輸電塔架參數化三維建模方法研究與實現

李 林，張曉偉，高青風

（華北電力大學能源電力與機械工程學院，北京 102206）

輸電塔架是電網的重要組成。隨著電網的安全運行技術發展及電網信息管理的精細化，開展輸電線路三維可視化系統開發具有重要的意義，塔架三維模型的建立與應用勢在必行。目前三維建模中三維信息獲取的常用方法是“近景攝影技術”和“激光掃描技術”[1]，雖然可以獲得塔架上大量點的三維數據，但是塔架建模需要的是塔架各個構件的端點坐標和連接點，造成資源大量浪費。現有輸電線路塔架的結構模型大多是單線模型[2]，與塔架的實際情況有較大區別。而且輸電塔架的種類豐富，規格各不相同，在進行同一系列塔架的結構建模時，如果逐個進行建模，需要花費大量的人力和物力，工作周期長。因此，將模塊化思想與參數驅動技術引入塔架三維建模過程中，可以極大地減少輸電鐵塔建模的工作量，縮短周期，提高工作效率。

1 輸電塔架的類型和特征

根據結構型式和受力特點，輸電塔架可分為自立式和拉線式兩種[3-4]。拉線式輸電塔架一般常用于電壓等級不是很高的輸電線路，自立式輸電塔架特別適用于高電壓輸電線路且應用較廣。本文主要研究自立式塔架。

輸電塔架根據電壓等級和地形等條件的不同而有不同的塔型。塔架結構主要以角鋼通過節點處的螺栓連接而成，不同輸電塔架的結構具有相似性和繼承性，這為進行塔架的參數化建模提供了必要的基礎條件。

輸電塔的結構主要分為塔頭、塔身、塔腿3個部分。塔身部分一般為臺形四棱錐，塔腿為4個四棱錐，塔頭部分結構最復雜，種類最多，包括酒杯型、干字型、克里木型、貓頭型等，是不同塔型的輸電塔架在外觀上最大的區別之處。

觀察輸電線路中各個塔架實際結構并分析其結構圖，塔架各部分都具有對稱和重復的結構，同一型號塔架的塔頭部分相同，按照呼高的不同來組合不同的塔身和塔腿。由圖1可知，不同型號的塔架雖然塔頭部分結構不同，但是塔腿和塔身部分的結構相近或相同。各個塔架中結構相近及相同的部分可以用同一個型式的原始模型來表示，建立塔架模塊的模型時，使用參數化的模型來描述結構相同的部分，實現塔架建模的模塊化和參數化。

圖1 酒杯塔（左）與貓頭塔（右）的塔架結構

塔架劃分模塊時，主要依據是結構的相似性和重復性。以圖1中兩座塔架為例，塔頭部分和塔腿部分各自為一個模塊，酒杯型塔架的塔身部分以橫隔為界分為兩段結構，兩段結構相似但是具體尺寸不同，因此分為2個模塊；貓頭型塔架的塔身部分以橫隔為界分為三段結構，中間的一段結構雖然沒有橫隔將其分開，但是其上下兩部分結構不同，因此將該塔身部分劃分為4個模塊。

2 基于三維建模的參數提取

輸電塔架結構具有對稱和重復的特點，規則性較強，因此將塔架分解為基本的結構模塊，并提取其特征參數建立模型[5-6]。提取各模塊特征參數時采用結構長度、寬度、高度3個方向的外形尺寸，斜材及輔助材結構的布置方式及重復次數作為特征參數，用較少的參數描述模塊的結構特征。外形尺寸決定模塊的尺寸，斜材和輔助材的布置方式及重復次數決定模塊的結構型式。

塔架各部分參數化建模的主要過程：

（1）將輸電塔架劃分為塔頭、塔身、塔腿3個部分。

（2）分析比較各種輸電塔架各個部分的相似以及相同結構，總結每個部分的典型結構型式。

（3）以塔架每部分的典型結構型式為基礎，提取其特征參數，建立相應模塊的參數化模型，實現塔架各部分結構的模塊化和參數化。

2.1 塔頭結構參數化

整個輸電塔架中塔頭部分的結構最復雜，包括懸掛輸電線和地線的結構。以酒杯型直線塔為例，塔頭部分由自下向上由逐漸變寬變薄的塔頸部（上曲臂和下曲臂）、用來懸掛輸電線的橫擔部分、以及用來懸掛地線的地線支架3部分組成。不同尺寸但是結構相同的塔頭模型可以用同一個模塊賦不同的值表示。如圖2所示，酒杯型塔頭的特征參數有高度方向的參數(H1、H2、H3)，寬度方向的參數(L1、L6、L7)，長度方向的參數(L1、L2、L3、L4、L5)。

