基于SketchUp的輸電桿塔三維建模研究

尹 暉，孫夢(mèng)婷，干喆淵，張曉鳴，黃 珊

(1．武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢430079;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

一、引 言

隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)已成為目前我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的目標(biāo)［1］。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”規(guī)劃，今后我國(guó)將建設(shè)聯(lián)接大型能源基地與主要負(fù)荷中心的“三縱三橫”特高壓骨干網(wǎng)架和13項(xiàng)直流輸電工程(其中特高壓直流10項(xiàng))，形成大規(guī)?！拔麟姈|送”、“北電南送”的能源配置格局。到2015年，基本建成以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，且具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

三維數(shù)字化電網(wǎng)技術(shù)是智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的重要組成部分。將先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、電網(wǎng)通信技術(shù)、智能調(diào)度技術(shù)、高級(jí)電力電子技術(shù)和分布式能源接入技術(shù)等相結(jié)合，并與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，以三維數(shù)字化形式，如數(shù)字化變電站、三維輸電線路設(shè)計(jì)與電網(wǎng)規(guī)劃等，通過數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠、節(jié)能降損、優(yōu)質(zhì)高效的運(yùn)行。其中輸電桿塔是輸電基礎(chǔ)設(shè)施中重要的支撐結(jié)構(gòu)物，其結(jié)構(gòu)性能直接影響線路的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性［2］。因此，輸電桿塔的三維建模是三維數(shù)字化輸電工程與智能電網(wǎng)不可或缺的一部分。本文以我國(guó)首個(gè)特高壓交流試驗(yàn)示范工程輸電線路三維可視化研究為目標(biāo)，根據(jù)輸電桿塔等實(shí)際數(shù)據(jù)和圖片資料，研究了基于Google SketchUp軟件平臺(tái)進(jìn)行輸電桿塔、絕緣子及金具三維建模的具體實(shí)現(xiàn)過程，分析了SketchUp用于輸電桿塔、絕緣子及金具等設(shè)施三維建模過程中存在的問題與不足。

二、三維建模技術(shù)

數(shù)字化的三維建模是借助計(jì)算機(jī)將現(xiàn)實(shí)世界用數(shù)字形式表現(xiàn)的方法。目前構(gòu)建三維模型的方法主要有以下幾種:①直接利用傳統(tǒng)GIS中的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)高度屬性進(jìn)行三維建模;②利用三維軟件建模;③利用Multigen Creator虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件建模;④利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建模［3］。其中，三維軟件建模主要是利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸及布爾運(yùn)算等來構(gòu)建復(fù)雜的幾何場(chǎng)景。

1．建模對(duì)象

根據(jù)建模對(duì)象的幾何特征，可以將建模對(duì)象抽象為地形模型、建筑物和其他附屬設(shè)施的三維建模。建筑物及其他附屬設(shè)施模型必須依托于三維地形模型才能形成虛擬建筑群的完整表示，有機(jī)結(jié)合起來才能更好地表現(xiàn)三維可視化的真實(shí)情況。

電力系統(tǒng)(輸電塔、變電站等)在數(shù)字化城市建設(shè)中歸類為附屬設(shè)施，但在三維數(shù)字化電網(wǎng)技術(shù)中卻是主要建筑物。電力系統(tǒng)的三維建模主要涉及的建模對(duì)象有各種輸電塔、門型塔、輸電線、變電站等。輸電桿塔的幾何形狀和表面材質(zhì)、紋理特征具有代表性，屬不規(guī)則模型，需要參照實(shí)際形狀以多個(gè)規(guī)則模型剖分組合而成。

2．建模流程

三維建模的首要任務(wù)就是要收集建模的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源比較豐富，可以是建筑設(shè)計(jì)圖紙及文檔資料、城市數(shù)字地圖和二維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)，也可以是混合測(cè)量系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。就當(dāng)前的應(yīng)用需求來說，場(chǎng)景三維建模需要的數(shù)據(jù)主要有二維圖形、地形數(shù)據(jù)、地表圖像、三維觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型表面紋理等。其建模的一般流程如圖1所示［4］。

