基于三維激光掃描技術(shù)的電纜線路及通道管理系統(tǒng)

袁 博，馬凌波，吳 茜

（國網(wǎng)西安供電公司高壓電纜運檢中心，陜西 西安 710000）

0 引言

傳統(tǒng)電力電纜運維中多使用二維圖形信息進行電纜線路及通道管理，僅能對整體通道走徑，無法反映出通道內(nèi)部多條電纜線路的實際敷設(shè)關(guān)系。本文使用三維激光掃描技術(shù)，可實現(xiàn)對電纜通道內(nèi)部三維場景快速構(gòu)建，提供三維場景中場景瀏覽、設(shè)備定位、設(shè)備屬性與資源管理、編輯與維護等功能，實現(xiàn)電纜及通道三維業(yè)務(wù)場景應(yīng)用。

近年來，西安地區(qū)電纜設(shè)備量連年增長超過25%，準確獲取電纜通道內(nèi)原始完整數(shù)據(jù)對電纜的運維檢修十分重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，須記錄電纜設(shè)備的名稱、型號、狀態(tài)、地理位置、現(xiàn)場照片等不同類型的信息，上述信息無法在使用二維圖形信息管理的方式下直觀、便捷地表達，也無法反映出通道內(nèi)不同電纜之間的真實空間關(guān)系，為電纜的檢修和維護帶來不便。使用三維可視化技術(shù)可直觀展現(xiàn)出地下通道內(nèi)電纜線路的具體位置及走向，有效解決二維GIS圖中不能表達空間邏輯關(guān)系的短板。助力檢修人員快捷、精準地定位，解決線路故障[1-2]。

1 工作原理及功能設(shè)計

1.1 技術(shù)原理

三維激光掃描測量技術(shù)，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)單一、復(fù)雜、工作量大的局限性。通過激光測距原理，采用非接觸主動測量方式，直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進行掃描，環(huán)境適應(yīng)性強，可快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的空間點云數(shù)據(jù)，迅速自動建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的三維可視化模型，經(jīng)過處理，可輸出二維、三維等多種成果，實現(xiàn)與CAD、三維處理等工具軟件的對接[2]。該方法具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，可極大地提高工作效率，節(jié)約時間，使用方便[3]。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

建立電纜三維精益化管理平臺，作為電力電纜日常運維及檢修工作的管理工具，為現(xiàn)場檢修作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐與精準指導(dǎo)。該電纜及通道三維數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能主要包括：電纜線路設(shè)備臺賬導(dǎo)入、管理、關(guān)聯(lián)與三維展示，電纜消防監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的接入與展示，電纜動態(tài)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的接入與展示，電纜及通道內(nèi)監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)的接入與展示，電纜線路三維數(shù)據(jù)的更新與維護。

2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由外業(yè)采集系統(tǒng)、三維軟件建模和入庫軟件組成。

外業(yè)采集系統(tǒng)：通過三維激光掃描儀、GPS采集設(shè)備、管線探測儀、相機等設(shè)備，采集地下電纜工井、電纜及通道、電纜管溝、埋設(shè)單元等地下電纜對象的點云數(shù)據(jù)、具體位置及現(xiàn)場照片。

三維軟件建模：實現(xiàn)電纜點云數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。將基于外業(yè)采集的地下電纜點云數(shù)據(jù)進行處理，如現(xiàn)場照片采集、三維建模、屬性維護，生成剖面圖、屬性表、三維模型等，完成電纜外業(yè)數(shù)據(jù)的處理。

數(shù)據(jù)入庫軟件：依據(jù)電纜數(shù)據(jù)采集的相關(guān)標準規(guī)范，對三維建模軟件自動生成的數(shù)據(jù)成果進行標準化整理，形成符合電纜數(shù)據(jù)入庫模板標準的電纜成果數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集集成

通道三維點云數(shù)據(jù)集成。電纜線路及通道激光點云數(shù)據(jù)由外業(yè)數(shù)據(jù)采集人員下井作業(yè)采集，數(shù)據(jù)采集完成后，對點云數(shù)據(jù)進行拼接、配準處理，點云數(shù)據(jù)處理完成后可導(dǎo)出對應(yīng)的點云文件。

點云數(shù)據(jù)文件處理完成后，須導(dǎo)入三維管理平臺，并將數(shù)據(jù)再次進行抽稀處理，在保證場景展示視覺效果的前提下，減小點云文件的大小，提高場景的渲染效率。點云文件導(dǎo)入完成后，可通過點云管理實現(xiàn)對點云文件的預(yù)覽。

通道三維模型數(shù)據(jù)集成。三維點云數(shù)據(jù)處理完成后，建模人員根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)進行通道內(nèi)設(shè)備三維模型的創(chuàng)建。模型創(chuàng)建完成后，使用三維模型管理工具可將創(chuàng)建的三維模型或場景導(dǎo)入到三維平臺中，根據(jù)模型位置在場景中生成設(shè)備模型。

通道內(nèi)三維模型建模范圍為電纜工井、井蓋、爬梯、電纜及通道、電纜排管、線路電纜、電纜支架、電纜接頭、監(jiān)控攝像頭、通道內(nèi)照明設(shè)備等，如圖1～2所示。

