變電站設備三維模型管理數據庫設計

國網上海市電力公司檢修公司 徐 楠 錢程晨 王 媚 崔鵬程 江 飛 同濟大學電子與信息工程學院 沈小軍

1 引言

三維模型是一種比二維圖像內容更為豐富真實，更加符合人類視覺特性的多媒體數據類型，隨著計算機圖形學的發展以及三維模型獲取技術、圖形硬件技術的不斷進步，三維立體技術應用越來越廣泛，其在變電站設施的三維建模方面也得到了應用[1-3]。通過對變電站設備進行實景三維重構以及利用三維設計成果，可實現變電站設備全方位立體化的分析與管理，為變電站三維可視化提供技術支持。

變電站的三維設計與重構工作，變電站三維設計、三維重構的研究及應用產生了大量的三維模型。在這過程中不難發現，不同規模的變電站甚至不同電壓等級的變電站會出現同廠家、同型號、外觀功能完全一樣的設備。相同設備重復建模不僅浪費大量人力、物力，而且還會嚴重影響變電站三維模型重構工作效率，同時不同建模產商的模型顆粒度不同，數據格式也不同，為后期對三維模型二次開發與應用帶來了不便。工程實踐發現，變電站設備種類多，若三維模型不加管理，特別是在運維階段，隨著人員的流動、信息的流失、變動，容易因管理混亂，造成三維模型失去工程應用價值。另外，變電站設備、部件具有一定的通用性，現場存在大量的相同型號的設備、部件，若將此類設備進行分類和標準化入庫，可避免復雜、重復的標準件重構，能極大地提高變電站建模重構效率，縮短變電站建模工作周期。

在信息化社會，充分有效地管理和利用各類信息資源，是科學研究和決策管理的有力保障。數據庫技術是管理信息系統、辦公自動化系統、決策支持系統等各類信息系統的核心部分，是進行科學研究和決策管理的重要技術手段[4-6]。因此，將數據庫技術應用到三維模型管理工作中具有重要意義。

綜上所述，構建一個包含大量合格模型的變電站設備三維模型庫來實現模型的統一調用、統一規范、統一管理，實現變電站設備模型便利化、有序化的管理，極大促進模型共享、模型重構以及三維設計技術經濟性的進程[7-8]。鑒于此，本文分析了變電站設備三維模型管理數據庫功能需求與架構設計，統一了模型入庫所需的信息，搭建了變電站設備數據管理維護模塊與人機交互模塊，為實現變電站三維模型數據庫的創建提供一種參考。

2 變電站三維模型管理數據庫功能需求與架構設計

2.1 模型管理數據庫功能需求分析

近年來，三維模型數據庫技術已逐步得到發展，三維模型數據庫已被廣泛的應用于教育、醫療、軍事、電力系統等眾多領域。為構建電網三維空間可視化信息平臺，以實現調控中心可視化、運行維護可視化、營銷管理可視化，已有很多專家學者開始對電力設備三維數據采集、三維模型構建等技術進行研究，并且取得了一定的研究成果。但設備三維模型種類、數量越來越多，質量參差不齊，缺乏合適的三維模型管理工具使得這些模型的可靠性與可用性面臨諸多挑戰，主要體現在：設備三維模型文檔的準確性及完整性，文檔管理人員的管理習慣不同、誤操作、人員調動以及文檔變動、遺失等等都會使設備三維模型文檔的準確性以及完整性存在問題，且三維模型與設備文檔信息之間相互獨立，無法直接關聯，為模型的管理與應用帶來了不便。變電站三維模型數據庫應具備以下功能。

一是三維模型數據及其相關信息的管理維護。變電站三維模型數據庫的數據隨著電網發展不斷進行修改、更新等，因此要預留操作簡單、易學的數據更新平臺方便數據庫管理人員進行管理維護工作。

二是三維模型的查閱。三維模型數據的查閱有兩種方式：一種是無針對性的遍歷，因此數據庫需要包含全部三維模型，方便用戶挑選合適的對象；另一種是有針對性的關鍵詞查詢，因此數據庫需具備關鍵詞查詢功能，方便用戶從海量數據中快速訪問目標對象。在這過程當中，需要統一設備模型的命名規則，避免因關鍵詞與模型名稱不一致出現錯選、漏選、查無對象等情況，同時還應提供多關鍵詞的搜索方式，解決用戶在信息缺乏的情況下無法快速篩選的問題；

