變電站設(shè)備三維模型管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司 徐 楠 錢程晨 王 媚 崔鵬程 江 飛 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 沈小軍

1 引言

三維模型是一種比二維圖像內(nèi)容更為豐富真實(shí)，更加符合人類視覺特性的多媒體數(shù)據(jù)類型，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展以及三維模型獲取技術(shù)、圖形硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維立體技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其在變電站設(shè)施的三維建模方面也得到了應(yīng)用[1-3]。通過對變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)景三維重構(gòu)以及利用三維設(shè)計(jì)成果，可實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備全方位立體化的分析與管理，為變電站三維可視化提供技術(shù)支持。

變電站的三維設(shè)計(jì)與重構(gòu)工作，變電站三維設(shè)計(jì)、三維重構(gòu)的研究及應(yīng)用產(chǎn)生了大量的三維模型。在這過程中不難發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)模的變電站甚至不同電壓等級(jí)的變電站會(huì)出現(xiàn)同廠家、同型號(hào)、外觀功能完全一樣的設(shè)備。相同設(shè)備重復(fù)建模不僅浪費(fèi)大量人力、物力，而且還會(huì)嚴(yán)重影響變電站三維模型重構(gòu)工作效率，同時(shí)不同建模產(chǎn)商的模型顆粒度不同，數(shù)據(jù)格式也不同，為后期對三維模型二次開發(fā)與應(yīng)用帶來了不便。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，變電站設(shè)備種類多，若三維模型不加管理，特別是在運(yùn)維階段，隨著人員的流動(dòng)、信息的流失、變動(dòng)，容易因管理混亂，造成三維模型失去工程應(yīng)用價(jià)值。另外，變電站設(shè)備、部件具有一定的通用性，現(xiàn)場存在大量的相同型號(hào)的設(shè)備、部件，若將此類設(shè)備進(jìn)行分類和標(biāo)準(zhǔn)化入庫，可避免復(fù)雜、重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)件重構(gòu)，能極大地提高變電站建模重構(gòu)效率，縮短變電站建模工作周期。

在信息化社會(huì)，充分有效地管理和利用各類信息資源，是科學(xué)研究和決策管理的有力保障。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是管理信息系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等各類信息系統(tǒng)的核心部分，是進(jìn)行科學(xué)研究和決策管理的重要技術(shù)手段[4-6]。因此，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用到三維模型管理工作中具有重要意義。

綜上所述，構(gòu)建一個(gè)包含大量合格模型的變電站設(shè)備三維模型庫來實(shí)現(xiàn)模型的統(tǒng)一調(diào)用、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備模型便利化、有序化的管理，極大促進(jìn)模型共享、模型重構(gòu)以及三維設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)程[7-8]。鑒于此，本文分析了變電站設(shè)備三維模型管理數(shù)據(jù)庫功能需求與架構(gòu)設(shè)計(jì)，統(tǒng)一了模型入庫所需的信息，搭建了變電站設(shè)備數(shù)據(jù)管理維護(hù)模塊與人機(jī)交互模塊，為實(shí)現(xiàn)變電站三維模型數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建提供一種參考。

2 變電站三維模型管理數(shù)據(jù)庫功能需求與架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 模型管理數(shù)據(jù)庫功能需求分析

近年來，三維模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)已逐步得到發(fā)展，三維模型數(shù)據(jù)庫已被廣泛的應(yīng)用于教育、醫(yī)療、軍事、電力系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。為構(gòu)建電網(wǎng)三維空間可視化信息平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心可視化、運(yùn)行維護(hù)可視化、營銷管理可視化，已有很多專家學(xué)者開始對電力設(shè)備三維數(shù)據(jù)采集、三維模型構(gòu)建等技術(shù)進(jìn)行研究，并且取得了一定的研究成果。但設(shè)備三維模型種類、數(shù)量越來越多，質(zhì)量參差不齊，缺乏合適的三維模型管理工具使得這些模型的可靠性與可用性面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：設(shè)備三維模型文檔的準(zhǔn)確性及完整性，文檔管理人員的管理習(xí)慣不同、誤操作、人員調(diào)動(dòng)以及文檔變動(dòng)、遺失等等都會(huì)使設(shè)備三維模型文檔的準(zhǔn)確性以及完整性存在問題，且三維模型與設(shè)備文檔信息之間相互獨(dú)立，無法直接關(guān)聯(lián)，為模型的管理與應(yīng)用帶來了不便。變電站三維模型數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備以下功能。

