數(shù)字電網(wǎng)工程三維可視化及輔助評(píng)審應(yīng)用研究

董鉥濤 穆瑞芳 張建廣 孫孟昊 王向上 李春林

（北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

當(dāng)前輸變電工程三維設(shè)計(jì)成果質(zhì)量把關(guān)主要采用二維設(shè)計(jì)審查為主，工作依托的審圖系統(tǒng)主要功能為文件管理和工作流的管理。為推進(jìn)輸變電工程設(shè)計(jì)工作的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，著力推進(jìn)電網(wǎng)全方位、全過程的數(shù)字化建設(shè)，構(gòu)建覆蓋規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維等領(lǐng)域的數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)，迫切需要進(jìn)行工程三維輔助評(píng)審工具的研究和開發(fā)。而現(xiàn)階段的三維審圖系統(tǒng)仍屬于摸索階段。電網(wǎng)企業(yè)發(fā)布的指導(dǎo)文件作為參考，著力進(jìn)行三維設(shè)計(jì)深化應(yīng)用的研究，但距離三維可視化評(píng)審模式的確定還存在一定差距[1]。

本文采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方式，從輸變電工程三維評(píng)審實(shí)際需求出發(fā)，基于GⅠM自動(dòng)化審圖方法及應(yīng)用研究，以全業(yè)務(wù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心的電網(wǎng)地理信息、設(shè)備狀態(tài)、竣工圖等大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分步開展審圖支撐信息庫(kù)研究，三維設(shè)計(jì)模型智能輔助審圖研究。提出了數(shù)字電網(wǎng)工程三維可視化及輔助評(píng)審應(yīng)用研究的建設(shè)內(nèi)容、總體設(shè)計(jì)和技術(shù)手段以及系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用情況，為開展數(shù)字電網(wǎng)工程輔助評(píng)審的建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 建設(shè)內(nèi)容

1.1 GⅠM成果數(shù)據(jù)管理

工程文件中包含各設(shè)計(jì)階段的工程地理信息數(shù)據(jù)、三維設(shè)計(jì)模型和文檔資料，如圖1 所示。

圖1 GⅠM 成果數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)導(dǎo)入前，根據(jù)GⅠM格式注意事項(xiàng)和關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)GⅠM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校對(duì)，以保證數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性；通過讀取、解析各個(gè)設(shè)計(jì)階段成果數(shù)據(jù)、工程各類成果資料及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)入并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理。

通過將工程相關(guān)成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)工程各類三維模型、參數(shù)信息、圖紙、設(shè)計(jì)文件、關(guān)聯(lián)檔案的管理與維護(hù)。將工程相關(guān)成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)支持的格式，依次按照專業(yè)、卷冊(cè)、圖紙展示文件目錄結(jié)構(gòu)整理檔案文件，提供以樹形結(jié)構(gòu)的方式顯示三維模型中的工程卷冊(cè)文件結(jié)構(gòu)圖的方式，最終實(shí)現(xiàn)模型與圖紙資料關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)，空間查詢管理檔案的目的。

1.2 工程成果可視化展示

采用工作平臺(tái)進(jìn)行輸變電工程的可研階段選線工作，利用GⅠS 技術(shù)。

1.3 三維輔助評(píng)審設(shè)計(jì)

三維輔助評(píng)審模塊輔助開展針對(duì)工程三維可視化成果的評(píng)審工作，針對(duì)工程數(shù)據(jù)完整性、模型質(zhì)量、材料量統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)成果正確性等開展檢查和驗(yàn)證并輸出相關(guān)結(jié)果文檔。

1.3.1 GⅠM文件標(biāo)準(zhǔn)化校驗(yàn)

GⅠM文件標(biāo)準(zhǔn)化校驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)提交的工程成果數(shù)據(jù)進(jìn)行文件完整性、標(biāo)準(zhǔn)化校驗(yàn)監(jiān)測(cè)并出具校驗(yàn)結(jié)果和校驗(yàn)文檔，提供工程成果提交單位進(jìn)行整改。功能模塊結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司最新發(fā)布的《輸變電工程三維設(shè)計(jì)模型交互規(guī)范》進(jìn)行工程GⅠM文件檢查，實(shí)現(xiàn)工程文件導(dǎo)入、完整性檢查、校驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)出功能。實(shí)現(xiàn)將提交的工程GⅠM文件打包導(dǎo)入并進(jìn)行校驗(yàn)，針對(duì)校驗(yàn)結(jié)果，提示檢驗(yàn)合格、致命錯(cuò)誤、嚴(yán)重錯(cuò)誤、一般錯(cuò)誤，針對(duì)校驗(yàn)問題給出提示并輸出校驗(yàn)結(jié)果供成果提交方進(jìn)行整改。

