基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模研究

弓國(guó)軍，符國(guó)暉，周亞敏

（深圳供電局有限公司，廣東深圳，518048）

0 引言

隨著我國(guó)電力工程智能化程度的不斷深化，電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的三維可視化，已經(jīng)成為電力企業(yè)數(shù)字化建設(shè)的重要基礎(chǔ)。變電站作為電網(wǎng)體系中重要的組成結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包含了眾多重要的電力基礎(chǔ)設(shè)施[1]。當(dāng)前，現(xiàn)有變電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維建模方式的應(yīng)用。通過多傳感器采集變電站數(shù)據(jù)，在清洗、排序、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)后完成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用3D MAXS軟件及IHS算法構(gòu)建變電站三維基礎(chǔ)模型，利用包裹貼圖技術(shù)及雙線性光強(qiáng)插值法實(shí)現(xiàn)模型渲染填充處理[3]。 將變電站的地物模型投影生成正投影圖，得到集群劃分子集，利用聚合度函數(shù)進(jìn)行聚合分析，結(jié)合多叉樹混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)索引，由此動(dòng)態(tài)調(diào)度生成三維場(chǎng)景展示。上述方法可以針對(duì)變電站中一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)建模，同時(shí)能夠?yàn)槿S漫游和交互提供良好的數(shù)據(jù)支撐，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化展示，實(shí)現(xiàn)變電站變電、輸電以及配電功能。但上述建模方式存在建模周期長(zhǎng)、模型重復(fù)利用價(jià)值低等問題[4]。

BIM技術(shù)是一種現(xiàn)代化的建模手段，結(jié)合BIM技術(shù)快速建模、高精度、高利用價(jià)值等優(yōu)勢(shì)，開展基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模研究。首先，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行POS集成預(yù)處理，通過特征點(diǎn)匹配完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。然后，利用BIM技術(shù)融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像，對(duì)于不同空間的影像，采用半自動(dòng)式拼接方式實(shí)現(xiàn)集合。通過IMU的空間姿態(tài)解算，實(shí)現(xiàn)了三維可視化閉環(huán)路徑模型的優(yōu)化。最后通過實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)方法能夠高精度地構(gòu)建變電站三維模型，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 變電站三維可視化建模設(shè)計(jì)需求分析

構(gòu)建變電站三維可視化模型，需要能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行變電站各功能的實(shí)現(xiàn)及展示。對(duì)于變電站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)需要融合，并可支撐功能的擴(kuò)展，便于前期構(gòu)建及后期的運(yùn)維等，具體來說，應(yīng)當(dāng)注意以下原則：

(1)應(yīng)用性：構(gòu)建的變電站三維可視化模型應(yīng)當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備管理、遠(yuǎn)程操控、歷史數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。(2)穩(wěn)定性：構(gòu)建的變電站三維可視化模型可在不影響變電站正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行相關(guān)的配置，各功能分批次上線，保證基礎(chǔ)功能穩(wěn)定可用。(3)安全性：輸入的變電站數(shù)據(jù)能夠分區(qū)存儲(chǔ)，對(duì)于保密性要求較高的數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)和傳輸，避免數(shù)據(jù)外泄、越級(jí)操作等。(4)便于擴(kuò)展：對(duì)于不同的變電站，構(gòu)建的變電站三維可視化模型可直接或簡(jiǎn)易修改后直接移植并部署配置，避免多次開發(fā)或編寫。預(yù)留多端口等，可以隨著技術(shù)迭代，擴(kuò)展子功能子模塊等。(5)便于配置：對(duì)于變電站的規(guī)模、位置、電壓等級(jí)等參數(shù)能夠進(jìn)行分析，并采取不同的功能配置，實(shí)現(xiàn)不同類型變電站均可構(gòu)建三維可視化模型，避免過度消耗資源。

