輸電線路場景三維建模與還原

羅龍，趙云龍

（國網青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810021）

0 引言

輸電線路在整個電力系統中主要負責電能傳輸，這個角色對于電網可靠運行極為重要。部分輸電線路位于環境惡劣與地形復雜的地區，易受到自然災害與環境影響，這就給輸電線路安全運行造成隱患。VR技術作為一種信息處理與人機交互等技術不斷發展而來的產物，其可以讓人與環境進行信息的交互，對于輸電線路與相關的設備實現可視化有重要意義。虛擬的三維場景建模方法主要有三種：圖形建模、圖像模型建模以及兩者的有機結合方法。將VR技術引入于輸電線路的管理系統中，其就能將輸電線路實際的運行狀況真實的反映出來，并及時對具有隱患的運行線路進行報警，如此不僅利于電網的運行人員對線路與設備信息進行管理，還能進一步提高巡線與檢修的效率[1]。因此，為了輸電線路可以實現可視化的管理系統，本文將研究并分析具有可操作性的輸電線路場景三維建模的相關方式。

1 實現過程

對于輸電線路場景而言，其三維建模多應用在輸電線路的信息管理與狀態查詢上，所以，本次鑒于圖像虛擬建模對輸電線路外圍環境進行構建，并應用圖形虛擬建模的方法來對輸電線路的桿塔進行建模，在輸電線路場景三維建模上采取的建模方法是VRML和3DS max相結合的方法。

1.1 建立模型

1.1.1 模型設計的參數選取

在輸電線路的桿塔選取上以220 kv的雙回路鼓型SJ2耐張塔為例，對于輸電導線各項的設計參數而言，應用懸掛式絕緣子串中的最小間隙垂直距離，輸電導線對地面間最小的垂直距離相關方面參數。設計環境將選取人口比較少的地區即非居民區，在氣候條件方面上的參數按照典型的氣象區氣象條件來選取。且輸電線路的等級是220 kV。

1.1.2 建模的過程

三維和實體模型將采用1：100的縮放比例。在進行桿塔實體建模時，主要采用3DS Inax來完成。在3DS max中，二維圖形朝三維模型發生轉換的方式各式各樣，比如，放樣、車削等。由于桿塔是鋼架類結構，借助放樣對AutoCAD型線性桿塔相應的模型進行選擇，把其當作放樣路徑。放樣圖形為二維截面，但二維截面需要具備一定厚度。在進行放樣期間，需要先對路徑加以選取，再對圖形加以選取，不然，會使得所生成的模型借助二維截面進行放樣，并與各項具體的要求間彼此相反。絕緣子是借助3DS max中所具有的擴展基本體的各個軟管造型。而獲得懸掛導線與桿塔模型間相一致，一條直線也就是放樣路徑，圓形截面也就是放樣圖形。對桿塔的底座而言，可以借助兩個圓柱體來進行模擬，需注意圓柱體的直徑要不同。

1.1.3 材質渲染

由于輸電線路中的三維場景大多都是被應用到管理輸電線路，所以，在材質渲染上的要求并不高，只要能將模型大致特征反映出來既可[2]。以下各個部分中的各項材質渲染參數：桿塔顏色依次是RGB128、RGB128、RGB126，漫反射即為40、反射即為35、鏡面即為50、凹凸即為20%；絕緣子漫反射相應的顏色：白色、RGB40、光澤度40、高光109與凹凸為30%；另外，懸掛導線的顏色為：RGB30、RGB30、RGB30，鏡面30、反射0、漫反射30與凹凸為50%；桿塔的底座則是采用水泥的材質。以此用3DS max將桿塔模型創建好，并將模型的各部分加以成組、重命名，讓程序具有更高的可讀性，方便應用VRML語言對其進行優化。最后，將3DS max型文件借助后綴格式是.Wrl的VRML類文件加以導出、優化。

1.2 優化模型

優化VRML主要是為了縮小文件，及提高渲染的速度。只有文件整體大小小于lMB的時候，才能確保下載文件時長不影響用戶使用。優化可通過VrmlPad 2.0，首先在VrmlPad 2.0之中將文件打開，其次對代碼進行優化既可。本文將基于輸電線路的材質單一、高度對稱等特征，將利用坐標變換、節點定義等方法來優化模型，以此減小模型數據的規模。

1.2.1 定義節點

節點作為VRML文件之中的最基本單位，其分為子節點與父節點[3]。VRML能夠借助節點定義、引用對相一致的素材重復進行調用，僅需應用DEF語句為節點實施節點名定義，并處于調用位置再一次借助USE語句來就節點名進行引用既可。桿塔中的三個塔角一側可以借助另外一側適量進行旋轉后所得到，對懸掛式絕緣子串來說，可先定義其12個之中的其中一個，然后在經過坐標變換來獲得剩下11個，優化桿塔底座的模型也可以使用該方法。在本文的建模過程之中，對于上中下3個桿塔的塔角，以及1個懸掛式絕緣子串與1個底座進行了節點名定義，其余相同類型的模型需要借助節點、適量進行旋轉后所獲得。對于材質渲染來說，桿塔模型的主要材質是水泥、南鋼、橡膠以及陶瓷的材質，對于這四大類材質也給予了節點名定義，其余相一致的材質也應用了節點引用進行調用。

1.2.2 模型變換

處于三維型坐標系下，VRML中的X、Y、Z坐標軸與3DS max所具有的指向間不盡相同。模型變換的主要應用場所是Transform組節點之中的Rotation和Translation子節點，對于Translation，其主要用在設定好轉換后新坐標原點、原有坐標系的原點與X、Y、Z方向間的間距，并默認原來的坐標系和新的坐標系是重合的[4]。而Rotation能夠設定轉換后新的坐標原點、原有坐標系間所具有的旋轉角度、旋轉軸，把z軸默認成旋轉軸，但是，不對其進行旋轉。另外，因為在VRML所具有的立體空間中應用的角度單位即為弧度，因此在旋轉變換之時，需要把角度單位給換算為弧度的單位。在對模型與材質進行節點定義及優化后，模型數據量也得以減少。

1.2.3 場景合成

在對輸電線路中的外圍環境實施建模期間，可以借助圖像建模，本文將通過透明貼圖的方式來對外圍環境實現快速建模，并通過虛擬模型基于設計參數及借助坐標轉換、組合，以對輸電線路場景進行三維建模。這一系統中的主界面共包括了用戶管理及三維場景的顯示等模塊，三維場景可實時以動態效果的方式展示出來，輸電線路某部分發生故障之時，系統就會立刻進行預警，而后相關工作人員就能及時發現故障并對故障進行了解，以及及時處理故障。

2 結論

綜上所述，輸電線路安全運行對于電網的穩定運行意義重大，本文基于輸電線路的場景特點，采用VR技術來探討輸電線路場景的三維建模方法與優化的方法，通過輸電線路的三維場景建立，場景更顯真實與逼真，數據規模也有了極大減少。