jīng)無法適應(yīng)我國快速增長且結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的電網(wǎng)建設(shè)與需求。隨著計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的不斷進(jìn)步,三維建模技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛。三維建模能夠直觀,可視化的展現(xiàn)電力設(shè)備,描述電力設(shè)備周圍的環(huán)境信息。本文結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),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)用需求的建模約束條件和構(gòu)建方法。同時(shí)也對三維建模在電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的探討,研究。通過此次研究,將有助于今后電網(wǎng)領(lǐng)域三維建模的應(yīng)用,同時(shí)提供理論及實(shí)踐依據(jù),服務(wù)基于三維地理空間的電網(wǎng)信息化建設(shè)與管理。

電網(wǎng)三維建模信息化方法應(yīng)用

1 引言

目前在電力系統(tǒng)中對于電網(wǎng)設(shè)備等信息的展示功能應(yīng)用的主要是基于二維的系統(tǒng),一般用點(diǎn)狀或線狀等抽象符號表達(dá)電力設(shè)備,無法直觀地顯示設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián),不能為巡視、操作及檢修人員提供一個(gè)真實(shí)的功能環(huán)境信息,其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及三維建模技術(shù)等的飛速發(fā)展,三維在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。三維展示具有真實(shí)、直觀等優(yōu)越性,又繼承了傳統(tǒng)二維系統(tǒng)的分析、處理和數(shù)據(jù)組織功能。相比較于二維,三維最大的優(yōu)點(diǎn)是增加了z軸上的表現(xiàn)能力,使空間物體在程序中能夠最大程度地真實(shí)顯現(xiàn),使操作更加方便,并且能夠直觀表現(xiàn)地物之間的空間垂向關(guān)系,因此在空間分析能力上也較原來的二維系統(tǒng)更勝一籌。所以,結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際特點(diǎn),將電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三維展示,有著良好的前景和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

圖1

2 三維建模方法研究

2.1 三維建模的注意事項(xiàng)

(1)正式作業(yè)前,應(yīng)了解委托方對三維建模的基本要求,搜集、分析、利用現(xiàn)有資料,對現(xiàn)實(shí)性不強(qiáng)或與實(shí)際不符的資料及時(shí)提出。

(2)模型制作的質(zhì)量應(yīng)符合標(biāo)注。通過對模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、模型面、模型精度、層級結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求等質(zhì)量特性來評定。模型應(yīng)去除冗余的點(diǎn)、線、面和虛擬物體,物體模型內(nèi)部接邊處不存在縫隙,在系統(tǒng)平臺(tái)中不存在閃爍的面等。

(3)文件檢查、優(yōu)化。整體文件制作完成交驗(yàn)收之前,雖然前期對制作做出了明確的要求,但仍需對項(xiàng)目文件進(jìn)行檢查和優(yōu)化。如是否存在超大像素紋理,是否能以更小尺寸使用,是否出現(xiàn)實(shí)質(zhì)為同一紋理的材質(zhì)被多次以不同名稱使用,是否有重名沖突,是否塌陷等。

2.2 三維建模的原則

在三維建模中應(yīng)遵循以下原則:

(1)真實(shí)合理。三維建模實(shí)際上是對現(xiàn)實(shí)事物的展示,所以在建模過程中應(yīng)該真實(shí)的反應(yīng)事物的特征,維持事物固有的空間信息及自身特點(diǎn),保證事物的物理關(guān)系。

(2)主次分明。在三維建模的過程中應(yīng)該突出主體,保證主體在整個(gè)場景中的展示效果。同時(shí)可以適度降低輔助物體的精度,從而體現(xiàn)出整體環(huán)境的主次。

(3)建模簡單明了,精細(xì)程度適宜。如果在三維建模中,建模過于復(fù)雜,模型和場景過于精細(xì),數(shù)據(jù)量過于龐大,就可能無法重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境。所以在三維系統(tǒng)中,應(yīng)該在保證必須的模型質(zhì)量的情況下做到數(shù)據(jù)量盡量小,以保證三維模型應(yīng)用的效果。

(4)整體統(tǒng)一。如果同一區(qū)域地塊內(nèi),出現(xiàn)兩種及其以上的不同色相地物,其基本原則是以區(qū)域內(nèi)大面積色調(diào)為主色調(diào),個(gè)別不同色相地物與主色調(diào)相協(xié)調(diào)(采用降低突出顏色的飽和度、調(diào)整色相以偏向主色調(diào)方式)來達(dá)到整片區(qū)域的和諧統(tǒng)一。如果同一區(qū)域地塊內(nèi),個(gè)別地物明度過度突出以致曝光,其基本原則是以區(qū)域內(nèi)整體明度為中間明度,曝光地物通過降低明度的從而方式向中間明度靠攏。如果出現(xiàn)個(gè)別地物明度太低而以致過度偏黑,其基本原則是以區(qū)域內(nèi)整體明度為中間明度,偏黑地物通過提高明度的方式從而向中間明度靠攏。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

