高壓電纜工程數字化設計成果交付及應用

沈學良,曹慶澤,邢雨辰,李國超

(國網雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071600)

0 引言

隨著信息科技、物聯網技術的逐漸推進,國家電網有限公司(簡稱“國網公司”)對輸變電工程設計與管理的要求也不斷演進。三維設計逐步取代了傳統(tǒng)的二維圖紙,成為了標準化檔案管理中的重要環(huán)節(jié),也是輸變電工程設計的必然發(fā)展趨勢[1]。地下電纜具有難以直觀展現的天然特性,因此地下電纜作為三維設計與應用的典型案例有著更為迫切的需求。在虛擬現實的環(huán)節(jié)下,通過三維技術與管理手段,能夠使用戶實現電纜模型的快速生成、高效渲染、業(yè)務化管理[2]。為進一步規(guī)范運檢三維數據管理,推動運檢三維與基建、調度部門互通共享,國網公司設備部啟動電網三維數據中心建設部署工作,按照“數據同源共享、應用深化落地”的建設目標,基于智能運檢管控系統(tǒng),部署上線電網三維數據中心[3]。

數字化設計成果的移交是電網設備全生命周期運營重要環(huán)節(jié),可使設計和運檢從不同的角度審視和觀察電網設備。輸變電工程數字化設計成果移交作為電網三維數據中心的重要組成部分也需要對其全流程進行正確掌握,確保數字化移交這一運檢三維數據資源向調度部門的共享通道暢通。目前國網公司三維模型的設計及移交平臺均已上線運行。

1 數字化設計成果移交

1.1 移交流程

數字化設計成果接收工作主要包括7個主體步驟:移交數據集成、移交數據質檢、移交數據格式轉換、移交數據加工處理、設計參數解析入庫、圖屬關聯、可視化應用。設計單位按照國網公司相關規(guī)定,制作三維設計成果并提供給建設單位。建設單位參照移交規(guī)范,對三維設計成果及附件進行文件讀取并與規(guī)則相比較,與規(guī)則有沖突的部分再進行細分,確定其為非重要差異或是待修正,對于待修正部分會打回設計單位要求加以修訂完善,審核通過后,向工程數據中心移交。數字化移交流程見圖1。

圖1 三維設計成果數字化移交流程

1.2 移交內容

三維數字化設計包含GI M模型數據,還需要包含必要配套內容,主要包括工程信息、地理信息、數字化模型、空間位置和文檔資料。工程信息主要包含工程在設計階段、施工階段、竣工階段3個不同階段的檔案屬性信息和主要指標。地理信息包括DEM、DOM、矢量數據、柵格底圖、電網專題數據。數字化模型包括電網設備設施與交叉跨越地物各自的模型及屬性。設備設施屬性是設計階段形成的用于描述設備的基本信息和技術參數等。

1.3 質檢流程

在移交流程完畢后,數字化設計成果從模型完整性、模型合理性、模型合規(guī)性、屬性完整性、屬性合理性、屬性合規(guī)性6個維度進行質檢。自動質檢工具作為微服務在電網三維數據中心后臺運行,一旦接收到新的數字化設計成果,服務端會自動進行質檢,同時在三維可視化頁面中將GI M模型加載出來,方便質檢人員將GI M模型與現場踏勘資料進行比對,檢查GI M模型是否與設備現場的數量、型號、位置一致[4]。

數字化設計成果質檢包括三維模型質檢、其他成果質檢。三維設計模型質檢分別從完整性、合規(guī)性和業(yè)務合理性進行檢查。其他成果質檢包括工程地理信息數據、文檔資料和裝配模型。檢查以上成果的完整性及正確性。

2 數字化設計成果移交平臺

目前,數字化設計成果移交平臺主要有電網工程數字化管理平臺和電網運檢智能分析管控系統(tǒng)三維數據中心。

2.1 電網工程數字化管理平臺

電網工程數字化管理應用系統(tǒng)由國網公司基建部統(tǒng)一建設,該系統(tǒng)負責數字化設計成果移交流程和數據管理。系統(tǒng)采用一級部署,總部級應用將各省電網工程的數字化設計成果推送并存放在各省的非結構化平臺中。通過對上文中提到的不同數據解析,得到的多源數據在數字化管理平臺分門別類并進行統(tǒng)一管理,具體管理平臺架構如圖2所示。

圖2 電網工程數字化管理平臺架構

電網工程數字化管理應用系統(tǒng)由管理用戶通過電網三維數據一體化管理系統(tǒng)門戶網頁進行統(tǒng)一管理。首先是三維原始數據的收集和接入,然后通過統(tǒng)一提供的三維數據傳輸工具進行數據質檢、上傳,上傳后的數據可以在電網三維數據一體化管理系統(tǒng)的數據資源管理模塊中進行統(tǒng)計和管理。所有已上傳的三維數據資源通過三維場景服務進行發(fā)布,供各業(yè)務應用系統(tǒng)調用。采用“元數據庫-異構存儲-場景模型”的三層儲存管理架構,即按應用場景以異構形式存儲,建立對應的元數據庫,提供數據資源服務,封裝成統(tǒng)一的數據訪問接口對外提供服務。不同的元數據庫統(tǒng)一讀取后,對應各自不同的應用模式。在這種模式下,底層異構的存儲通過中間層數據引擎和場景服務的封裝實現透明化,對外提供標準化服務。