三是三維模型的展示功能。僅有三維模型名稱及其相關信息無法直觀地為用戶展示三維模型的具體構造，不便于用戶正確地選擇調用所需的模型。因此需要有簡單、快捷、形象的三維模型展示功能，清楚地反映出模型的整體構造，同時要避免出現因設備模型文件體積過大，模型種類過多，導致查看模型速度慢這一問題。

2.2 模型管理數據庫框架

為了實現上述功能，數據庫包括了兩個模塊的設計：一是模型管理維護模塊，該模塊用于數據庫中數據的管理維護，主要包含了三維模型及其相關信息添加、刪減、修改、更新等操作，同時為人機交互模塊提供底層數據來源；二是人機模塊，該模塊主要功能為創建與用戶的交人機互平臺，實現三維模型遍歷、查詢以及展示，因此該模塊又可分為遍歷、查詢、展示三個子模塊，其中遍歷模塊由條理清晰的樹狀圖結構實現，展示模塊能實時展示選擇的目標對象。

3 模型入庫信息屬性與編碼規則

為了三維模型在使用時能夠被正確、合理的選用，三維模型及其相關信息在入庫時應進行統一，即規定所需信息種類以及信息入庫的格式。入庫信息應包括：設備本身名稱，所屬電壓等級，生產廠家，設備型號等。本文對這些入庫信息做出如下統一。

3.1 設備名稱

統一使用中文名稱，不使用英文或拼音縮寫、簡稱等方式，避免在按設備名稱查詢時因個人習慣不同導致查詢結果出現錯選、漏選等情況，若模型為某一設備部件，命名應包括該設備，如“主變壓器油枕”，指明該部件的歸屬。

3.2 電壓等級

統一使用“阿拉伯數字+電壓單位”的格式，電壓單位不區分大小寫，如“500kV”，變電站中名稱相同電壓等級不同的設備有很多，這些設備模型在入庫時應添加電壓等級加以區分，避免出現混淆。

3.3 生產廠家

廠家名稱應保持和該廠家官方名稱一致，不可縮寫，避免在按生產廠家查詢時查詢結果出現錯選、漏選、查無結果等情況。

3.4 設備型號

設備型號應與設備相應參數銘牌上的信息保持一致，保證設備型號參數準確無誤，為模型篩選時提供最為精確的判別條件，若模型為某一設備部件，無相應的設備銘牌則以該設備的型號為準。

為了查詢便利，本文提出一種以設備編碼的方式查詢設備的思路，即給每一種設備添加唯一的編碼，按“電壓等級+（部件所屬設備）+（設備類型信息）+設備/部件中文名字+（相/順序編號）”的順序依次編碼，括號的內容為非必要信息，按需添加，主要作為補充的區分條件，不加括號的內容為必要信息。設備編碼規則如表1所示。

表1 設備編碼表

電壓等級、名稱等均相同的設備根據設備類型信息加以區分，本文以變壓器為例，變壓器編碼時要聲明其用途、類型、冷卻方式等，并按照類型+冷卻方式+用途的順序來命名，設備類型編碼規則如下表2所示。如：單相自耦油浸式ONAN/ONAF主變壓器（冷卻方式編碼選擇滿負荷時的冷卻方式）根據表2其設備類型編碼則為1321。

表2 設備類型編碼

根據上述編碼表，本文以一串18位數字為設備進行編碼，編碼時注意：為了統一編碼的位數，規定命名的通用規則中的內容不可省略，如若無相關信息，則使用數字0代替，不可省略，且每個內容用統一位數的編碼表示，如圖1所示，共18位編碼（如果需要添加某項內容或者某項內容中所包含的信息需要擴充則再添加）。

圖1 設備編碼規則

4 基于Access 軟件的變電站三維模型管理數據庫開發

Access 是世界上最流行的基于Windows 系統的桌面數據庫管理系統，它是面向對象的開發工具，將一個應用系統當作由一個個對象組成，簡化了開發工作，具有簡單易學、界面友好、操作簡單的優點[9]。與其他種類的數據庫軟件相比，Access 不需要數據庫管理工作人員具有很強的編程能力，降低了對管理人員的要求。本文使用Access 創建變電站三維模型數據庫主要由以下兩個模塊設計構成。

