數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)下的電力設(shè)施三維建模方法研究

蔡 忠

(揚(yáng)州浩辰電力設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001)

1 概述

當(dāng)前，以新一代數(shù)字技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命蓬勃發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)企業(yè)不斷向著數(shù)字化轉(zhuǎn)型。國(guó)家電網(wǎng)公司為積極響應(yīng)“三型兩網(wǎng)、世界一流”企業(yè)的新時(shí)代發(fā)展戰(zhàn)略，已經(jīng)全面啟動(dòng)了輸變電工程三維設(shè)計(jì)和工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)工作。

電網(wǎng)工程的數(shù)字化是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)數(shù)字化電網(wǎng)、提升全壽命周期管理的必然要求，也是大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的必然要求。數(shù)字化電網(wǎng)的建設(shè)包括新建電網(wǎng)設(shè)施的數(shù)字化以及既有電網(wǎng)設(shè)施的數(shù)字化，某變電站數(shù)字三維模型，如圖1所示。近年來(lái)，三維數(shù)據(jù)采集及建模手段突飛猛進(jìn)，從空中到地面，以機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量、傾斜攝影測(cè)量、地面三維掃描等為代表的技術(shù)手段，可對(duì)客觀世界進(jìn)行全方位、全覆蓋的三維數(shù)據(jù)采集，并有一大批成熟的軟件應(yīng)用于自動(dòng)、半自動(dòng)或人機(jī)交互建模，數(shù)據(jù)采集和建模效率均得到了大幅提升。

2 現(xiàn)有三維建模方法

2.1 純測(cè)繪手段建模

純測(cè)繪手段建模不依賴(lài)于輸變電工程的設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量、三維激光掃描等高新測(cè)繪技術(shù)手段，獲取到電力設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景模型，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行單體化建模，最后錄入設(shè)備臺(tái)賬信息。

2.1.1 傾斜攝影測(cè)量建模

傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像，從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足。通過(guò)攝影測(cè)量，對(duì)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，可快速得到電力設(shè)施的三維模型。

2.1.2 數(shù)字近景攝影測(cè)量建模

數(shù)字近景攝影測(cè)量是利用近景攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不能接近或不能進(jìn)行常規(guī)測(cè)量的被攝物體的空間姿態(tài)進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)，利用相片對(duì)三維空間進(jìn)行測(cè)量的一種重要技術(shù)手段。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)的檢校、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像同名特征提取及匹配、數(shù)據(jù)編輯、真實(shí)紋理粘貼等步驟，建立可量測(cè)的三維立體模型。數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)能夠構(gòu)建局部的高精度立體影像，可以很好地用于局部建模。

2.1.3 三維激光點(diǎn)云建模

三維激光點(diǎn)云建模利用機(jī)載激光雷達(dá)、三維激光掃描儀等設(shè)備對(duì)輸變電工程的設(shè)備、設(shè)施、建構(gòu)筑物進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集物體表面的三維空間位置信息和紋理信息，然后利用專(zhuān)業(yè)軟件構(gòu)建三維模型。三維激光掃描技術(shù)對(duì)變電所、輸電線路桿塔、導(dǎo)線及走廊地形的三維建模效果較好，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接統(tǒng)一，可以快速、準(zhǔn)確地生成線路本體以及走廊的三維模型，為電網(wǎng)運(yùn)維、大修技改以及智能化輸電線路建設(shè)提供可視化技術(shù)服務(wù)。

2.2 基于二維設(shè)計(jì)圖紙的軟件翻模

基于二維設(shè)計(jì)圖紙的軟件翻模是根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料上的尺寸和型號(hào)等信息構(gòu)建輸變電工程1:1三維模型。模型構(gòu)建主要利用商業(yè)化的三維軟件，如Bentley、Autodesk等。圖紙資料包括已有輸變電工程的設(shè)計(jì)、施工、竣工、普查、勘測(cè)等藍(lán)圖或檔案資料。通過(guò)三維建模軟件將一些基本的幾何要素，如立方體、球體等，進(jìn)行一系列的幾何操作，比如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算等來(lái)構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備三維場(chǎng)景，具體步驟包括幾何建模、行為建模、物理建模、對(duì)象特性建模以及模型切分等。