一是三維模型數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息的管理維護(hù)。變電站三維模型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)隨著電網(wǎng)發(fā)展不斷進(jìn)行修改、更新等，因此要預(yù)留操作簡單、易學(xué)的數(shù)據(jù)更新平臺(tái)方便數(shù)據(jù)庫管理人員進(jìn)行管理維護(hù)工作。

二是三維模型的查閱。三維模型數(shù)據(jù)的查閱有兩種方式：一種是無針對性的遍歷，因此數(shù)據(jù)庫需要包含全部三維模型，方便用戶挑選合適的對象；另一種是有針對性的關(guān)鍵詞查詢，因此數(shù)據(jù)庫需具備關(guān)鍵詞查詢功能，方便用戶從海量數(shù)據(jù)中快速訪問目標(biāo)對象。在這過程當(dāng)中，需要統(tǒng)一設(shè)備模型的命名規(guī)則，避免因關(guān)鍵詞與模型名稱不一致出現(xiàn)錯(cuò)選、漏選、查無對象等情況，同時(shí)還應(yīng)提供多關(guān)鍵詞的搜索方式，解決用戶在信息缺乏的情況下無法快速篩選的問題；

三是三維模型的展示功能。僅有三維模型名稱及其相關(guān)信息無法直觀地為用戶展示三維模型的具體構(gòu)造，不便于用戶正確地選擇調(diào)用所需的模型。因此需要有簡單、快捷、形象的三維模型展示功能，清楚地反映出模型的整體構(gòu)造，同時(shí)要避免出現(xiàn)因設(shè)備模型文件體積過大，模型種類過多，導(dǎo)致查看模型速度慢這一問題。

2.2 模型管理數(shù)據(jù)庫框架

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，數(shù)據(jù)庫包括了兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)：一是模型管理維護(hù)模塊，該模塊用于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的管理維護(hù)，主要包含了三維模型及其相關(guān)信息添加、刪減、修改、更新等操作，同時(shí)為人機(jī)交互模塊提供底層數(shù)據(jù)來源；二是人機(jī)模塊，該模塊主要功能為創(chuàng)建與用戶的交人機(jī)互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維模型遍歷、查詢以及展示，因此該模塊又可分為遍歷、查詢、展示三個(gè)子模塊，其中遍歷模塊由條理清晰的樹狀圖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，展示模塊能實(shí)時(shí)展示選擇的目標(biāo)對象。

3 模型入庫信息屬性與編碼規(guī)則

為了三維模型在使用時(shí)能夠被正確、合理的選用，三維模型及其相關(guān)信息在入庫時(shí)應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一，即規(guī)定所需信息種類以及信息入庫的格式。入庫信息應(yīng)包括：設(shè)備本身名稱，所屬電壓等級(jí)，生產(chǎn)廠家，設(shè)備型號(hào)等。本文對這些入庫信息做出如下統(tǒng)一。

3.1 設(shè)備名稱

統(tǒng)一使用中文名稱，不使用英文或拼音縮寫、簡稱等方式，避免在按設(shè)備名稱查詢時(shí)因個(gè)人習(xí)慣不同導(dǎo)致查詢結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)選、漏選等情況，若模型為某一設(shè)備部件，命名應(yīng)包括該設(shè)備，如“主變壓器油枕”，指明該部件的歸屬。

3.2 電壓等級(jí)

統(tǒng)一使用“阿拉伯?dāng)?shù)字+電壓單位”的格式，電壓單位不區(qū)分大小寫，如“500kV”，變電站中名稱相同電壓等級(jí)不同的設(shè)備有很多，這些設(shè)備模型在入庫時(shí)應(yīng)添加電壓等級(jí)加以區(qū)分，避免出現(xiàn)混淆。

3.3 生產(chǎn)廠家

廠家名稱應(yīng)保持和該廠家官方名稱一致，不可縮寫，避免在按生產(chǎn)廠家查詢時(shí)查詢結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)選、漏選、查無結(jié)果等情況。

3.4 設(shè)備型號(hào)