2.2 電網運檢智能分析管控系統(tǒng)三維數據中心

電網運檢智能分析管控系統(tǒng)三維數據中心采用二級部署,提供三維數據管理服務和三維數據共享服務,三維數據管理服務主要支撐三維數據的全壽命周期管理,三維數據共享服務為業(yè)務系統(tǒng)提供標準三維模型數據服務[5]。電網工程數字化管理應用系統(tǒng)向運檢三維數據中心移交的數字化設計成果進行模型質量檢查、GI M解析、格式轉換后,將三維模型的屬性信息及通用三維模型文件進行存儲管理,并對外提供三維模型的數據共享服務接口,供其他三維應用系統(tǒng)集成應用。

基于實物ID構建基建資料移交至三維數據中心,并在可視化引擎經過切片展示與管理,以直觀展示手段幫助項目各參與方及時了解整個工程所需資料的完整程度,同時確保移交整體過程為所見即所得。其移交架構如圖3所示。

圖3 三維數據中心移交架構

在移交后的成果整體可視化技術上,通過LOD分層算法,先將原數據按照坐標分布到網格點,形成胞元,再對原始點進行抽樣形成新點。在抽樣的基礎上將采樣點與原始點進行對比去噪,形成新的中間網格,剔除重復點,形成新網格,按照TIN算法對新網格三角網化。計算新點間的排斥力,在互斥方向上對新點陣進行距離計算,按計算結果移動這些點使他們重新分布。

對于重新分布后的三角網構成的點陣序列,采用小波分解算法,引入原網格作為修正項小波系數表示模型在不同分辨率情況下的細節(jié)特征[6]。對新模型進行空間尺度的劃分,不同的層級建立地圖金字塔,通過瓦片技術進行發(fā)布。在計算機環(huán)境內建立相應比例尺級別的文件夾,用以管理對應級別的地圖瓦片,然后再根據網格索引的具體算法對該級別的地圖瓦片進一步分類存放。

2.3 數字化設計成果系統(tǒng)的橫向集成

電網工程數字化管理應用系統(tǒng)將輸變電工程數字化設計成果(包括電網信息模型(GI M)、基礎地理數據、電網相關專題圖等)存儲在非結構化平臺,當數據發(fā)生變化時,通過UEP的消息隊列發(fā)出通知。電網運檢智能分析管控系統(tǒng)監(jiān)聽到消息后,解析出消息內的數據變化信息,從非結構化平臺下載變更的數據,然后通過電網運檢智能分析管控系統(tǒng)的輔助工具(客戶端、GI M解析、圖屬關聯)進行相應的質量校核、數據轉換、臺帳關聯等,轉換成標準三維模型數據。轉換后的三維模型數據存儲在數據中臺,通過共享服務供其他業(yè)務應用系統(tǒng)調用,實現電網運檢智能分析管控系統(tǒng)三維數據中心與電網工程數字化管理應用系統(tǒng)橫向集成。

3 數字化設計成果在高壓電纜工程三維建模中的應用

3.1 成果轉化方法

針對數字化設計成果三維設計模型,平臺通過GI M數字化設計成果相關規(guī)范,解析三維設計模型后加載展示,實現展示數字化設計成果三維模型可視化,通過轉換為OBJ模型無插件版三維GIS中渲染的方式,并可通過模型查詢工程有關屬性數據。同時,OBJ模型在其他網省公司部署應用的三維GIS平臺及Web GL版無插件三維GIS平臺上進行了加載測試,證實了轉換成果的跨平臺兼容性。

在進行三維模型移交與可視化之前,首先對實際物體進行抽象、簡化,對電力設施如隧道、電纜、支架等按其功能和形狀進行分類;然后根據實際模型情況,對其包含的電纜通道、井室、防火區(qū)間進行分割;再結合設計電纜圖紙、通道調查表,形成模型轉化規(guī)則。使得可以通過三維模型發(fā)布與渲染程序能夠按照訂立的規(guī)則自動建立隧道及電纜三維模型。

電纜及通道三維模型自動化建模技術通過構造電纜及通道對象的GI M模型,建立GI M數據解析模塊,對電纜隧道進行建模。按照實際尺寸生產的電纜及通道GI M三維模型,包含的信息豐富、直觀,輔以既定的電纜構成參數,如電纜構建方式(單根電纜、多芯電纜、線束及成排線)、電纜路徑(起點、終點、拐點、敷設方式)、電纜屬性(長度、截面形狀、顏色、折彎半徑)等要素。在對電纜及通道分析、歸納后,發(fā)現影響這些物體形狀和走向的要素主要包括:軸線和拐角控制這些地物的走向、斷面形狀控制其截面大小。通過對該地物特性的歸納,結合現實需求,采用改進的基于特征斷面的管狀地物多精度建模技術,完成GI M格式數字化設計成果的轉化工作。

