變電站不同三維建模方法的比較

(北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著信息化技術的快速發展，數字化電網、智能電網和泛在電力物聯網的概念先后提出，電力行業借鑒建筑行業的建筑信息模 型 (building information modeling，BIM)逐步形成了電力工程信息模型(engineering information modeling，EIM)和電網信息模型(grid information model，GIM)，“數字化工程”逐漸替代“工程數字化”成為大勢所趨[1-3]。變電站作為電力系統的主要組成部分，其日常檢測與維護的有效性和電力系統安全運行密切相關。變電站三維模型能夠直觀生動地表達站內設備設施三維空間位置和設備內部結構，因此在變電站三維設計、變電站智能運檢管控、變電站仿真培訓等方面得到越來越廣泛應用。本文將結合實際工程的開展情況，從技術路線、經濟性、適用性方面對變電站三維建模方式進行比較。

1 三維建模方式

2010年國家電網公司建設的寧東—山東±660 kV 直流輸電示范工程是世界上首個±660 kV電壓等級的直流輸電工程，工程中堅持科技創新與管理創新并舉，在電網工程中首次提出了“三維數字化移交”的新思路[4],工程采用了幾何實體建模方法對線路和換流站進行三維建模。2012年國網經濟技術研究院提出“構建數字化設計體系，引領電網建設發展方向”[5]，經過多年的發展，電網工程數字化設計技術逐步成熟，2019年初國家電網公司發布了《輸變電工程三維設計建模規范》《輸變電工程三維設計模型交互規范》等一系列的企業標準，從三維建模、模型交互、軟件平臺、三維設計、數字化移交等方面規范了數字化電網建設，電網信息模型進入了應用階段。目前變電工程中應用的三維建模手段主要有幾何實體建模、參數化建模、地面激光掃描建模。

1.1 幾何實體建模

變電站幾何實體建模是以工程竣工圖設計圖紙、設備照片為依據，按照圖紙尺寸及型號等信息1:1構建變電站三維模型。數字化建模主要利用商業化三維軟件MicroStation、3DMax、AutoCAD以及SolidWorks等。幾何建模主要有四個步驟：①資料收集與整理，收集三維建模所需要的各類設計資料，包括總平面圖布置圖、透視圖、設備尺寸、設備外觀圖片等，并進行整理；②單個模型構建，按照設計圖紙尺寸，利用三維建模軟件的各類幾何體、放樣算法以及復雜的布爾運算生成幾何實體模型；③模型紋理貼圖，根據現場拍攝相片或者類似的圖片，經處理后進行貼圖；④模型空間布置，按照變電站總平面圖確定變電站各設備空間布置，體現拓撲關系。

變電站數字化移交建模的范圍通常包括電氣一次設備三維建模、架構、土建設施三維建模以及站內設備導線連接建模，如圖1所示。變電站三維模型主要應用于設計交底、施工組織設計、現場施工進度模擬以及物資管理。三維可視化場景接入現場的視頻信號、人員定位傳感器以及其他物聯網設備信息后，能快速構建智慧工地指揮大廳。

圖1 數字化移交建模過程示意圖

1.2 參數化建模

參數化建模是用一組幾何約束和一組參數來約束圖形的幾何元素之間的關系和尺寸，不同的參數值驅動產生不同大小的、拓撲關系不變的幾何圖形，通過調整參數來修改和控制圖形幾何形狀的一種建模方法。自2017 年起，國家電網公司以試點工程的形式開始推廣應用三維設計技術。常用的變電站三維設計軟件有Substation、STD(R) 軟件平臺 ( 以 AutoCAD 或Revit 為核心)等，三維設計需按照參數化建模方法建立如圖2所示各種類型設備的標準三維模型庫，覆蓋各電壓等級變電站內大部分主流設備制造商的三維模型。三維設計參數化建模遵循以下原則：一是提高運行速度，方便協同設計，在滿足電氣距離校驗、土建等各類接口、運檢階段功能應用等需求的前提下，對模型進行簡化處理；二是模型包含參數屬性等結構化數據信息，方便工程量統計、分析計算以及后期運檢錄入智能管控系統；三是模型以實物為參照，表達滿足要求的空間占位及關鍵尺寸[6-7]。

圖2 變電站設備三維模型庫

參數化建模適用于變電站架構、部分設備或線路元件等外形規則的實體，用一組參數約束該幾何圖形的一組結構尺寸序列，參數與設計對象的控制尺寸有顯式對應，當賦予不同的參數序列值時，就可驅動達到新的目標幾何圖形，建立起的模型實體包含所有設計信息。參數化建模方式為模型的可變性、可重用性提供了手段，使用戶可以利用標準的程序快速方便地建立起精細化模型。某750kV變電站三維設計試點工程均采用三維設計參數化建模技術，實現了三維模型空間布置、碰撞檢查、電氣計算，生成主接線圖、完成材料清冊、工程量等統計工作。如圖3所示。