設(shè)備型號(hào)應(yīng)與設(shè)備相應(yīng)參數(shù)銘牌上的信息保持一致，保證設(shè)備型號(hào)參數(shù)準(zhǔn)確無誤，為模型篩選時(shí)提供最為精確的判別條件，若模型為某一設(shè)備部件，無相應(yīng)的設(shè)備銘牌則以該設(shè)備的型號(hào)為準(zhǔn)。

為了查詢便利，本文提出一種以設(shè)備編碼的方式查詢設(shè)備的思路，即給每一種設(shè)備添加唯一的編碼，按“電壓等級(jí)+（部件所屬設(shè)備）+（設(shè)備類型信息）+設(shè)備/部件中文名字+（相/順序編號(hào)）”的順序依次編碼，括號(hào)的內(nèi)容為非必要信息，按需添加，主要作為補(bǔ)充的區(qū)分條件，不加括號(hào)的內(nèi)容為必要信息。設(shè)備編碼規(guī)則如表1所示。

表1 設(shè)備編碼表

電壓等級(jí)、名稱等均相同的設(shè)備根據(jù)設(shè)備類型信息加以區(qū)分，本文以變壓器為例，變壓器編碼時(shí)要聲明其用途、類型、冷卻方式等，并按照類型+冷卻方式+用途的順序來命名，設(shè)備類型編碼規(guī)則如下表2所示。如：單相自耦油浸式ONAN/ONAF主變壓器（冷卻方式編碼選擇滿負(fù)荷時(shí)的冷卻方式）根據(jù)表2其設(shè)備類型編碼則為1321。

表2 設(shè)備類型編碼

根據(jù)上述編碼表，本文以一串18位數(shù)字為設(shè)備進(jìn)行編碼，編碼時(shí)注意：為了統(tǒng)一編碼的位數(shù)，規(guī)定命名的通用規(guī)則中的內(nèi)容不可省略，如若無相關(guān)信息，則使用數(shù)字0代替，不可省略，且每個(gè)內(nèi)容用統(tǒng)一位數(shù)的編碼表示，如圖1所示，共18位編碼（如果需要添加某項(xiàng)內(nèi)容或者某項(xiàng)內(nèi)容中所包含的信息需要擴(kuò)充則再添加）。

圖1 設(shè)備編碼規(guī)則

4 基于Access 軟件的變電站三維模型管理數(shù)據(jù)庫開發(fā)

Access 是世界上最流行的基于Windows 系統(tǒng)的桌面數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它是面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，將一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)作由一個(gè)個(gè)對象組成，簡化了開發(fā)工作，具有簡單易學(xué)、界面友好、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)[9]。與其他種類的數(shù)據(jù)庫軟件相比，Access 不需要數(shù)據(jù)庫管理工作人員具有很強(qiáng)的編程能力，降低了對管理人員的要求。本文使用Access 創(chuàng)建變電站三維模型數(shù)據(jù)庫主要由以下兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)構(gòu)成。

4.1 數(shù)據(jù)管理維護(hù)模塊

數(shù)據(jù)表是Access 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的來源與搭建整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Access 中數(shù)據(jù)的添加、刪減、更新與維護(hù)等操作可通過修改數(shù)據(jù)表實(shí)現(xiàn)。由于本文數(shù)據(jù)庫遍歷模塊為樹狀結(jié)構(gòu)，因此要先在數(shù)據(jù)表中理清父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系。三維模型數(shù)據(jù)庫中的電氣設(shè)備模型有很多種類，以其中變壓器為例，將其看為一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，呼吸器、散熱片、油枕等都是組成變壓器的部件，可看為變壓器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)變壓器等設(shè)備又是電氣設(shè)備的子節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)表構(gòu)建之前，先要對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的模型進(jìn)行歸類整理，梳理各個(gè)模型之間的父子節(jié)點(diǎn)。

本文數(shù)據(jù)表中包含有：節(jié)點(diǎn)信息、模型鏈接、模型名稱、模型縮略圖、出廠廠家、電壓等級(jí)等信息。此外，為了后續(xù)創(chuàng)建樹狀圖結(jié)構(gòu)，添加了各個(gè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)層級(jí)，梳理父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系，以電氣設(shè)備為例，變壓器屬于電氣設(shè)備，其本身包含了套管、油枕、散熱片等各種部件，因此其父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)表及父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系

4.2 人機(jī)交互模塊

該模塊是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的核心，決定了最終數(shù)據(jù)庫的展示效果。Access 中窗體是計(jì)算機(jī)與用戶的交互平臺(tái)，本身不具有任何數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，其數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)表。