3.2 場景可視化操作

數字化設計成果三維可視化場景服務包括:三維數據切片服務、三維數據切片管理服務。

三維數據切片服務對外提供統(tǒng)一的符合國際標準的三維數據切片標準化服務接口,實現了三維模型數據、三維平臺與三維業(yè)務應用解耦,解決了三維應用開發(fā)依賴特定平臺造成數據共享不便、應用開發(fā)不易的問題,支持三維應用靈活開發(fā)、高效渲染。三維數據切片服務包括三維數據獲取、三維數據解析、三維數據輕量化、三維數據切片、標準化切片服務發(fā)布、數據發(fā)布共享、用戶身份驗證、模型數據檢索、模型附屬信息查詢等工作內容。

三維數據切片管理服務包括圖層服務的添加發(fā)布、啟動、停止及服務狀態(tài)監(jiān)聽控制,實現圖層數據服務的穩(wěn)定、可控運行能力。實現在云端三維模型數據優(yōu)化及切片處理服務的監(jiān)視管理能,實現服務管理模塊,實現圖層服務列表讀取展示、圖層服務操作、圖層服務預覽分享及服務狀態(tài)監(jiān)視。

3.3 圖屬關聯方式

通過“實物ID”字段,可實現數字化設計模型和PMS設備臺賬屬性的關聯,實現設備臺賬屬性查詢、設備運行數據查詢及數字化設計成果的共享應用。搭建工程管理數字歸檔平臺,基于實物ID開展工程檔案信息集成。通過接口集成,將工程管理數字歸檔平臺與ERP系統(tǒng)、基建管理信息系統(tǒng)進行集成,實現ERP系統(tǒng)、基建管理信息系統(tǒng)中項目規(guī)劃信息、設計信息、施工信息、物資采購信息等同步至工程管理數字歸檔平臺。

在工程管理數字歸檔平臺中實現基于實物ID的項目信息、物資采購信息、驗收信息等的展現,通過校驗規(guī)則的設置,完成相關信息的自動校驗。借助實物ID貫穿項目建設過程中各階段的關鍵信息,為后續(xù)開展交接試驗、安裝調試等提供數據支撐。設備模型命名采用線性分類法和分層編碼方法,按“設備類別_設備編碼”進行兩層編碼。編碼由若干位英文字母、阿拉伯數字及羅馬數字組成。設備技術參數中要求模型成果中的層級應滿足以下要求:分為建筑物、地面、附屬小品、臺賬標注設備、非臺賬標注設備。

3.4 應用效果

對于移交后的數字化設計成果,首先能夠指導生產上的多種通用分析服務。根據通用三維數據分析需求,需要填補通用三維分析計算能力,通過調用通用三維數據分析服務實現具體的三維業(yè)務應用[7]。通用三維數據分析服務具體包括:通視分析服務、剖面分析服務、緩沖區(qū)分析服務、淹沒分析服務、坡度坡向分析服務、距離量測服務、面積量測服務、方位角量測服務。在純可視化方面,三維設計成果作為兼容性較高的格式也能夠接洽多種通用數據格式與渲染引擎,達到良好的可視化效果,用于多種軟件平臺。通過數字化設計成果相關規(guī)范,解析三維設計模型,對原始數字化設計成果三維模型進行貼圖處理,通過三維可視化引擎將處理后的三維模型在三維場景中加載可視化展示,通過三維的方式呈現主設備內部結構,幫助運檢人員更好的理解設備內部結構。基于三維設計成果的三維場景模型效果見圖4。

圖4 基于三維設計成果的三維場景模型效果

4 結論及建議

伴隨人工智能技術的迅速發(fā)展,在未來,計算機將能夠替代工作人員完成大部分的數字化設計工作。通過人工智能算法,研發(fā)集成三維模型規(guī)則,實現自動繪制電力三維模型。可以避免輸變電運維專業(yè)三維模型數據來源多樣、無法實現共享的問題,有利于形成運檢管控三維信息數據規(guī)范。本文基于GI M信息模型解析與轉換,將在一定程度上規(guī)范高壓電纜工程方向三維模型數據格式、模型精度、模型質量,能夠在運維系統(tǒng)之間進行模型調用,實現三維模型的“一建通用”式互聯共享,提升每個三維模型的使用率。

設備內部結構是設備運維檢修的重要依據,通過三維的方式呈現主設備內部結構,幫助運檢人員更好的理解設備內部結構,做出檢修決策。GI M模型已預留了實物ID屬性字段,建議在施工階段設計模型中將該字段補充完整,移交到設備部后,可以通過實物ID將三維模型與運檢業(yè)務信息系統(tǒng)自動關聯匹配,實現三維可視化管控應用。下一步,需要完善電纜三維數字化設計成果移交平臺功能,不斷修訂優(yōu)化數字化設計成果相關規(guī)范以適應數字化技術的發(fā)展。