圖1 三維建模一般流程

3．建模軟件

近年來，信息技術(shù)的快速發(fā)展給三維建模提供了技術(shù)基礎(chǔ)，促成了一系列較為成熟的三維重建系統(tǒng)。目前應(yīng)用較多的建模軟件有歐克特(Autodesk)公司的3ds Max、AutoCAD，Multigen公司的Creator，Google公司的SketchUp，以及利用OpenGL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)等。這幾種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)見表1［5］。

綜合比較各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，Google公司于2006年推出的Google SketchUp軟件能面向設(shè)計(jì)過程，界面簡(jiǎn)潔，易學(xué)易用，命令少，完全避免了其他設(shè)計(jì)軟件的復(fù)雜性;在軟件內(nèi)可以為表面賦予材料、貼圖，并且有二維和三維配景形成類似于鋼筆淡彩的圖面效果，使得設(shè)計(jì)過程的交流完全可行;軟件內(nèi)具有很多輔助設(shè)施的模型，極大地簡(jiǎn)化了建模的工作量。因此，本文三維建模工作最終選擇運(yùn)用Google Sketch-Up軟件進(jìn)行［6］。

三、輸電桿塔三維建模

1．已有資料

輸電桿塔三維建模的主要參考資料包括部分輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(含紙質(zhì)及PDF版)、絕緣子金具串覽圖(*．dwg)、特高壓工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖片和量測(cè)尺寸，以及網(wǎng)上搜集的相關(guān)資料。

表1 三維可視化建模軟件的比較

2．桿塔建模流程

鐵塔是世界各國(guó)超/特高壓輸電線路中常用的桿塔形式，大多數(shù)采用熱軋等角鋼制造，也有少數(shù)國(guó)家采用冷彎型鋼或鍘管混凝土結(jié)構(gòu)［2］。輸電桿塔按受力不同可分為直線塔和耐張塔;按用途不同可分為換位桿塔、跨越桿塔、轉(zhuǎn)角桿塔和終端桿塔;按線路回路數(shù)可分為單回線路桿塔、雙回線路桿塔和多回線路桿塔。

本文針對(duì)特高壓示范工程部分輸電桿塔進(jìn)行三維建模，主要塔型包括JTS2系列轉(zhuǎn)角塔、ZMP2系列和ZBS2系列直線塔。下面將以一個(gè)ZMP2系列的桿塔為例來闡述輸電桿塔建模的具體過程。圖2為ZMP2輸電桿塔的正面設(shè)計(jì)圖。

輸電桿塔的三維建模過程可分為如下4步:

1)以桿塔底面中點(diǎn)為局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)圖紙上提供的桿塔尺寸畫出桿塔的外部輪廓單線圖，如圖3(a)所示。

2)根據(jù)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)考察所拍照片上顯示的桿塔的細(xì)部結(jié)構(gòu)，完成桿塔的單線圖，如圖3(b)所示。

圖2 ZMP2輸電桿塔正面設(shè)計(jì)圖

3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)量的桿塔主材與輔材的尺寸，對(duì)桿塔進(jìn)行放樣，得到加粗之后的桿塔模型。

4)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖片上顯示的桿塔的顏色，利用SketchUp軟件中的顏料桶對(duì)桿塔進(jìn)行上色，完成紋理建模，如圖3(c)所示。

圖3 輸電塔桿的三維建模

至此，ZMP2系列中一個(gè)呼高的輸電桿塔三維建模就完成了，在對(duì)其他呼高的同系列桿塔進(jìn)行三維建模時(shí)可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，大大減少了工作量。