貓頭型塔頭也有類似的特征參數，如圖3所示，包括高度方向的參數(H1、H2、H3、L7)，寬度方向的參數(L1、L5、L6)，長度方向的參數(L1、L2、L3、L4)。對這些參數賦不同的值即可得到不同尺寸的酒杯型塔頭模型和貓頭型塔頭模型。這兩種型式的塔頭模塊代表了兩種塔頭結構，根據需要也可建立更多的塔頭模塊來表現不同的塔頭結構型式。在建立塔頭模型時，只需選擇相應的模塊并對其特征參數進行賦值即可。

圖2 酒杯型塔頭的結構圖及其特征參數

2.2 塔身結構參數化

塔身部分結構簡單，一般為臺形四棱錐，水平截面為正方形或矩形。塔身的主材與斜材的布置方式基本相同，輔助材有不同的布置方式。如圖4所示，塔身模塊的特征參數主要是長度方面的參數(L1、L2)、高度方面的參數(H1、H2)、決定輔助材布置方式的參數(typebody、N1、N2)。其中塔身型式(typebody)決定了塔身模塊的結構以及建模使用的參數。

圖3 貓頭型塔頭的結構圖及其特征參數

圖4 塔身部分結構圖及其特征參數

2.3 塔腿結構參數化

塔腿部分結構一般為4個四棱錐。塔腿的斜材與輔助材也有不同的布置方式。如圖5所示，塔腿模塊的特征參數主要是長度方面的參數(L1、L2)、高度方面的參數(H1、H2)、決定輔助材布置方式的參數(typeleg、N1、N2)。其中塔腿型式(typeleg)決定了塔腿模塊的結構以及建模使用的參數。

圖5 塔腿部分的結構圖及特征參數

2.4 角鋼結構參數化

為了實現輸電塔架的三維建模，要完成角鋼的建模，根據塔架結構圖上給出的各個角鋼的端點位置、規格等參數繪制角鋼，構成整個塔架的模型。

輸電塔架的角鋼構件包括處于塔架四邊的主材，處在塔架表面的斜材和輔助材，處于塔架內部橫隔位置和其他水平放置的水平材。不同位置的角鋼，在起點、終點坐標的處理方式以及角鋼朝向等方面有所不同。故將角鋼按位置分為主材角鋼、斜材輔助材角鋼和水平材角鋼[4]3類來繪制。3類角鋼選擇適合的參數，能在很大程度上還原塔架結構設計圖中的位置。角鋼的特征參數包括端點的位置坐標、角鋼的規格（寬度和厚度）和角鋼的朝向（指向塔內或塔外等）。

3 塔架快速三維建模的參數化驅動方法

塔架的塔型和呼高、模塊組合方式、模塊結構型式和特征參數，各部分的參數關聯關系為某塔架的塔型和呼高確定該塔架各部分模塊型式的選擇和組合方式，再對相應模塊的參數化模型的特征參數進行賦值，按組合順序建立塔架各模塊的模型，完成塔架的建模。

基于對模型數據的操作，參數驅動時以塔架各部分模塊的結構型式與特征參數為基礎，對其參數化模型的特征參數賦值，建立各部分模塊的模型；根據塔型與呼高及各模塊組合方式的數據關聯，實現塔架結構各部分模塊的選擇與組合，建立相應的輸電塔架三維模型。

3.1 型號與呼高參數驅動

同一塔型的輸電塔架塔頭部分結構相同，不同呼高的同塔型輸電塔架是由相同的塔頭部分與不同的塔身部分和塔腿部分組成的。

建立某塔型輸電塔架的三維模型時，首先根據該塔型各個呼高的塔架的結構，將塔架分解為各個模塊，再選擇相應的塔頭、塔身、塔腿模塊的結構型式，對各個模塊的特征參數賦以具體的數值。建立該塔型某呼高的塔架模型時，選取該呼高對應的塔架模塊，利用設置好的各部分模塊的結構型式與特征參數，快速地建立相應的三維模型。如圖6所示，呼高1和呼高2的輸電塔架塔頭部分結構相同，塔身1和塔腿1為呼高1塔架的塔身部分和塔腿部分，分別對應呼高1的塔身模塊和塔腿模塊的結構型式及特征參數。選擇呼高1的輸電塔架的同時，該塔架各部分模塊的結構型式與特征參數也確定下來。