2.3 三維建模的方法

2.3.1 三維模型制作流程

首先根據(jù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)的臺(tái)賬信息生成設(shè)備清單。制作人員依照設(shè)備清單進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理。三維制作人員根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)模型,貼圖,燈光等的制作。待渲染效果確認(rèn)后即可進(jìn)行烘焙操作。再針對不同平臺(tái)的要求,進(jìn)行模型貼圖通道的調(diào)整工作。依據(jù)設(shè)備清單進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的整理。其整體流程如圖1所示。

2.3.2 三維模型制作方法

目前的建模方法主要包括。

(1)立體采集技術(shù)。該技術(shù)采用先進(jìn)高效的數(shù)字立體采集系統(tǒng)(如數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng))。數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是第3 代全新的高度自動(dòng)化的攝影測量系統(tǒng),它利用航攝資料來獲取基礎(chǔ)空間信息(如建筑物三維坐標(biāo)和外部信息等)。

(2)模型庫建模技術(shù)。該技術(shù)的原理是將基礎(chǔ)特征模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型樣本,當(dāng)建立真實(shí)模型時(shí)通過用戶化的參數(shù)調(diào)整進(jìn)而設(shè)置模型的特征參數(shù),得到所需要的真實(shí)模型。該建模方法操作簡單直觀,特別適用于電力系統(tǒng)設(shè)備的三維建模。

(3)根據(jù)二維設(shè)計(jì)成果的逆向三維建模?；诙S設(shè)計(jì)成果的三維建模方法是目前電網(wǎng)三維信息化較為常見的技術(shù)手段。其特征是在二維CAD等平臺(tái)中設(shè)計(jì)完成后,利用三維建模軟件構(gòu)建三維電網(wǎng)設(shè)備及其場景。該方法可以使后續(xù)的運(yùn)營維護(hù)者直觀認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)思想和電網(wǎng)設(shè)計(jì)成果的三維顯示效果。

(4)協(xié)同設(shè)計(jì)。通過對三維設(shè)計(jì)成果的數(shù)據(jù)組織和管理方案設(shè)計(jì),將模型拆分成獨(dú)立的物理設(shè)備和部件存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫相對應(yīng)的設(shè)備對象表中,各設(shè)備之間上下級連接關(guān)系存儲(chǔ)在對應(yīng)的組裝關(guān)系表中。通過讀取組裝關(guān)系表就可以將物理設(shè)備,部件組裝成一個(gè)完整的設(shè)備。

(5)單元分解技術(shù)。即通過一系列幾何單元的組合來展示空間實(shí)體,幾何單元可以有不同的形狀和大小,幾何單元之間不允許有交叉。單元分解技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供任意空間實(shí)體的近似精確表達(dá);缺點(diǎn)是其幾何算法依賴于采用的幾何單元的類型,其算法通常比較復(fù)雜,并且缺少幾何元素間的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

(6)掃描表示技術(shù)。掃描表示技術(shù)是指將一個(gè)面沿某一軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或沿某一路徑進(jìn)行移動(dòng)或是兩種途徑的結(jié)合生成一個(gè)三維的物體。一般地,可以采用任何途徑描述掃描構(gòu)造。掃描表示技術(shù)適合于固定的自由形式的面域,但僅僅只有一般掃描法才有足夠的范圍來描述任意幾何形體。

(7)混合表示技術(shù)。電力設(shè)備的三維建模是一個(gè)復(fù)雜的工作,由于設(shè)備及其電壓等級等等的差別,三維模型的設(shè)計(jì)要求也會(huì)有差異,因此選擇一種建模方式來表示任何的電力設(shè)備是不足取的,很難對電力設(shè)備有全面的表示。所以在現(xiàn)實(shí)工作中,設(shè)計(jì)一種適合于所有電力設(shè)備的建模方法是不可能的。為了解決上述問題,一個(gè)常用的方式是將不同形式的模型集中在同一個(gè)系統(tǒng)中,通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合,在不同的分析處理過程中,運(yùn)用合適的數(shù)據(jù)模型,或者根據(jù)不同的現(xiàn)象確定描述的模型。

(8)其他技術(shù)方法。除了上述方法之外,三維建模還有邊界表示技術(shù),四面體格網(wǎng)等表示方式。通過在電網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)用不同的方法來表示不同的電力設(shè)備,就能夠?qū)?shí)際的電網(wǎng)環(huán)境近似精確的表示出來。

3 電網(wǎng)中三維建模的業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1 三維仿真展示

采用適當(dāng)?shù)慕９ぞ?能準(zhǔn)確再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界場景和對象的真實(shí)材質(zhì),合理表現(xiàn)自然光照特征。還原現(xiàn)實(shí)情境,逼真表現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備對象的現(xiàn)實(shí)情況,從而輔助實(shí)現(xiàn)高效,直觀的三維可視化表達(dá)。同時(shí),對于電網(wǎng)設(shè)施的應(yīng)急資源,對于故障地點(diǎn)的環(huán)境信息等都有直觀的展示。如圖2所示。