4.1 數據管理維護模塊

數據表是Access 數據庫數據的來源與搭建整個數據庫系統的基礎。Access 中數據的添加、刪減、更新與維護等操作可通過修改數據表實現。由于本文數據庫遍歷模塊為樹狀結構，因此要先在數據表中理清父子節點關系。三維模型數據庫中的電氣設備模型有很多種類，以其中變壓器為例，將其看為一個父節點，呼吸器、散熱片、油枕等都是組成變壓器的部件，可看為變壓器節點的一個子節點，同時變壓器等設備又是電氣設備的子節點。在數據表構建之前，先要對數據庫內的模型進行歸類整理，梳理各個模型之間的父子節點。

本文數據表中包含有：節點信息、模型鏈接、模型名稱、模型縮略圖、出廠廠家、電壓等級等信息。此外，為了后續創建樹狀圖結構，添加了各個設備的節點層級，梳理父子節點關系，以電氣設備為例，變壓器屬于電氣設備，其本身包含了套管、油枕、散熱片等各種部件，因此其父子節點關系如表3所示。

表3 數據表及父子節點關系

4.2 人機交互模塊

該模塊是數據庫設計的核心，決定了最終數據庫的展示效果。Access 中窗體是計算機與用戶的交互平臺，本身不具有任何數據庫中的內容，其數據來源于數據表。

4.2.1 三維模型展示模塊

該模塊用于模型的展示，無論查詢模塊與遍歷模塊如何實現，它們都需要有三維展示模塊實時顯示選擇的對象。本文中數據庫的三維模型以縮略圖的形式展示，包括兩張不同角度的全彩視圖，一張模型拆分為一個個主要部件的縮略圖，以便在變電站三維設計模型的快速查閱，以及新進員工快速了解各個設備的主要結構及功能作用，避免了打開三維模型緩慢造成的時間浪費，提高了查閱效率，對于實際的模型文件則以超鏈接的形式指明文件位置，變壓器示例如圖2所示。

圖2 變壓器縮略圖示意

本文三維模型展示模塊實現的方式是采用綁定型控件，通過設定添加的綁定型控件中的屬性將其綁定至數據表中的模型與縮略圖鏈接，實現模型的展示，具有操作簡單、易維護的優點。

4.2.2 查詢模塊

窗體的創建及功能的實現主要通過各種控件以及相應控件的事件編程來實現。事件是在數據庫中執行的一種特殊操作，是對象所能辨識和檢測的動作，當此動作發生于某一個對象上時，其對應的事件便會被觸發，如鼠標單擊、雙擊、更新前、更新后，等等。此窗體主要功能為查詢，事件設置為“=SetFilter（文本框名稱）”，并對查詢窗體進行編程實現查詢窗體的基本功能。設計的數據庫提供三種關鍵詞檢索，分別為設備名稱、電壓等級、生產廠家，為用戶提供多種篩選策略，如圖3所示。

圖3 查詢窗體界面

4.2.3 遍歷模塊

該模塊用于遍歷整個三維模型設備庫中的模型及其相關信息，樹狀圖結構能很好地滿足這一功能需求。樹狀圖通過ActiveX 控件來創建，ActiveX控件可在應用程序和網絡中計算機上重復使用的程序對象。本文中使用ActiveX 控件中的Microsoft ImageList Control,version6.0和Microsoft TreeView Control version6.0來創建變電站三維模型樹狀圖。ImageList 控件用于顯示樹狀圖內部的圖標，TreeView 控件則用于生成樹狀圖結構，需結合Visual Basic 語言實現，其典型的方法有：Add 方法、GetVisi-bleCount 方法及ExpandAll方法。其中，Add 方法為本文三維模型數據庫主要使用方法，其作用是為Treeview 控件的Nodes集合中添加一個Node 對象。結合前文數據表中創建的父子節點關系得到變電站設備三維模型的樹狀圖。如圖4所示。

圖4 電氣設備樹狀圖結構

4.2.4 主窗體模塊

最后將前文創建的查詢窗體作為一個子窗體添加入主窗體，結合組合框控件實現主窗體的查詢功能，最終三維模型數據庫主窗體。如圖5所示。

圖5 主窗體界面

5 結論與展望

本文在分析變電站設備三維模型數據庫的功能需求以及架構設計的基礎上，基于Access 軟件搭建了操作簡單、易學的模型管理維護模塊與人機交互模塊，實現了變電站三維模型管理數據庫的創建。該數據庫實現了設備三維模型與電壓等級、生產廠家、設備型號等信息的管理，提高工作效率，具備一定的工程應用價值，但主要局限于模型瀏覽查詢等功能。基于設備組件/部件的三維模型單元，作為設備級三維重構的底座，輔以拼裝技術，進一步提升模型的共享能力和深度值得關注。