圖6 輸電塔架呼高驅動示意圖

3.2 各模塊結構參數驅動

建立輸電塔架某模塊的三維模型時，讀取模塊的結構型式和特征參數，計算獲得模塊全部角鋼構件的端點坐標數據，實現該段塔架結構中角鋼構件的三維建模，組合角鋼構件構成模塊的三維模型，如圖7所示。

圖7 塔架某模塊的參數驅動

3.3 角鋼參數驅動

塔架模塊的參數化模型中，每根角鋼的位置類型、規格和朝向根據模塊的結構型式進行設定。根據模塊的尺寸參數、結構型式、斜材輔助材結構重復次數，計算某根角鋼的端點坐標，建立該角鋼的三維模型，如圖8所示。

圖8 角鋼的參數驅動

3.4 塔架三維可視化系統開發及實現

根據上述研究及分析，以VC為開發平臺，基于MFC和OpenGL編寫輸電塔架可視化三維建模程序。建模的過程分為以下幾個步驟：

（1）將塔架分為3個部分，按照塔架各部分的結構型式進行分類，分別建立各模塊的參數化模型。建模過程中利用塔架結構的對稱性，建立對稱部分的模型，旋轉坐標系后重復命令，減少程序量。

（2）根據進行建模的塔架的結構，按照其特征將塔架分為各個模塊。確定塔型及呼高與各模塊組合方式的參數驅動程式，建立各模塊之間的關聯。

（3）選擇各模塊的結構型式，對各模塊的特征參數賦以具體數值，依照塔型呼高與模塊的關聯進行組合，得到輸電塔架的三維模型。

以某酒杯型直線塔為對象，劃分模塊后選擇各模塊的結構型式并對其賦值，組合不同模塊建立4種不同呼高的塔架三維模型。參考酒杯型直線塔的結構設計圖，將塔架劃分為8個結構模塊，其中地線支架①、橫擔②、塔頸部③構成塔頭部分模塊，塔身部④、塔身部⑤、塔身部⑥3個塔身模塊構成塔身部分，塔腿部⑦、塔腿部⑧、塔腿部⑨、塔腿部⑩ 4個塔腿模塊構成塔腿部分。各模塊特征參數，如表1所示。各呼高塔架的模塊組合方式，如表2所示。呼高16米塔架的三維模型，如圖9所示。全部呼高塔架的三維模型，如圖10所示。

表1 酒杯型塔架各模塊參數(mm)

表2 酒杯型不同呼高的塔架的模塊組合方式

圖9 呼高16米塔架的三維模型

圖10 4種不同呼高塔架的三維模型

應用同樣的方法，其他塔型的輸電塔架也可以快速地建立三維模型，如圖11所示。

圖11 其他塔型不同呼高塔架的三維模型

4 結論

通過對輸電塔架快速三維建模方法進行研究，提出塔架分模塊后進行參數化建模的建模方法，對塔架各部分模塊的型式進行研究和分類，建立各模塊的參數化模型。在建模過程中應用模塊化、參數化的思路，輸入塔架各模塊的特征參數，對模塊進行選擇組合，生成輸電塔架的三維模型。完成基于VC和OpenGL的塔架三維建模程序，實現塔架快速的可視化三維建模。對某型號酒杯塔進行三維仿真建模，得到如下結論：

（1）根據輸電塔架結構特點，對輸電線路塔架結構模塊化分析和參數化建模方法的正確性和可行性。

（2）采用參數化方法，減少建模的工作量，提高效率，通用性好。

（3）只需要輸入塔架型號和呼高，即可建立其可視化三維模型，自動化程度高。

[1]欒悉道, 應 龍, 謝毓湘, 吳玲達, 文 軍.三維建模技術研究進展[J].計算機科學, 2008, 35(2):204-210.

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