2.3 三維建模方法的比較和分析

2.3.1 實(shí)用性比較

純測(cè)繪手段建模以三維激光掃描為主，攝影測(cè)量建模效果達(dá)不到精細(xì)化建模的要求，可以作為三維激光掃描建模的補(bǔ)充。激光掃描建模采用激光點(diǎn)云建模，技術(shù)復(fù)雜程度較高。受激光掃描設(shè)備在變電站中移動(dòng)的空間位置限制，設(shè)備間被遮擋，電纜溝、地下管線等位置均不能完成數(shù)據(jù)的采集，需要配合圖紙開(kāi)展部分三維建模工作。圖紙翻模的三維模型是嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的尺寸進(jìn)行幾何建模，設(shè)備之間的邏輯關(guān)系清晰，設(shè)備零部件能獨(dú)立顯示、屬性可查、更換靈活。地上、地下以及電纜溝中的設(shè)備設(shè)施均能以三維模型展現(xiàn)，建模精細(xì)化程度可以根據(jù)需求靈活處理，幾何建模和參數(shù)化建模相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型對(duì)真實(shí)情況的仿真模擬。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)型比較

純測(cè)繪手段建模的對(duì)象主要包括地面上電氣一次設(shè)備以及變電站內(nèi)的建構(gòu)筑物，但不包括變電站中的電纜溝、電氣二次接線以及一些不能直接采集獲取的設(shè)備，其數(shù)據(jù)采集和處理工作量較大，成本較高。圖紙翻模按照變電站三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，建模對(duì)象包括地上、地下全部設(shè)備設(shè)施，如果沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙參考，模型設(shè)備單體化需要電氣人員進(jìn)行配合，建模效率較低。圖紙翻模的成本主要是人工建模費(fèi)用，在建模初期的費(fèi)用與純測(cè)繪手段建模費(fèi)用基本相當(dāng)。

3 電力設(shè)施三維建模方案推薦

根據(jù)以上幾種三維建模方式的比較和分析，參照電力設(shè)施的已有分類(lèi)：三維設(shè)計(jì)通用模型庫(kù)設(shè)備、有二維設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)備、無(wú)圖紙?jiān)O(shè)備，針對(duì)不同電力設(shè)施的情況推薦采取不同的三維建模方案。

1)調(diào)用通用模型庫(kù)方案。對(duì)于有三維設(shè)計(jì)通用模型庫(kù)的設(shè)備，采用GPS、全站儀等儀器在既有電網(wǎng)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲取設(shè)備擺放位置的坐標(biāo)、布局以及主要設(shè)備構(gòu)件的尺寸模型數(shù)據(jù)，再利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行拍攝，獲取設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)，結(jié)合二維設(shè)計(jì)圖紙，調(diào)用通用模型庫(kù)數(shù)據(jù)，搭建既有電網(wǎng)設(shè)施三維數(shù)字化模型。

2)圖紙翻模方案。對(duì)于有二維設(shè)計(jì)圖紙的電力設(shè)施，基于輸變電工程竣工驗(yàn)收?qǐng)D紙和資料、后期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的檢修記錄以及設(shè)施運(yùn)行維護(hù)臺(tái)帳信息，利用圖紙翻模的方法完成三維建模。

3)純測(cè)繪手段建模方案。對(duì)于無(wú)圖紙的電力設(shè)施，可直接利用純測(cè)繪的技術(shù)手段，如三維地面或空中激光掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量，獲得電力設(shè)施點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維實(shí)景模型，再錄入臺(tái)賬信息完成三維建模。

4 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)工程的數(shù)字化將給傳統(tǒng)電網(wǎng)的建設(shè)思維、電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)手段以及實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的信息化和智能化帶來(lái)巨大的變革，選擇合適的電力設(shè)施三維建模方案，對(duì)于促進(jìn)業(yè)務(wù)集成、打造三維電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施的數(shù)字化集中管理都有著重要的促進(jìn)作用。