3.2 現(xiàn)實(shí)場景再現(xiàn)

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線路的跨越場景模擬。場景由遠(yuǎn)及近分為:電力線路跨越全景頁面、單塔頁面、單設(shè)備頁面?？梢詫?shí)現(xiàn)從底部到塔頭、監(jiān)測設(shè)備、部分導(dǎo)線/絕緣子/金具的整體自動(dòng)漫游。在三維場景中通過鼠標(biāo)或鍵盤操作巡視線路,進(jìn)行視角旋轉(zhuǎn),上下左右行走,縮放等。如圖3所示。

3.3 應(yīng)急調(diào)配

通過三維電子沙盤,可以講故障點(diǎn)附近的路況信息,實(shí)時(shí)地理位置,設(shè)備臺(tái)賬信息等直觀,立體的展現(xiàn)出來。同時(shí)可以進(jìn)行設(shè)備,應(yīng)急點(diǎn)等的定位,對于分析更為有效的調(diào)配策略,更為合理的路徑選擇起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)由于天氣,環(huán)境等因素的影響,預(yù)設(shè)定的線路可能會(huì)面臨著修改,這時(shí)系統(tǒng)將提供路徑繪制功能,從而有效的進(jìn)行應(yīng)急搶修的整體調(diào)配。如圖4所示。

3.4 模擬演練

模擬真實(shí)電網(wǎng)情境的應(yīng)急演練等功能是三維建模在電網(wǎng)領(lǐng)域很重要的功能。通過在三維可視化平臺(tái)中制造特定的情境,提供從單向演練到多項(xiàng)綜合演練等復(fù)雜程度各不相同的多種形式的演練。將有助于提高電力搶修人員應(yīng)對突發(fā)時(shí)間的能力。如圖5所示。

3.5 規(guī)劃設(shè)計(jì)

通過在電力系統(tǒng)中運(yùn)用三維技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備所處的環(huán)境信息等場景,進(jìn)行直觀的觀察和分析,從而進(jìn)行輸電走廊,變電站選址等電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。如圖6所示。

3.6 電網(wǎng)設(shè)備精細(xì)化管理

隨著電網(wǎng)管理準(zhǔn)確性的不斷提高,在三維空間中對電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理逐漸成為研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。電網(wǎng)三維建模緊密結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的各種數(shù)學(xué)計(jì)算與設(shè)備成分,充分體現(xiàn)了各設(shè)備對象的空間位置、尺寸和拓?fù)潢P(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(yùn)行與維護(hù),提高電網(wǎng)管理的技術(shù)水平。如圖7所示。

除此之外,三維建模在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多,如事故定位功能,應(yīng)急推演功能,巡檢展示功能等等。基于電網(wǎng)的三維模型可視化應(yīng)用,已經(jīng)發(fā)揮越來越重要的作用。

4 結(jié)語

根據(jù)國家電網(wǎng)建設(shè)智能電網(wǎng)的需求,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)及三維建模技術(shù)的飛速發(fā)展,同時(shí)由于電網(wǎng)的發(fā)展與人民的需求的迫切,三維建模技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由此建設(shè)一套三維建模的方法,進(jìn)行三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)。對于電網(wǎng)的建設(shè)有著重要的意義。通過本文的研究,對三維建模的一些原則及方法做出了系統(tǒng)的規(guī)范。同時(shí)對于三維建模技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用也進(jìn)行了研究,對于三維建模的作用有了更為深入的了解。所以,加快電網(wǎng)信息化的步伐,將三維建模技術(shù)融入到智能電網(wǎng)的建設(shè)中來,將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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The traditional method of two-dimensional display has been unable to adapt to the power grid construction and the demand of China's rapidly growing and increasingly complex structures.Along with the progress of computer technology and data acquisition technology,the application of 3D modeling technology in power grid becomes more and more.The 3D modeling can show the power equipmentintuitively and visually,describeenvironment information of the electric power equipment.According to the relevant engineering experience, this paper tried to approach the 3D modeling technology of grid, provided a set of modeling constraints and construction method to meet the needs of industry application.But also on the 3D modeling applications in grid-depth study and research.Through this research will help in the future in the field of power grid 3D modeling applications, while providing theoretical and practical basis, serving for grid information construction and management based on the 3D geospatial technology.

power grid 3D modeling information method application

王玉家(1985年-),男,山東日照人,助理工程師,從事電力信息化工作;曲曉白(1984年-),男,山東濟(jì)南人,工程師,從事信息管理和研究工作;石鑫磊(1989年-),女,山東臨沂人,助理工程師。