3．絕緣子及金具建模

絕緣子是一種特殊的絕緣控件，能夠在架空輸電線路中起到重要作用，可以支持和固定母線與帶電導(dǎo)體，并使帶電導(dǎo)體間或?qū)w與大地之間有足夠的距離和絕緣。隨著電壓等級(jí)的不斷提高，絕緣子作為架空輸電線路的關(guān)鍵部件之一，同時(shí)作為輸變電設(shè)備中的主要絕緣件，電力系統(tǒng)對(duì)絕緣子的機(jī)械性能、電氣性能、防污閃水平等要求越來越高。絕緣子可依據(jù)不同方式進(jìn)行分類，通常是按照材質(zhì)分為盤式瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子3類。其中復(fù)合絕緣子具有污閃電壓高、強(qiáng)度高、體積小、重量輕、無零值、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此在特高壓交直流輸電工程的外絕緣選擇中，主要選用復(fù)合絕緣子［7］。絕緣子的組串方式通常有I型絕緣子串、V型絕緣子串、倒V型絕緣子串和Y型絕緣子串。特高壓線路使用了雙聯(lián)I、三聯(lián)I、四聯(lián)I、雙聯(lián)V型懸垂串。雙聯(lián)、三聯(lián)水平布置耐張等與超高壓不同的絕緣子串的布置方式使得絕緣子的污耐特性與超高壓的不同［8］。此次所建桿塔模型中使用到的有單聯(lián)I型絕緣子、雙聯(lián)I型絕緣子和V型絕緣子，如圖4所示。

圖4

電力金具是用于電力系統(tǒng)中的各種設(shè)備或裝置，通過時(shí)實(shí)現(xiàn)連接及組合，起到傳遞機(jī)械荷載、傳輸電能及某種防護(hù)作用的金屬附件。電力金具按作用和結(jié)構(gòu)可分為懸垂線夾、耐張線夾、連接金具、接續(xù)金具、保護(hù)金具、設(shè)備線夾、T型線夾、母線金具、拉線金具等級(jí)別;按金具的主要性能和用途，大致可分為懸吊金具(又稱支持金具或懸垂線夾)、錨固金具、連接金具、接續(xù)金具、防護(hù)金具、接觸金具和固定金具，其中防護(hù)金具主要以單聯(lián)均壓環(huán)和雙聯(lián)均壓環(huán)為主［9］。1000 kV特高壓線路中常見的金具主要包括八分裂聯(lián)板、均壓環(huán)、懸垂夾及跳線金具，在SketchUp軟件下所建三維模型如圖5所示。

圖5 1000 kV特高壓線中常見金具三維建模圖

四、建模成果展示

本文所涉及的輸電桿塔主要包括1000 kV特高壓輸電線路中使用到的ZMP2、ZBS2和JTS2 3個(gè)系列。其中ZMP2為貓頭塔，ZBS2為酒杯塔，均用到了雙聯(lián)I型絕緣子和V型絕緣子;JTS2為轉(zhuǎn)角塔，用到了單聯(lián)I型絕緣子和雙聯(lián)I型絕緣子。將絕緣子、金具和輸電桿塔的模型結(jié)合在一起，可得到此次三維建模的最終成果，如圖6所示。

圖6 輸電桿塔三維建模成果

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維可視化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域［10］。但在電力行業(yè)的應(yīng)用還有待加強(qiáng)。本文對(duì)1000 kV特高壓輸電桿塔及其附屬設(shè)施進(jìn)行了三維建模研究，對(duì)三維數(shù)字化輸電工程與智能電網(wǎng)建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于輸電桿塔為不規(guī)則實(shí)體模型，對(duì)較規(guī)則建筑物三維建模而言，建模過程中產(chǎn)生的線多、面多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附屬絕緣子和金具細(xì)部構(gòu)造多，在運(yùn)用Google SketchUp軟件進(jìn)行輸電桿塔、絕緣子及金具的三維建模過程中也發(fā)現(xiàn)，精細(xì)的輸電桿塔建模容易導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)量增大，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，這對(duì)三維輸電線路可視化展示會(huì)帶來運(yùn)行上的遲緩和停頓。因此，優(yōu)化輸電桿塔的三維建模過程，探討更高效的輸電桿塔三維建模方法是后續(xù)研究的方向。

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