1.3.2 三維模型校驗(yàn)

數(shù)學(xué)競(jìng)賽中的問題專業(yè)、抽象并且難度較大，所以就促使其具有一定的趣味以及教育性。在準(zhǔn)備使用圖論時(shí)，首先要先掌握?qǐng)D論的使用原理、方法以及使用過程中存在的問題以及問題的解決方法。在競(jìng)賽中使用圖論能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)書本上知識(shí)的理解，從而簡(jiǎn)單方便的解決社會(huì)活動(dòng)中存在的各種問題，不僅培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，還培養(yǎng)他們通過分析問題，擴(kuò)散思路，從而提高解決問題的能力。針對(duì)教師，用一些教育軟件以及教育案例融入到教學(xué)中，不僅可以提高教師的教學(xué)水平，還可以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的清晰度和掌握能力。參加一場(chǎng)數(shù)學(xué)競(jìng)賽，通過事前的準(zhǔn)備及學(xué)習(xí)，學(xué)生們可以學(xué)到很多書本上以及生活中常見的解決問題的方法。

三維模型校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)針對(duì)提交的工程三維模型進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)合《輸變電工程三維設(shè)計(jì)模型交互規(guī)范》中輸電部分三維設(shè)計(jì)模型文件存儲(chǔ)格式、屬性信息、幾何信息等進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)模型文件缺失、建模深度不足、文件格式錯(cuò)誤等進(jìn)行提示并輸出校驗(yàn)結(jié)果文檔供模型提交方進(jìn)行整改。功能模塊包括三維模型導(dǎo)入、模型檢測(cè)、校驗(yàn)成果輸出功能。

1.3.3 設(shè)備及材料量統(tǒng)計(jì)

設(shè)備及材料量統(tǒng)計(jì)結(jié)合提交的三維設(shè)計(jì)成果開展設(shè)備及材料量統(tǒng)計(jì)，通過解析變電站（換流站）、桿塔、絕緣子串等模型關(guān)聯(lián)的材料、設(shè)備、附屬設(shè)施等文件，以及解析設(shè)計(jì)模型屬性表，對(duì)三維模型涉及的設(shè)備及材料量進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，并提供一鍵輸出功能針對(duì)統(tǒng)計(jì)成果進(jìn)行結(jié)果文檔輸出。輔助開展工程設(shè)備、材料量統(tǒng)計(jì)評(píng)審。

1.3.4 工程三維校驗(yàn)

工程三維校驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程數(shù)據(jù)的各類計(jì)算校驗(yàn)，結(jié)合工程三維設(shè)計(jì)成果，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線相間距離校驗(yàn)、對(duì)地安全距離校驗(yàn)、交叉跨越線間距離校驗(yàn)、間隙校驗(yàn)以及可視化查看等功能，并提供輸出功能支持校驗(yàn)報(bào)告生成，對(duì)校驗(yàn)不通過的位置進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)識(shí)與提示，輔助開展對(duì)三維設(shè)計(jì)成果的檢驗(yàn)與評(píng)審。

2 總體設(shè)計(jì)

在軟件工程思想和GⅠM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)下，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、BⅠM 技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)、三維顯示技術(shù)、海量數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)等為基礎(chǔ)進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)。整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)構(gòu)架于.Net Framework 基礎(chǔ)之上，采用Microsoft Visual Studio 作為集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用Microsoft Enterprise Library 訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)，采用NSCGlobe實(shí)現(xiàn)三維輸電線路展示和采用Unity3D 引擎實(shí)現(xiàn)變電站（換流站）場(chǎng)景展示，利用MVP 框架控制人機(jī)交互邏輯，在此基礎(chǔ)上搭建數(shù)字電網(wǎng)工程輔助評(píng)審平臺(tái)，管理、評(píng)審用戶在客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)全省電網(wǎng)工程數(shù)據(jù)的批量顯示、無級(jí)縮放、檢索查詢和管理，從而實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)成果數(shù)字化評(píng)審與應(yīng)用[4]，見圖2。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

3 技術(shù)手段

3.1 參數(shù)化圖元建模技術(shù)

圖3 參數(shù)化圖元快速建模

3.2 三維場(chǎng)景快速加載與渲染技術(shù)

電網(wǎng)工程三維評(píng)審中三維數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)種類繁多，包含參數(shù)化模型、ⅠFC 模型、航空影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等。其中ⅠFC 模型數(shù)據(jù)量高達(dá)2-4G，模型組裝后的整站模型數(shù)據(jù)粒度細(xì)并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此為了保證系統(tǒng)能夠快速高效加載大批量電網(wǎng)設(shè)備模型，系統(tǒng)采用四叉樹的模型渲染技術(shù)，為電網(wǎng)三維實(shí)體模型建立空間索引，提高模型渲染效率，同時(shí)采用先進(jìn)的LOD 技術(shù)，在不影響視覺效果的情況下降低數(shù)據(jù)復(fù)雜程度和ⅠO 吞吐量，從而更好的提高多面體數(shù)據(jù)的訪問和渲染效率，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程的高效快速渲染。