2 基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模

■2.1 變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站三維可視化模型的構(gòu)建，應(yīng)先針對(duì)性的進(jìn)行變電站點(diǎn)云信息的獲取與處理。在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，從不同角度獲取數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行POS集成，按照空三處理的方式，將數(shù)據(jù)信息映射在TIN區(qū)域，通過此種方式獲取數(shù)據(jù)信息的清晰紋理[5]。為了確保數(shù)據(jù)可滿足三維可視化建模需求，使用SLAM移動(dòng)設(shè)備掃描信息，保持掃描設(shè)備的數(shù)量至少為3臺(tái)，每個(gè)設(shè)備的掃描角度大于120.0°，將所獲取的信息進(jìn)行對(duì)接處理，確保輸出的圖像與信息呈現(xiàn)一種連續(xù)性特征。

在完成對(duì)變電站點(diǎn)云信息的獲取后，根據(jù)IMU數(shù)據(jù)在空間中的表現(xiàn)方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的點(diǎn)云匹配，在此過程中，對(duì)于相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直接通過特征點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解的計(jì)算。在計(jì)算過程中將誤差值進(jìn)行最小化處理，輸出此時(shí)前端的連續(xù)點(diǎn)云信息。盡管通過上述操作獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為連續(xù)性數(shù)據(jù)，但由于變電站整體包含了多個(gè)房間結(jié)構(gòu)和樓層，因此從空加上被迫分離，拆分成了若干個(gè)子工程項(xiàng)目。為了確保實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)工程的統(tǒng)一管理，需要對(duì)不同工程文件進(jìn)行拼接，為進(jìn)一步體現(xiàn)變電站的智能化，確保其運(yùn)行效率的提升，可采用半自動(dòng)化的方式實(shí)現(xiàn)拼接。具體而言，將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照變電站真實(shí)空間位置通過手動(dòng)的

方式進(jìn)行移動(dòng)，并獲取到準(zhǔn)確的初始位置信息，再利用經(jīng)典最近鄰點(diǎn)算法的方式對(duì)其進(jìn)行不斷的迭代訓(xùn)練。通過構(gòu)建對(duì)不同電源之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站信息的融合，以此完成對(duì)完整空間點(diǎn)云的生成。在采用最近鄰近算法計(jì)算時(shí)，還可引入最小二乘法當(dāng)中的最優(yōu)匹配方法，通過對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)匹配。在求解的過程中可對(duì)迭代次數(shù)和誤差的閾值進(jìn)行定義，整個(gè)匹配過程均在兩幀點(diǎn)云之間的位置上完成，得到最終的非線性結(jié)果。再使用閉環(huán)檢測(cè)方式，匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幀數(shù)與平差值幀數(shù)，以此種方式降低IMU雷擊數(shù)據(jù)的誤差，通過此種方式有效降低IMU雷擊數(shù)據(jù)誤差。除此之外，配準(zhǔn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的傳感器與全景時(shí)空影像，只有配準(zhǔn)成功，才能認(rèn)為此時(shí)處理的數(shù)據(jù)可真實(shí)應(yīng)用到三維可視化建模過程中。一旦在此過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)問題，那么可認(rèn)為數(shù)據(jù)處理過程存在幀數(shù)平差問題，需要將此部分存在異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行全局軌跡二次優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，提取變電站姿態(tài)參數(shù)。按照上述方式處理數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果完全匹配。

■2.2 基于BIM技術(shù)融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像

完成對(duì)變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集后，為實(shí)現(xiàn)其可視化，利用BIM技術(shù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行融合。在實(shí)際應(yīng)用中，為了確保構(gòu)建的模型具有連續(xù)性，考慮到真實(shí)變電站空間環(huán)境存在較多樓層和房間，使得整體空間被分割，分別構(gòu)建不同空間當(dāng)中的模型，并生成若干個(gè)工程文件[6]。針對(duì)不同工程文件，采用半自動(dòng)式拼接方式，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合按照變電站實(shí)際空間位置調(diào)整。將ICP算法融入到BIM模型當(dāng)中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行映射。假設(shè)兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合為X和Y，其中X的表達(dá)式為X={x1，x2，…，xn}；Y的表達(dá)式為Y={y1，y2，…，yn}，利用ICP算法，計(jì)算X點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合和Y點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合的差異程度，其計(jì)算公式為：