4.2.1 三維模型展示模塊

該模塊用于模型的展示，無論查詢模塊與遍歷模塊如何實(shí)現(xiàn)，它們都需要有三維展示模塊實(shí)時(shí)顯示選擇的對象。本文中數(shù)據(jù)庫的三維模型以縮略圖的形式展示，包括兩張不同角度的全彩視圖，一張模型拆分為一個(gè)個(gè)主要部件的縮略圖，以便在變電站三維設(shè)計(jì)模型的快速查閱，以及新進(jìn)員工快速了解各個(gè)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)及功能作用，避免了打開三維模型緩慢造成的時(shí)間浪費(fèi)，提高了查閱效率，對于實(shí)際的模型文件則以超鏈接的形式指明文件位置，變壓器示例如圖2所示。

圖2 變壓器縮略圖示意

本文三維模型展示模塊實(shí)現(xiàn)的方式是采用綁定型控件，通過設(shè)定添加的綁定型控件中的屬性將其綁定至數(shù)據(jù)表中的模型與縮略圖鏈接，實(shí)現(xiàn)模型的展示，具有操作簡單、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

4.2.2 查詢模塊

窗體的創(chuàng)建及功能的實(shí)現(xiàn)主要通過各種控件以及相應(yīng)控件的事件編程來實(shí)現(xiàn)。事件是在數(shù)據(jù)庫中執(zhí)行的一種特殊操作，是對象所能辨識(shí)和檢測的動(dòng)作，當(dāng)此動(dòng)作發(fā)生于某一個(gè)對象上時(shí)，其對應(yīng)的事件便會(huì)被觸發(fā)，如鼠標(biāo)單擊、雙擊、更新前、更新后，等等。此窗體主要功能為查詢，事件設(shè)置為“=SetFilter（文本框名稱）”，并對查詢窗體進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)查詢窗體的基本功能。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫提供三種關(guān)鍵詞檢索，分別為設(shè)備名稱、電壓等級(jí)、生產(chǎn)廠家，為用戶提供多種篩選策略，如圖3所示。

圖3 查詢窗體界面

4.2.3 遍歷模塊

該模塊用于遍歷整個(gè)三維模型設(shè)備庫中的模型及其相關(guān)信息，樹狀圖結(jié)構(gòu)能很好地滿足這一功能需求。樹狀圖通過ActiveX 控件來創(chuàng)建，ActiveX控件可在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)上重復(fù)使用的程序?qū)ο蟆１疚闹惺褂肁ctiveX 控件中的Microsoft ImageList Control,version6.0和Microsoft TreeView Control version6.0來創(chuàng)建變電站三維模型樹狀圖。ImageList 控件用于顯示樹狀圖內(nèi)部的圖標(biāo)，TreeView 控件則用于生成樹狀圖結(jié)構(gòu)，需結(jié)合Visual Basic 語言實(shí)現(xiàn)，其典型的方法有：Add 方法、GetVisi-bleCount 方法及ExpandAll方法。其中，Add 方法為本文三維模型數(shù)據(jù)庫主要使用方法，其作用是為Treeview 控件的Nodes集合中添加一個(gè)Node 對象。結(jié)合前文數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建的父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系得到變電站設(shè)備三維模型的樹狀圖。如圖4所示。

圖4 電氣設(shè)備樹狀圖結(jié)構(gòu)

4.2.4 主窗體模塊

最后將前文創(chuàng)建的查詢窗體作為一個(gè)子窗體添加入主窗體，結(jié)合組合框控件實(shí)現(xiàn)主窗體的查詢功能，最終三維模型數(shù)據(jù)庫主窗體。如圖5所示。

圖5 主窗體界面

5 結(jié)論與展望

本文在分析變電站設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)庫的功能需求以及架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于Access 軟件搭建了操作簡單、易學(xué)的模型管理維護(hù)模塊與人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)了變電站三維模型管理數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。該數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了設(shè)備三維模型與電壓等級(jí)、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)等信息的管理，提高工作效率，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值，但主要局限于模型瀏覽查詢等功能?；谠O(shè)備組件/部件的三維模型單元，作為設(shè)備級(jí)三維重構(gòu)的底座，輔以拼裝技術(shù)，進(jìn)一步提升模型的共享能力和深度值得關(guān)注。