3.3 多源海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示和高速服務(wù)，需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)管理；并且對(duì)原始的數(shù)據(jù)生成影像金字塔，并根據(jù)不同的顯示要求調(diào)用不同分辨率的影像。影像金字塔結(jié)構(gòu)的不同層具有不同分辨率的特點(diǎn)，在對(duì)影像數(shù)據(jù)瀏覽時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前顯示的分辨率抽取相應(yīng)金字塔層的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速瀏覽。同時(shí)為了提高檢索顯示區(qū)涉及的影像塊的速度，必須對(duì)影像塊創(chuàng)建高效索引。若分層數(shù)據(jù)以2 倍率抽，則采用線性四叉樹的結(jié)構(gòu)建立索引是一種合理的方案。線性四叉樹是基于四叉樹索引基礎(chǔ)上提出的，通過節(jié)點(diǎn)編碼建立節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，從而擺脫了傳統(tǒng)四叉樹索引鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)帶來的冗余信息。

3.4 三維設(shè)計(jì)輔助電力評(píng)審技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示和高速服務(wù)，需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)管理；并且對(duì)原始的數(shù)據(jù)生成影像金字塔，并根據(jù)不同的顯示要求調(diào)用不同分辨率的影像。影像金字塔結(jié)構(gòu)的不同層具有不同分辨率的特點(diǎn)，在對(duì)影像數(shù)據(jù)瀏覽時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前顯示的分辨率抽取相應(yīng)金字塔層的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速瀏覽。同時(shí)為了提高檢索顯示區(qū)涉及的影像塊的速度，必須對(duì)影像塊創(chuàng)建高效索引。若分層數(shù)據(jù)以2 倍率抽，則采用線性四叉樹的結(jié)構(gòu)建立索引是一種合理的方案。線性四叉樹是基于四叉樹索引基礎(chǔ)上提出的，通過節(jié)點(diǎn)編碼建立節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，從而擺脫了傳統(tǒng)四叉樹索引鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)帶來的冗余信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本文主要開展了三維可視化及輔助評(píng)審應(yīng)用方法的研究及應(yīng)用，成果將基于GⅠM 的三維可視化及輔助評(píng)審，以提高三維審圖的質(zhì)量和效率為目標(biāo)，強(qiáng)化能力提升，突出核心業(yè)務(wù)，進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計(jì)監(jiān)理業(yè)務(wù)，用信息化手段固化審圖流程，提供智能化審圖技術(shù)，為三維設(shè)計(jì)審查提供技術(shù)輔助手段。全面提升電力工程三維審圖的工作效率與質(zhì)量，拓展數(shù)字化設(shè)計(jì)成果應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

經(jīng)濟(jì)效益方面，本課題的研究解決了目前現(xiàn)場(chǎng)沒有專業(yè)軟件可以查看三維設(shè)計(jì)成果的問題，通過使用統(tǒng)一的數(shù)字化移交數(shù)據(jù)，可有效解決各系統(tǒng)間信息孤島問題，并通過完備的移交機(jī)制，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，避免因數(shù)據(jù)不一致、遺漏，為開展三維工程評(píng)審提供了必要條件。

社會(huì)效益方面，三維可視化及輔助評(píng)審系統(tǒng)的開發(fā)積極響應(yīng)國(guó)網(wǎng)關(guān)于號(hào)召開展“數(shù)字國(guó)網(wǎng)”建設(shè)的戰(zhàn)略，提高了公司的工程數(shù)據(jù)管理及優(yōu)秀工程經(jīng)驗(yàn)推廣能力。同時(shí)還將為公司帶來良好的示范效應(yīng)，對(duì)于提升企業(yè)形象，擴(kuò)大社會(huì)影響有著積極的意義。

結(jié)束語

本文提出的平臺(tái)建設(shè)的研究，是基于對(duì)輸電線路通道設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)積累以及多個(gè)類似規(guī)模信息化共享平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè)的歷史經(jīng)驗(yàn)上，綜合了成本、技術(shù)成熟度、未來擴(kuò)展性等因素，結(jié)合電力公司信息化的客觀實(shí)際，形成的研究成果。在平臺(tái)主體框架上，采用了主流成熟的技術(shù)手段，而在設(shè)計(jì)階段的專業(yè)領(lǐng)域中，又引入了前沿先進(jìn)的激光點(diǎn)云及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，為今后輸電工程建設(shè)提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。