圖1 點云電纜穿線建模

圖2 點云三維模型疊加成果

2.3 通道設(shè)備數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與集成

完成模型建立后，可根據(jù)提前準備好的設(shè)備臺賬信息進行三維模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)模型與實際設(shè)備、設(shè)備信息的一一對應(yīng)。設(shè)備與臺賬關(guān)聯(lián)主要有電力電纜設(shè)備臺賬、消防監(jiān)測設(shè)備臺賬、視頻監(jiān)控設(shè)備臺賬、動環(huán)監(jiān)測設(shè)備臺賬4大部分。

電力電纜設(shè)備臺賬。電纜設(shè)備主要關(guān)聯(lián)的信息如下：電纜段名稱、電纜段編碼、電纜型號、起點位置、終點位置、電纜段長度、供電側(cè)變電站、受電側(cè)變電站等。

消防監(jiān)測設(shè)備臺賬。消防監(jiān)測數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的接口進行數(shù)據(jù)接入，其關(guān)聯(lián)設(shè)備信息主要為：環(huán)境綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、氧氣含量、二氧化碳含量、硫化氫含量、甲烷含量等；煙霧報警器狀態(tài)；水位報警器狀態(tài)；火焰報警器狀態(tài)；智能警示器狀態(tài)。

視頻監(jiān)控設(shè)備臺賬。消防視頻設(shè)備主要關(guān)聯(lián)的信息：設(shè)備名稱、設(shè)備類型、通信IP、通信用戶名、通信密碼、通信端口、設(shè)備編號、設(shè)備位置。

動環(huán)監(jiān)測設(shè)備臺賬。動環(huán)監(jiān)測設(shè)備主要關(guān)聯(lián)的信息包括：編號、傳感部件名稱、傳感部件編碼、傳感器類型、所屬電纜溝、所屬電纜；三維場景內(nèi)可展示電纜接地環(huán)流信息、接地環(huán)流設(shè)備數(shù)據(jù)及接地環(huán)流設(shè)備運行狀態(tài)。

3 電纜線路及通道三維管理系統(tǒng)應(yīng)用分析

電纜線路及通道三維管理系統(tǒng)在電纜運維檢修業(yè)務(wù)中可用于以下幾個場景：電纜線路的全景瀏覽及查看，電纜線路模型與點云的融合展示，電纜設(shè)備臺賬查看管理，線路電纜接頭管理，電纜及通道消防監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看，電纜及通道視頻監(jiān)控查看，電纜線路的巡視線路管理等。

電纜線路的全景瀏覽與查看。該功能可在三維場景中整體查看電纜通道內(nèi)部所有電纜線路的分布和其他設(shè)備設(shè)施情況，也可選中單條電纜線路，具體瀏覽電纜線路的位置與走向。

電纜線路模型與點云的融合展示。能夠在三維場景中對采集到的通道激光點云數(shù)據(jù)進行管理，點云能夠在三維場景中加載展示，利用點云數(shù)據(jù)的準確性，實現(xiàn)對場景三維模型數(shù)據(jù)的校準。

電纜設(shè)備臺賬查看。在三維場景中展示設(shè)備關(guān)聯(lián)的臺賬信息，通過選擇三維場景中的不同設(shè)備，展示所選中設(shè)備的臺賬信息，如設(shè)備名稱、電壓等級、所屬電站、設(shè)備類型等，如圖3所示。

圖3 電纜線路臺賬信息查詢

線路電纜接頭管理。提供三維場景中電纜對電纜接頭管理的功能，實現(xiàn)對電纜接頭臺賬的查看、接地環(huán)流數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)的展示，如出現(xiàn)運行數(shù)據(jù)異常，可輔助運維檢修人員快速定位具體設(shè)備位置。

電纜及通道消防監(jiān)測數(shù)據(jù)展示。進入電纜及通道內(nèi)部后，通過選擇消防監(jiān)測點，可在三維場景中展示該消防監(jiān)測點的環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)（溫度、濕度、氧氣含量、二氧化碳含量、一氧化碳含量、硫化氫含量、甲烷含量等）及煙霧報警、水位報警、火焰報警、開關(guān)狀態(tài)警示信息等。

電纜及通道視頻監(jiān)控查看。在三維場景中接入統(tǒng)一視頻管理平臺的視頻數(shù)據(jù)，支持實時查看三維場景中監(jiān)控攝像設(shè)備的信息。

電纜線路巡視管理。在三維場景中規(guī)劃電纜線路的巡視路線，實現(xiàn)按照巡視線路在場景中的虛擬巡視。

4 結(jié)束語

電纜線路及通道三維資源管理系統(tǒng)采用三維激光掃描技術(shù)快速獲取點云數(shù)據(jù)，準確建立電纜及通道三維模型，并在模型基礎(chǔ)上與設(shè)備信息、傳感器數(shù)據(jù)一一綁定結(jié)合，實現(xiàn)了對電纜及通道的全景模擬和數(shù)據(jù)臺賬收集、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示。該管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集快捷準確，數(shù)據(jù)處理科學(xué)高效，成果展示形象具體，可精準指導(dǎo)運維人員更安全、高效地開展工作。