式中，f(R,T)表示為X點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合和Y點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合的差異程度；R表示為點(diǎn)云坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣；T表示為點(diǎn)云坐標(biāo)平移矩陣；i表示為某一點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在匹配過程中，設(shè)置差異程度閾值，若兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的差異程度小于該閾值，則兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以完成匹配，若兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的差異程度大于設(shè)定閾值，則兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法匹配，需要在點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合當(dāng)中重新選擇坐標(biāo)進(jìn)行匹配。同時(shí)，點(diǎn)云匹配時(shí)，為確保其標(biāo)準(zhǔn)化，需要在兩幀點(diǎn)云之間給出相應(yīng)的位置約束條件，并結(jié)合非線性方法聯(lián)合匹配結(jié)果得出最優(yōu)的位姿。在完成對(duì)點(diǎn)云的匹配后，為了確保最終數(shù)據(jù)的匹配，還需要對(duì)不同空間結(jié)構(gòu)當(dāng)中的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體而言，將針對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)空間圖像進(jìn)行掃描的裝置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可利用傳感器裝置實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)格按照規(guī)定的軸系空間位置對(duì)傳感器進(jìn)行布設(shè)，并完成對(duì)全景圖像以及全景圖像當(dāng)中點(diǎn)云的空間指向一致性，以此保證獲取到的每一張變電站全景影響都能夠有其相對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)，在完成上述操作后，結(jié)合共線方程的方法針對(duì)不同點(diǎn)云賦予不同的色彩，以此通過色彩的表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站三維空間中不同設(shè)備、空間結(jié)構(gòu)等區(qū)分展現(xiàn)。同時(shí)，利用激光點(diǎn)云獲取到的信息能夠?qū)崿F(xiàn)到實(shí)際物體絕對(duì)坐標(biāo)上的直接轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步降低了不同空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)算難度。同時(shí)還可利用全景相機(jī)完成對(duì)變電站內(nèi)部空間圖像的獲取，從相機(jī)中心點(diǎn)位置出發(fā)，發(fā)射一條光線到實(shí)際物體上，在該條光線上包含了實(shí)際物體點(diǎn)、球面圖像點(diǎn)以及相機(jī)中心點(diǎn)，三者實(shí)現(xiàn)共線。通過共線方程求解的方式，求解出每一個(gè)點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的全景像素點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云顏色的匹配，并生成包含更多全景深度信息的圖像。

在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在BIM建模軟件當(dāng)中，構(gòu)建一個(gè)三維立體的點(diǎn)云空間。為了確保構(gòu)建的模型具備時(shí)間和空間上的一致性，需要確保在同一時(shí)刻內(nèi)匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像。在匹配過程中可利用時(shí)鐘設(shè)備計(jì)時(shí)，并提取同一時(shí)刻下的點(diǎn)云和影像，在空間坐標(biāo)上完成轉(zhuǎn)換，以此確保構(gòu)件的三維可視化模型在空間上的統(tǒng)一[7]。所有獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均為不同變電站運(yùn)行設(shè)備自身配備的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，針對(duì)每一臺(tái)全景影像獲取設(shè)備，將攝影光心作為成像的平面中心點(diǎn)，將上述完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像融合的數(shù)據(jù)帶入到該坐標(biāo)系當(dāng)中，為后續(xù)模型閉環(huán)路徑提供條件。