圖3 某750 kV變電站全景和局部GIM模型示意圖

1.3 地面激光掃描建模

地面激光掃描三維建模利用移動三維激光掃描儀等設備對變電站設備設施建構筑物進行激光掃描，采集物體表面的三維空間位置信息和紋理信息，然后利用Cyclone、Kubit 以及PointCloud等專業軟件構建三維模型。主要有五個步驟：①現場勘探與方案布設。根據現場情況以及設計資料進行數據采集方案布設；②外業數據采集。利用激光掃描儀器開展數據采集工作；③點云數據處理。包括多站點數據配準、拼接、去噪、重采樣等處理；④點云數據建模。根據不同的點云特征，建立設備三維空間數據模型；⑤紋理映射。將現場采集到的紋理映射到三維模型上，形成模型的真實紋理[8-12]。

激光點云建模的方法有兩種：一是點云數據表面模型制作, 通過構造三角網格逼近掃描物體表面來構建實體的三維模型；二是幾何模型制作, 通過分割點云數據來提取實體的幾何輪廓從而進行模型重建。第一種方法常用于復雜曲面的精細化表達，如地形模擬、佛像重建、古建筑保護等方面。變電站三維建模主要是通過第二種方法，即根據點云數據提取實體幾何輪廓逆向建模，技術流程如圖4所示。

圖4 激光點云建模流程圖

國網技術學院數字校園項目中采用移動激光掃描技術對某校區220kV變電站進行了三維建模。使用的硬件設備有IMS 3D移動三維掃描系統、佳能EOS 5DMarkII相機、大疆精靈4無人機。由于三維移動激光掃描設備無法獲取到桿塔頂部的激光點云數據，采用空中旋翼無人機搭載激光雷達設備和地面移動三維激光掃描系統結合的方法，項目從空中到地面，從整體到局部各個方向、角度全方位獲取激光點云數據，如圖5所示。無人機搭載相機用從空中和地面分別進行紋理采集。利用激光掃描數據處理的軟件平臺，通過分類算法對激光點云數據進行過濾，將植被、建筑物、管道設施等地物數據進行分離、提取。再經過大量人工干預對點云精細分類，彌補自動分類算法在數據判別精準度上的不足。變電站采用3DMax軟件來進行建模效果如圖6所示，保證三維模型成果的清晰度和逼真度。通過三維可視化的手段實現了變電站及學院建筑設施的可視化瀏覽、漫游導航以及交互式查詢[13]。

圖5 國網技術學院220 kV變電站激光點云

圖6 國網技術學院220 kV變電站局部模型

2 對比分析

技術路線方面。幾何實體建模利用設計圖紙和設備圖片對已建或擬建變電站進行建模，模型的材質和紋理可以現場采集或近似模擬，能夠實現大場景、復雜模型的構建，能夠實現三維仿真模擬，建模過程方便靈活，技術難度低。參數化建模采用參數控制的基本圖元進行建模，模型的關鍵尺寸，專業接口和技術參數要求全面準確、完整、準確，建模過程規則性強，建模人員需具備電力專業背景，不僅能夠構建物理模型還能構建邏輯模型。移動激光掃描三維建模利用移動激光掃描技術對已建實體設備、建(構)筑物進行表面測量，獲取表面點空間坐標，受激光掃描設備在變電站中移動的空間位置限制，被遮擋區域、電纜溝內、地下管線、超高地面部分、超細部分均不能完成數據采集，數據處理工藝復雜，技術難度大。

模型效果方面。幾何實體建模范圍既包括表面可見部分也包括內部或地下不可見部分，三維模型內部和外部的精細化程度可以根據需求靈活把握；參數化建模受限于標準圖元的限制，以及三維設計過程對運算速度的要求，模型在外觀細節的表現方面沒有復雜的曲面、材質、紋理貼圖及渲染效果等信息，三維模型的展現效果較差。激光掃描三維建模采集現場彩色激光點云，模型的精細程度取決于激光掃描的點云密度和反向建模過程對細節的把控，在掃描密度夠大時可以真實再現設備幾何外觀和細節紋理。

建模成本方面。幾何實體建模使用通用的建模軟件，自由度高，過程靈活，建模人員較易獲取，對變電站類的工業模型而言建模成本較低；三維設計參數化建模規則性強，建模人員需要有電力專業背景，人員成本較高，變電站模型庫建設完成，后續使用成本較低。激光掃描三維建模采用現場采集方式，需要有專業的數據采集設備和數據處理軟件，建模效率較低，技術難度較大，成本較高[14-15]。

3 結語

隨著輸變電工程三維設計技術的推廣應用，更多新建變電站工程在設計過程中完成三維設計參數化建模，能夠在工程驗收時完成三維設計成果的交付，并逐漸的替代幾何實體建模的方式。但對于未采用三維設計的工程，以及對于展示效果和細節要求更高的場合，幾何實體建模方式依然是行之有效的建模方法。設計圖紙與現場不可能都完全吻合，生產運行的環節中要掌握精確的真實的現場情況，地面激光掃描三維建模是最佳選擇。