■2.3 優(yōu)化模型三維可視化閉環(huán)路徑

在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合處理后，需要解算處理IMU的空間姿態(tài)，通過解算可以得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配過程中數(shù)據(jù)幀的位置約束條件，綜合需求條件，可以準(zhǔn)確預(yù)判點(diǎn)云數(shù)據(jù)姿態(tài)，以此結(jié)果作為全局優(yōu)化的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維點(diǎn)云空間與三維點(diǎn)云軌跡的直接生成。

在此過程中，由于數(shù)據(jù)的反復(fù)掃描處理會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)堆積，針對(duì)堆積的數(shù)據(jù)，倘若不及時(shí)處理，會(huì)影響三維可視化模型的準(zhǔn)確度。因此，可在構(gòu)建模型過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)檢測(cè)方式，對(duì)模型設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行全過程校正，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模型設(shè)計(jì)回路，約束閉環(huán)路徑，提取在此過程中的最小誤差，將其與模型進(jìn)行對(duì)接，持續(xù)求解模型的非線性計(jì)算結(jié)果。通過對(duì)三維可視化模型的連續(xù)掃描與點(diǎn)云匹配，可以獲得一個(gè)正確的三維設(shè)計(jì)軌跡。在此基礎(chǔ)上，將多個(gè)傳感器上的連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以此種方式得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維坐標(biāo)系，將所有通過配準(zhǔn)的信息與點(diǎn)云數(shù)據(jù)集成到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站三維可視化閉環(huán)線路的校正與優(yōu)化，完成對(duì)三維可視化模型的設(shè)計(jì)。

3 兩種建模方法實(shí)現(xiàn)效果對(duì)比

結(jié)合本文上述論述，完成對(duì)基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模方法的理論設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站整體三維可視化，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以EV-Globe V5.0三維海量空間信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過Java編程，硬件配置了Windows Core i7處理器，16GB內(nèi)存，2.20Hz閃存，1TB硬盤，以某1000kV特高壓直流輸變電工程為數(shù)據(jù)來源，構(gòu)建變電站三維可視化模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)量為2G。

選擇將新的建模方法與傳統(tǒng)基于SCD的建模方法針對(duì)同一變電站進(jìn)行建模并實(shí)現(xiàn)可視化。為了驗(yàn)證兩種建模方法的精度，選擇將均方根誤差作為精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過人為設(shè)定多個(gè)檢查點(diǎn)的方式，對(duì)比兩種方法完成建模后各個(gè)控制點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型精度的檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為：

式中，R表示為檢查點(diǎn)與控制點(diǎn)之間的均方根誤差；m表示為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；P表示為模型中控制點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)；P'表示為真實(shí)測(cè)得的控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)檢查點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過程中共布設(shè)5個(gè)檢查點(diǎn)，并獲取坐標(biāo)信息，如表1所示。

表1 檢查點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)照表

分別利用兩種建模方法完成對(duì)變電站三維可視化模型的構(gòu)建后，在兩個(gè)模型當(dāng)中找出對(duì)應(yīng)的5個(gè)控制點(diǎn)，并獲取其各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算均方根誤差并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制成如圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

圖1 兩種建模方法模型精度對(duì)比

從上述圖1得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的建模方法在應(yīng)用到實(shí)際變電站實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，構(gòu)建的三維可視化模型的均方根誤差明顯小于傳統(tǒng)建模方法。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠得到精度更高的三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行參數(shù)的高精度可視化展現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，將變電站作為研究對(duì)象，提出一種全新的三維可視化建模方法。通過采集變電站工程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像，并通過閉環(huán)檢測(cè)方式優(yōu)化了模型的求解過程。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該方法的實(shí)際應(yīng)用效果。將本文提出的建模方法應(yīng)用到實(shí)際變電站管控當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度三維可視化展現(xiàn)，為變電站監(jiān)管提供更加有利的數(shù)據(jù)條件。在后續(xù)的研究中還將針對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用不斷優(yōu)化，并進(jìn)一步驗(yàn)證加載速度的性能，從而發(fā)揮其最大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更加便利的變電站三維可視化建模方法。